彭磊，何文敏，楊江朋，李秀君，孔令昌

土壓平衡盾構(gòu)用復(fù)合式泡沫發(fā)生器及其產(chǎn)泡特性的研究

彭磊1, 2，何文敏1, 2，楊江朋1，李秀君3，孔令昌3

(1. 陜西省高性能混凝土工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 渭南 714000；2. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 道橋工程系，陜西 渭南 714000；3. 中鐵一局集團(tuán)陜西卓信工程檢測(cè)有限公司，陜西 西安 050043)

為了解決土壓平衡盾構(gòu)用泡沫發(fā)生器產(chǎn)泡效果差、泡沫浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，設(shè)計(jì)復(fù)合式泡沫發(fā)生器。通過泡沫流量、發(fā)泡倍率和析液半衰期試驗(yàn)，確定滾珠填充率、粒徑、多孔板孔徑是泡沫發(fā)生器主要影響因素，測(cè)試泡沫析液質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系，對(duì)泡沫平均直徑隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：玻璃滾珠粒徑為4～5 mm，體積填充率為50%，多孔板板孔徑為3 mm時(shí)，泡沫流量為80～133 L/min，發(fā)泡倍率為26.0～31.6，析液半衰期為758～845 s，泡沫發(fā)生器產(chǎn)泡量較大、發(fā)泡倍率較大、泡沫穩(wěn)定性好。泡沫從產(chǎn)生至半衰期，泡沫攜液量大，析液快，0～8 min泡沫平均直徑為10 μm，8 min至半衰期平均直徑增加到40 μm，泡沫改良渣土和排土器排土多集中在此時(shí)間段；半衰期后，析液量小、持繼時(shí)間長(zhǎng)。整個(gè)過程中，泡沫平均直徑處于動(dòng)態(tài)變化過程中。利用含聚合物的泡沫劑對(duì)高含石量的砂卵石地層進(jìn)行改良，塑流性隨泡沫摻量增加而升高，滲透系數(shù)、剪切強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角隨泡沫摻量增加而降低。泡沫摻入量40%～50%時(shí)，塑流性和滲透系數(shù)能達(dá)到要求。

泡沫發(fā)生器；壓縮空氣泡沫系統(tǒng)；泡沫；氣液比；泡沫平均直徑

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)發(fā)泡的原理是將泡沫液與水按比例混合形成泡沫溶液后，注入一定比例的壓縮空氣，二者在管路中充分混合后，進(jìn)行發(fā)泡。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到滅火、煤礦除塵、泡沫混凝土、土壓平衡盾構(gòu)渣土改良等領(lǐng)域。其中，泡沫發(fā)生器作為關(guān)鍵技術(shù)裝備，泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)的好壞直接決定了發(fā)泡性能的優(yōu)良，進(jìn)而影響水成膜泡沫的實(shí)際生產(chǎn)施工效果。LU等[1]設(shè)計(jì)了煤礦除塵用螺旋射流式發(fā)泡器，研究了供液壓力、供液流量、出口壓力對(duì)產(chǎn)泡性能的影響，克服了傳統(tǒng)制泡設(shè)備產(chǎn)泡性能弱、阻力損失大等問題；CHEN[2]綜合了螺旋式泡沫發(fā)生器及網(wǎng)式發(fā)泡器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了露天礦潛孔鉆機(jī)泡沫發(fā)生器，發(fā)現(xiàn)液體流量及氣體流量越大、發(fā)泡網(wǎng)目數(shù)越小、發(fā)泡劑濃度越高，泡沫流量越大；湯笑飛等[3]設(shè)計(jì)了適用于露天滅火的網(wǎng)式兩相泡沫發(fā)生器，解決了傳統(tǒng)網(wǎng)式泡沫發(fā)生器泡沫液分配不均、發(fā)泡不穩(wěn)定、泡沫難以傳輸?shù)膯栴}；李菊麗 等[4]設(shè)計(jì)了泡沫混凝土用泡沫發(fā)生器，采用可調(diào)式發(fā)泡管，通過調(diào)節(jié)發(fā)泡介質(zhì)填充密度，可控制泡沫密度和孔徑大小。土壓平衡盾構(gòu)用泡沫發(fā)生器及泡沫微觀形態(tài)的研究報(bào)道較少[5]，主要研究多集中在改良渣土。傳統(tǒng)的發(fā)泡機(jī)制備出泡沫的密度、孔徑不易調(diào)節(jié)、產(chǎn)泡量和穩(wěn)泡時(shí)間也不易控制，泡沫浪費(fèi)嚴(yán)重，制約了實(shí)際生產(chǎn)施工的發(fā)展。因此，本文針對(duì)兼有網(wǎng)式和介質(zhì)填充式特點(diǎn)的泡沫發(fā)生器，研究了玻璃滾珠填充率、玻璃滾珠粒徑、多孔板孔徑等對(duì)泡沫的影響，對(duì)泡沫的析液質(zhì)量和泡沫平均直徑隨時(shí)間變化關(guān)系進(jìn)行了研究，對(duì)于不同地層的泡沫劑的研發(fā)和渣土改良機(jī)理的研究具有重要的 意義。

1 泡沫發(fā)生器及泡沫特性測(cè)試方法

1.1 泡沫發(fā)生器設(shè)計(jì)參數(shù)

通過空氣壓縮泡沫系統(tǒng)發(fā)泡，泡沫發(fā)生器的產(chǎn)泡性能直接決定泡沫的發(fā)泡倍率、穩(wěn)泡時(shí)間、泡徑、泡沫量等。目前，國(guó)內(nèi)外泡沫發(fā)生器的種類較多，按其發(fā)泡方式和發(fā)泡原理，可以分為網(wǎng)式、渦輪式、擋板式、充填介質(zhì)式和射流式。

網(wǎng)式泡沫發(fā)生器成泡率高、發(fā)泡倍率高、產(chǎn)泡量大，但泡沫穩(wěn)定性較差[6]，且對(duì)發(fā)泡液、風(fēng)速與壓力要求較高[7]。介質(zhì)填充式泡沫發(fā)生器利用充填介質(zhì)的紊流作用，氣液混合更均勻、尺寸更細(xì)密、泡沫更穩(wěn)定，但充填空間內(nèi)，局部損失大，對(duì)發(fā)泡效果有影響。綜合2種泡沫發(fā)生器各自特點(diǎn)，它們?cè)诔膳萋?、泡沫量、發(fā)泡倍率、泡沫穩(wěn)定性等方面實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。結(jié)合土壓平衡盾構(gòu)及泡沫混凝土施工的作業(yè)特點(diǎn)，兼有網(wǎng)式及介質(zhì)填充式特點(diǎn)的復(fù)合式泡沫發(fā)生器發(fā)泡效果較好，發(fā)泡器兩端采用網(wǎng)狀多孔板固定，內(nèi)部填充玻璃滾珠。發(fā)泡器內(nèi)部沒有復(fù)雜部件，不易堵塞、混合強(qiáng)度大、使用維護(hù)方便、能夠適應(yīng)惡劣工作環(huán)境。

泡沫發(fā)生器設(shè)計(jì)參數(shù)一定，在氣體壓力為0.3 MPa，氣體流量控制在200 L/min時(shí)，發(fā)泡效果較好[8]，故在此條件下，研究設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)發(fā)泡性能的影響。泡沫發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，泡沫發(fā)生器玻璃珠粒徑、填充率和多孔板孔徑等影響泡沫的性能，因此，泡沫產(chǎn)生器殼體尺寸選擇Φ80×1 100 mm的不銹鋼管，玻璃珠規(guī)格選3～4 mm，4～5 mm，5～6 mm，圖2為3種不同粒徑玻璃珠，玻璃滾珠體積填充率選30%，50%和70%，多孔板的孔徑選2，3和4 mm時(shí)，調(diào)節(jié)液體流量，測(cè)定不同氣液比下產(chǎn)生泡沫的泡沫流量、發(fā)泡倍率和穩(wěn)定性，觀察泡沫產(chǎn)量和狀態(tài)。

圖1 泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)

圖2 3種不同粒徑的玻璃珠

1.2 泡沫特性測(cè)試方法

采用課題組自主研發(fā)的泡沫劑，由主發(fā)泡劑、輔助發(fā)泡劑、表面活性類穩(wěn)泡特質(zhì)、聚合物增黏劑和水組成，配方為6.82%十二烷基硫酸鈉(SDS)+ 4.41%脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)+0.57%十二醇+0.2%瓜爾膠+88.0%水[9]，加入了穩(wěn)泡劑和大分子聚合物，增加了渣土顆粒之層黏聚性，可有效解決砂卵石地層黏聚力低、內(nèi)摩擦角大、滲透系數(shù)大等問題。發(fā)泡倍率為泡沫液產(chǎn)生泡沫體積與原泡沫液體積的比值，析液半衰期為泡沫質(zhì)量消散至初始泡沫重量50%對(duì)應(yīng)的時(shí)間，發(fā)泡倍率與析液半衰期的測(cè)定采用課題組提出的方法[8]。泡沫發(fā)泡后，蘸取泡沫均勻地滴到載玻片上，調(diào)節(jié)圖像顆粒分析系統(tǒng)BT-1600，使載物臺(tái)上出現(xiàn)清晰的圖像，采集圖像，每隔2 min采集一次，利用顆粒圖像分析軟件進(jìn)行處理與分析，得到不同時(shí)刻泡沫平均直徑。

[42] 朱鋒、胡波：《中美海上互動(dòng)與中國(guó)海權(quán)意識(shí)發(fā)展》，《世界知識(shí)》2018年第16期，第12-13頁。

大會(huì)在嘹亮的國(guó)歌、隊(duì)歌聲中拉開帷幕，鮮艷的紅領(lǐng)巾映紅大家的臉龐。在這次大會(huì)召開之前，學(xué)校67個(gè)中隊(duì)上交了100多項(xiàng)提案。這些提案都出自少先隊(duì)員之手，涉及實(shí)踐活動(dòng)、學(xué)校課程、運(yùn)動(dòng)健身、學(xué)習(xí)環(huán)境等諸多方面，體現(xiàn)出少先隊(duì)員濃厚的小主人翁意識(shí)。大會(huì)上，校長(zhǎng)也對(duì)大家提出的各項(xiàng)提案作出回復(fù)，表示學(xué)校將會(huì)以此為出發(fā)點(diǎn)繼續(xù)努力，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)大家的想法。

玻璃滾珠填充率為50%、滾珠粒徑為4～5 mm，多孔板孔徑為2，3和4 mm時(shí)，測(cè)定不同氣液比條件下泡沫劑的泡沫量、發(fā)泡倍率與泡沫穩(wěn)定性，結(jié)果見圖5，多孔板孔徑較小時(shí)，泡沫量、發(fā)泡倍率和泡沫穩(wěn)定性較好，但并非孔徑越小越好，不同多孔板孔徑發(fā)泡效果依次是3，2和4 mm。主要原因是孔徑越小，發(fā)泡器內(nèi)部擾流越來越強(qiáng)烈，致使泡沫劑溶液充分發(fā)泡；孔徑減小至一定程度，阻力過大，導(dǎo)致發(fā)泡效果變差。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 最佳發(fā)泡參數(shù)

2.1.1 玻璃珠填充率的影響

北京地鐵16號(hào)線9標(biāo)盾構(gòu)試驗(yàn)施工段為砂卵石地層，土樣含水率為5%，大于2 mm的顆粒含量達(dá)60%，小于0.075 mm的顆粒不足0.6%，不均勻系數(shù)(u)為37.88，曲率系數(shù)(c)為0.155，該砂卵石土樣級(jí)配不良。土體改良采用的泡沫劑中含水溶性高分子聚合物瓜爾膠，有很好的增黏作用，可提高液體黏度，增加泡沫穩(wěn)定性，提高土顆粒間黏聚性，選取氣液比為50時(shí)進(jìn)行發(fā)泡，將泡沫摻入到砂卵石土中，采用坍落度試驗(yàn)、常水頭滲透試驗(yàn)和大型應(yīng)變控制直剪試驗(yàn)測(cè)定摻入0%，10%，20%，30%，40%和50%泡沫改良渣土的塑流性、滲透性、剪切強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角。

通過比較泡沫流量、發(fā)泡倍率和穩(wěn)定性，滾珠填充率為50%時(shí)最佳，70%次之，30%不能滿足需求。玻璃滾珠填充率為30%時(shí)，泡沫混合器中阻力小，泡沫液與空氣不能均勻混合，因而產(chǎn)生泡沫性能不穩(wěn)定。當(dāng)玻璃滾珠填充率為70%時(shí)，泡沫混合器內(nèi)空隙率小，氣液流動(dòng)阻力較大，流通不順暢，因而產(chǎn)生的泡沫時(shí)斷時(shí)續(xù)，且泡徑較小，發(fā)泡倍率較高，穩(wěn)泡時(shí)間稍低。50%填充率時(shí)空隙率與阻力適中，因而產(chǎn)生泡沫出量均勻，泡沫性能最好。

2.1.2 玻璃珠粒徑的影響

1.3.1 移栽方式對(duì)比試驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：平栽、傾斜35～45°的斜栽、直栽。每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積為30 m2。

玻璃滾珠填充率為50%，多孔板孔徑為3 mm，粒徑為3～4 mm，4～5 mm和5～6 mm時(shí)，測(cè)定不同氣液比條件下泡沫量、發(fā)泡倍率與泡沫穩(wěn)定性，結(jié)果如圖4所示，比較泡沫量、發(fā)泡倍率及泡沫穩(wěn)定性情況，滾珠粒徑為4～5 mm時(shí)最佳，3～4 mm時(shí)次之，5～6 mm時(shí)不能滿足需求。通過觀察出泡情況，玻璃珠粒徑為4～5 mm時(shí)，氣液比在30～84范圍內(nèi)，泡沫流量均勻，泡沫發(fā)泡倍率與泡沫穩(wěn)定性均較好。主要原因是氣液比增大，加大了混合液的流速，提高了混合液的動(dòng)能，撞擊發(fā)泡網(wǎng)和玻璃滾珠的力度在增加，填充率相同情況下，玻璃珠粒徑較小時(shí)，孔隙數(shù)量在增加，液體易被分散成細(xì)小液滴，氣液兩相間接觸面積將增大，促使更多泡沫液發(fā)泡[11]，故泡沫液發(fā)泡量增大，發(fā)泡倍率會(huì)明顯增大，泡沫含液量會(huì)減少，泡沫液被完全用于鼓泡，析液過程變緩，泡沫破滅速度變小，泡沫穩(wěn)定時(shí)間也增長(zhǎng)。故4～5 mm和3～4 mm時(shí)發(fā)泡倍率和穩(wěn)泡時(shí)間要優(yōu)于5～6 mm。隨著粒徑減小到一定程度，阻力增加，泡沫壁含液量變少，氣泡持液能力弱，液膜非常薄，泡沫彈性差，反而會(huì)造成泡沫的穩(wěn)定的穩(wěn)定性變差。因此，4～5 mm時(shí)泡沫量、發(fā)泡倍率和穩(wěn)泡時(shí)間反而要優(yōu)于3～4 mm。

圖3 填充率與泡沫流量、發(fā)泡倍率和析液半衰期的關(guān)系

砂卵石地層結(jié)構(gòu)松散、黏聚力低，切削下的卵石易滯留壓力艙內(nèi)，使盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)困難；塑流性差，開挖面不易穩(wěn)定；砂卵石顆粒之間摩擦阻力大，會(huì)加劇刀盤刀具的磨損；土體滲透系數(shù)大，艙內(nèi)壓力難以維持，可能出現(xiàn)噴涌。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，基因位點(diǎn)基因型和等位基因頻率的組間比較采用χ2檢驗(yàn)，血清標(biāo)志物的組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，采用Logistic回歸分析進(jìn)行唐氏綜合征風(fēng)險(xiǎn)的分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖4 滾珠粒徑與泡沫流量、發(fā)泡倍率和析液半衰期的關(guān)系

圖5 多孔板孔徑與泡沫流量、發(fā)泡倍率和析液半衰期的關(guān)系

泡沫從泡沫系統(tǒng)發(fā)出到土體混合改良，一般在3 min內(nèi)完成，應(yīng)保證3 min泡沫的消泡率不大于25%，相當(dāng)于泡沫半衰期不小于7 min，此外，開挖土體從開挖進(jìn)入土艙到被排土器排出有一定時(shí)間間隔，泡沫平均直徑對(duì)渣土改良效果影響較大，測(cè)定不同時(shí)刻泡沫平均直徑，本次試驗(yàn)用泡沫劑半衰期為14 min，綜合考慮，研究24 min內(nèi)泡沫平均直徑的變化，超過一定時(shí)間對(duì)渣土改良和排土效果影響不大。圖7為泡沫平均直徑隨時(shí)間變化關(guān)系曲線，由圖7可知，泡沫直徑處于動(dòng)態(tài)變化過程中，不斷進(jìn)行著泡沫顆粒的合并與破裂2個(gè)過程。在0～8 min，泡沫平均直徑在10 μm以下，整個(gè)泡沫體系液體含量很大，微泡沫包裹在液相環(huán)境當(dāng)中，此過程泡沫直徑基本不變，持繼時(shí)間長(zhǎng)短與液體黏度、液體含量有關(guān)，黏度越大，持繼時(shí)間越長(zhǎng)[13]。8～14 min后，液體不斷流失，氣泡間距離減小，小泡沫不斷合并，導(dǎo)致微小泡沫量數(shù)量大大減少，泡沫直徑增大，直至達(dá)到平衡直徑峰值，峰值為40 μm，此過程取決于液膜的性質(zhì)以及氣體的穿透性，還與表面活性劑的臨界膠束濃度有關(guān)。泡沫直徑峰值之后，由于液膜排液、泡沫聚并、氣體擴(kuò)散等過程，泡沫穩(wěn)定性較差，易破裂，破裂遠(yuǎn)大于合并，整體顯現(xiàn)為直徑的驟減，達(dá)到一個(gè)較低水平的直徑。24 min后，隨著時(shí)間的增加，泡沫體系的破裂和合并過程處于相對(duì)平衡狀態(tài)，表現(xiàn)為泡沫直徑的平緩變化[14]。經(jīng)過一定時(shí)間，泡沫合并大于破裂，小氣泡不斷變小直至消失，大氣泡不斷變大，泡沫數(shù)量減小，直至最后泡沫的完全消失，此過程持繼時(shí)間較長(zhǎng)。

壓為0.3 MPa，氣體流量控制在200 L/min、發(fā)泡劑濃度為3%時(shí)，泡沫發(fā)生器的最佳發(fā)泡參數(shù)是玻璃滾珠粒徑為3～4 mm，填充率為50%，多孔板孔徑為3 mm。隨著氣液比增加，液體流量逐漸減小，泡沫流量、發(fā)泡倍率和穩(wěn)定性先增加后逐漸減小，分別在氣液比為40，70和50時(shí)達(dá)到最大值，最大值分別為133 L/min，31.6和845 s。氣液比小于30時(shí)，泡沫含液量大，泡沫呈現(xiàn)出射流的現(xiàn)象，發(fā)泡倍率和析液半衰期低，不能正常發(fā)泡；氣液比大于84.0時(shí)，氣液在發(fā)泡器相互摻混劇烈，泡沫流量不連續(xù)，呈霧化的現(xiàn)象。氣液比在30.0～84.0均能正常發(fā)泡，發(fā)泡倍率大于26，析液半衰期大于758 s，泡沫流量為80～133 L/min。

2.2 泡沫微觀機(jī)理

泡沫含液量對(duì)渣土塑流性、滲透性和黏附性等影響較大，測(cè)定氣液比為50，泡沫劑濃度為3%時(shí)，測(cè)定泡沫析液質(zhì)量隨時(shí)間變化關(guān)系，見圖6，泡沫析液過程分為2個(gè)階段，從泡沫產(chǎn)生至半衰期為濕泡沫階段，析液半衰期約14 min，此階段為非平衡的復(fù)雜系統(tǒng)，氣泡半徑小，容易攜帶液體，液體含量較高，排液速度快，主要依靠重力排液；經(jīng)過前一階段的排液，泡沫聚并、氣體擴(kuò)散等，泡沫液體逐漸流失，進(jìn)入干泡沫階段，從析液半衰期開始至泡沫完全消失，此階段泡沫排出液量小、時(shí)間長(zhǎng)，直至泡沫完全破裂。故隨著氣液比增加，液體流量減小，泡沫液體含量減小，所以泡沫半衰期會(huì)先增加，達(dá)到一定值后，氣體流量大，造成泡沫穩(wěn)定性下降[12]。

圖6 泡沫析出液體隨時(shí)間變化關(guān)系

2.1.4 最佳發(fā)泡參數(shù)

圖7 泡沫平均直徑隨時(shí)間變化關(guān)系

(1)哈拉湖南部高山區(qū)。陰離子之間相關(guān)性較低，陽離子之間相關(guān)性較高，表明陽離子交換作用較頻繁，Cl-與K+，Na+，Ca2+，Mg2+呈顯著性相關(guān)，原因是受到了白云巖、長(zhǎng)石、巖鹽的溶解影響。Mg2+與呈顯著性相關(guān)，考慮是基性巖漿巖的溶解影響，礦化度與呈顯著性相關(guān)，說明了礦化度主要來源于這幾種離子，見表2。

表1 泡沫特性與土體關(guān)系

3 應(yīng)用案例

3.1 渣土改良試驗(yàn)

2.1.3 多孔板孔徑的影響

對(duì)泡沫性能和泡沫微觀機(jī)理的研究，對(duì)土體改良的機(jī)理和土體改良泡沫劑的研發(fā)有著重要意義。表1為土體與泡沫特性的關(guān)系，可根據(jù)具體情況，調(diào)整泡沫劑配方，或調(diào)整泡沫摻入率、水的注入率和氣液比[15?16]。

玻璃滾珠粒徑為4～5 mm，多孔板孔徑為3 mm，滾珠填充率為30%，50%和70%時(shí)，測(cè)定不同氣液比條件下發(fā)泡量、發(fā)泡倍率與析液半衰期，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，填充率相同時(shí)，隨著氣液比增加，泡沫流量、發(fā)泡倍率和析液半衰期呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且不同的填充率存在一個(gè)最佳的氣液比，在最佳的氣液比時(shí)，發(fā)泡效果最好。由于“卡門渦街”效應(yīng)[10]，氣液流在玻璃珠后形成漩渦，產(chǎn)生大量泡沫。氣液比較低時(shí)，液體流量大，氣液間相互摻混不充分，未能充分發(fā)泡，故泡沫流量、發(fā)泡倍率和穩(wěn)泡時(shí)間??；氣液比增加時(shí)，氣體與液體充分接觸，混摻劇烈，泡沫液被完全用于鼓泡，發(fā)泡倍率沫流量、發(fā)泡倍率和穩(wěn)泡時(shí)間增大；增大到一定值時(shí)，氣體流量大，氣泡持液能力弱，液膜非常薄，泡沫彈性差，多余的風(fēng)量不利于已形成泡沫的形成和穩(wěn)定。

2）采用制圖規(guī)則模板快速生產(chǎn)制圖數(shù)據(jù)，提高了作業(yè)的自動(dòng)化水平并將地圖標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)了提高工作效率、降低成本的目的。

表2為不同測(cè)定泡沫摻入比時(shí)渣土的坍落度和滲透系數(shù)。坍落度在10～20 cm之間，渣土達(dá)到理想的塑性流動(dòng)狀態(tài)，能滿足盾構(gòu)施工要求。由表2可知，隨著泡摻入比增加，坍落度增加，泡沫摻入比小于20%時(shí)，渣土塑流性不良，大于50%，泡沫稀漿多、砂石分離。坍落度不僅和泡沫摻入比有關(guān)，還與氣液比、含水率相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，隨著泡沫氣液比降低、渣土含水率增加，坍落度增大。隨著泡沫摻入比的增加，滲透系數(shù)逐漸減小，當(dāng)摻入量大于40%時(shí)，改良土體的滲透系數(shù)的數(shù)量級(jí)到10?5 cm/s，達(dá)到盾構(gòu)機(jī)壓力艙內(nèi)土體理想滲透系數(shù)，否則易導(dǎo)致螺旋排土器出口處“噴涌”現(xiàn)象的發(fā)生。

表2 渣土的坍落度和滲透性

泡沫土的剪切強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角是衡量泡沫改良土體效果的重要指標(biāo)，泡沫的添加降低盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤扭矩、土體與側(cè)壁的摩擦力，使渣土順利排出。剪切強(qiáng)度影響盾構(gòu)機(jī)切割工具和轉(zhuǎn)動(dòng)部件的磨損，內(nèi)摩擦角降低能夠避免盾構(gòu)施工過程中出現(xiàn)“閉塞”問題。圖8為不同泡沫摻入比時(shí)，改良渣土的剪切強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角變化曲線。由圖可見，隨著泡沫摻量增加，土體剪切強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角均減小，但呈非線性變化關(guān)系。由于砂卵石土含石量較高，細(xì)粒土含量較少，僅添加泡沫劑，不能完全滿足剪切強(qiáng)度小于25 kPa、內(nèi)摩擦角小于27°的理想的改良土體狀態(tài)[17]，可采用泡沫+膨潤(rùn)土或泡沫+高分子類聚合物等方式來對(duì)高含石量砂卵石地層進(jìn)行改良。

3.2 改良機(jī)理

泡沫與土體混合后，砂石顆粒孔隙周圍填充泡沫，泡沫相當(dāng)于給砂石顆粒穿上了一層滾珠外衣，即“軸承效應(yīng)”，能減少顆粒之間的摩擦角、土體強(qiáng)度，提高流動(dòng)性；由于氣泡壁液膜含有水分和表面活性劑，除此之外，砂石的主要成分是SiO2，SiO2表面活性劑的含親水基團(tuán)(如酯基、羥基)等與水形成氫鍵，使砂的保水性提高，水和表面活性劑具有潤(rùn)滑特性，能夠提高砂土的流動(dòng)性。因此，軸承效應(yīng)、氫鍵和泡沫的保水性是塑流性提高的根本原因。砂石孔隙中填充了大量的封閉氣泡，氣泡阻斷了孔隙中水的滲流通道，氣泡的填充阻塞效應(yīng)是流透性降低的原因。此外，泡沫劑中的高分子化合物能使細(xì)小砂粒團(tuán)聚起來，促使泡沫能更好的發(fā)揮堵水作用[18]。砂石顆粒之間機(jī)械咬合力大、內(nèi)摩擦角大，泡沫的存在使砂石顆粒間的接觸面積減小，當(dāng)受到壓剪切破壞時(shí)，砂粒表面由于氣泡、表面活性劑分子或離子的潤(rùn)滑作用，大大降低了砂的內(nèi)、外摩擦角。

圖8 泡沫摻入比與抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角關(guān)系

4 結(jié)論

1) 復(fù)合式泡沫發(fā)生器玻璃滾珠粒徑為4～5 mm，體積填充率為50%，多孔發(fā)泡板孔徑為3 mm時(shí)發(fā)泡效果較好，該泡沫發(fā)生器流量大、發(fā)泡效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易堵塞。

2) 隨著氣液比增加，泡沫流量、發(fā)泡倍率和穩(wěn)定性先增加后逐漸減小，氣液比在30.0～84.0均能正常發(fā)泡，發(fā)泡倍率大于26.0，析液半衰期大于758 s，泡沫流量為80～133 L/min。

(2)高耦合度—高經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平型(H—H)。包括鼓樓區(qū)、臺(tái)江區(qū)、馬尾區(qū)和長(zhǎng)樂市。該類地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，發(fā)展速度較快，處于城市發(fā)展的加速階段，市轄區(qū)經(jīng)濟(jì)與縣域經(jīng)濟(jì)之間呈現(xiàn)出相互扶持的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在不斷的磨合中逐步走向適應(yīng)。

3) 泡沫直徑隨時(shí)間的變化處于動(dòng)態(tài)變化過程中。0～8 min泡沫平均直徑在10 μm以下，泡沫體系液體含量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短與液體黏度、液體含量有關(guān)；8～14 min后，泡沫平均直徑增大，達(dá)到峰值。峰值之后，由于液膜排液、泡沫聚并、氣體擴(kuò)散等過程，泡沫降到一個(gè)較低水平的直徑。泡沫改良渣土施工集中在這一時(shí)間段，可根據(jù)泡沫微觀特性，開發(fā)適應(yīng)不同地層的泡沫劑。

4) 隨著泡沫摻量的增加，軸承效應(yīng)、氫鍵和泡沫的保水性導(dǎo)致渣土塑流性提高；氣泡的填充阻塞和團(tuán)聚效應(yīng)使?jié)B透性降低；軸承效應(yīng)和表面活性劑的潤(rùn)滑作用使剪切強(qiáng)度和摩擦角降低。

[1] LU Xinxiao, ZHU Hongqing, WANG Deming. Flow characteristic investigation of inhibition foam used for fire extinguishment in the underground goal[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2018(116): 159? 168.

[2] CHEN Jushi. Property experiments on the foam generator and its influencing factors during down-the-hole drilling [J]. Process Safety and Environmental Protection, 2018(114):169?178.

[3] 湯笑飛, 陸新曉, 史廣義, 等. 兩相泡沫發(fā)生器及其產(chǎn)泡特性研究與實(shí)踐[J]. 煤炭技術(shù), 2018, 37(6): 161?164.TANG Xiaofei, LU Xinxiao, SHI Guangyi, et al. Research and practice of two phase foam generator and its foaming characteristics[J]. Coal Technology, 2018, 37(6): 161?164.

[4] 李菊麗, 武文一, 李應(yīng)權(quán). 一種新型混凝土發(fā)泡機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 32(2): 15?17.LI Juli, WU Wenyi, LI Yingquan. A key technique of a novel concrete foaming machine[J]. Journal of Xuzhou Institute of Technology (Natural Sciences Edition), 2017, 32(2): 15?17.

[5] Christoph Budach, Markus Thewes. Application ranges of EPB shields in coarse ground based on laboratory research[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2015(50): 296?304.

[6] 祝超, 王浩, 劉玉言, 等. 發(fā)泡器的研究現(xiàn)狀綜述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2018(14): 86?88.ZHU Chao, WANG Hao, LIU Yuyan, et al. Summary of research status of foaming device[J]. Technology Innovation and Application, 2018(14): 86?88.

[7] 桂夏輝, 劉炯天, 曹亦俊, 等. 氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)性能的研究與進(jìn)展[J]. 選煤技術(shù), 2009(2): 66?70, 81.GUI Xiahui, LIU Jiongtian, CAO Yijun, et al. Research and progress on structure and performance of bubble generator[J]. Coal Preparation Technology, 2009(2): 66? 70, 81.

[8] 彭磊, 何文敏, 暢亞文, 等. 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)及其產(chǎn)泡特性研究[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2019, 39(11): 1815? 1822.PENG Lei, HE Wenmin, CHANG Yawen, et al. Compressed air foam system and its foaming performance[J]. Tunnel Construction, 2019, 39(11): 1815?1822.

[9] 彭磊, 何文敏, 暢亞文, 等. 土壓平衡盾構(gòu)土體改良泡沫劑的試驗(yàn)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2018: 55(1): 224? 230.PENG Lei, HE Wenmin, CHANG Yawen, et al. Laboratory study of foaming agent used for EPB shield tunnels[J]. Modern Tunnelling Technology, 2018, 55(1): 224?230.

[10] 陸新曉. 防治大空間煤炭自燃的泡沫高效制備技術(shù)及應(yīng)用研究[D]. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué), 2016.LU Xinxiao. Study on the preparation technology and field application of foam used for controlling the large space coal spontaneous combustion[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2016.

[11] 陳舉師, 蔣仲安, 姜蘭, 等.露天礦潛孔鉆機(jī)泡沫發(fā)生器及其流量特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2015, 40(增1): 132?138.CHEN Jushi, JIANG Zhongan, JIANG Lan, et al. Experiments on foam generator and its flow characteristics during DTH drill in open-pit mine[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(Suppl 1): 132? 138.

[12] WU Yuanli, Michael A Mooney, CHA Minsu, et al. An experimental examination of foam stability under pressure for EPB TBM tunneling[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2018(77): 80?93.

[13] 趙軍婷. 盾構(gòu)泡沫性能評(píng)價(jià)和微觀機(jī)理試驗(yàn)研究[D].北京: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 2018.ZHAO Junting. Experimental study on shield foam performance evaluation and microscopic mechanism[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2018.

[14] Mehmet K, Ramin D, Ram M, et al. Foam generation, characterization and breakup in pipes[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2018(56): 233? 245.

[15] Mehmet K, Ramin D, Ram M, et al. Foam generation, characterization and breakup in pipes[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2018(56): 233? 245.

[16] Zumsteg R, Puzrin A M. Stickiness and adhesion of conditioned clay pastes[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012(31): 86?96.

[17] Borio L, Peila D. Study of the permeability of foam conditioned soil with laboratory tests[J]. Journal of Environmental Sciences, 2010, 6(4): 365?370.

[18] Raffaele Vinai, Claudio Oggeri, Daniele Peila. Soil conditioning of sand for EPB applications: A laboratory research[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2008, 23(3): 308?317.

Research on the composite foam generator and its foaming properties for earth pressure balance shield

PENG Lei1, 2, HE Wenming1, 2, YANG Jiangpeng1, LI Xiujun3, KONG Lingchang3

(1. Shaanxi Engineering Laboratory of High Performance Concrete, Weinan 714000, China;2. Department of Road and Bridge Engineering, Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000, China;3. China Railway First Group Shaanxi Zhuoxin Engineering Inspection Co., Ltd., Xi’an 050043, China)

In order to solve the problems during the foaming process of foam generating system of EPB shield, such as poor foaming effect and serious waste of foam, the compound foam generator was designed. Through the experiments of the foam flow, foaming ratio and half-life of the foaming generator, the major factors affecting foaming properties were glass bead diameter, volume filling rate and aperture of porous plate. In this paper, the relationship between the quality of foam and the time was tested, and the relationship between the average diameter of foam and time was studied. The results show that when the working conditions for the foam generator were diameter of the glass ball is 4～5 mm, volume filling rate is 50%, porous plate aperture is 3 mm, foam flow is 80～133 L/min, foaming ratio is 26～31.6 and half-life is 758～845 s, the foam generator reaches the optimum state. From production to half-life, foam carrying volume is large, liquid evolution is fast，the average of diameter is 10 μm in 0～8 min, it increases to 40 μm from 8 min to half-life, muck improvement and dumping are mainly concentrated in this period. After half-life, foam liquid gradually lost, liquid evolution volume is small, holding time is long. The foam diameter is in dynamic process during the whole process. Foaming technology for high gravel content sandy cobble stratum is carried out with polymer containing foam agent. The permeability, shear strength and internal friction angle decrease with the increasement of foam content, on the contrary, the plasticity increase. When the amount of foam is 40%～50% , the plasticity and permeability can meet the requirements.

foam generator; compressed air foam system; foam; gas-liquid ratio; foam average diameter

U25

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3199 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200226

2020?03?23

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(18JK0179)；陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院中青年科技創(chuàng)新人才資助項(xiàng)目(KJRC201806)；陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院高性能混凝土科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目( KJTD201802)

彭磊(1984?)，男，湖北竹溪人，副教授，從事建筑材料、工程檢測(cè)等領(lǐng)域的教學(xué)與科學(xué)研究；E?mail：penglei012004@163.com

(編輯 蔣學(xué)東)