盾构机泡沫系统设计

摘要：在盾构机施工过程中，泡沫系统作为主要添加剂注入系统之一，其可靠性起着至关重要的作用。通过对泡沫系统作用、注入量计算及施工常见问题的简单介绍和总结，设计出具有搅拌和储存功能的单管单泵式泡沫系统。其能够有效提高土体改良的效果。

关键字：盾构机；泡沫系统；作用；注入量；搅拌；存储；单管单泵

中图分类号：U455文献标识码： A

一、引言

盾构工法由英国人Brune于1810年发明，用于在软弱地层中开挖隧道。这种工法所采用的盾构机，从简单的人工掘进盾构机（网格式或全气压式）发展到今天的全断面隧道机械化掘进的土压平衡式或泥水加压式盾构机组[1]。 随着我国轨道交通行业的飞速发展，盾构机因其施工过程中的安全性、快速性等优势已在我国轨道交通施工中被广泛应用。其中，土压平衡式盾构机因其在设备技术、成本、施工所需场地等方面的优势，已成为我国地铁隧道施工中的主流设备。但土压平衡式盾构机对地质的适应性较差，尤其是在黏土、粉土和粉砂地层，由于该地层的土体的内摩擦角较大，黏聚性较强，常常造成刀盘结“泥饼”和螺旋机出土困难现象的发生，给施工带来巨大困难。为提高土压平衡式盾构机的地质适应性，日本首先提出了土体改良技术，通过对开挖掌子面添加膨润土、泡沫、聚合物等添加剂，对开挖土体进行土体改良，以保证土压平衡式盾构机的顺利施工。

其中，泡沫系统作为主要添加剂注入系统之一，对粘性地层具有较好的适用性，在施工过程中其可靠性起着至关重要的作用。

二、泡沫的作用

通过将泡沫原液与水按照一定的比例混合，然后将混合液与空气一起加入泡沫发生器，在泡沫发生器的作用下形成泡沫并通过管路注入开挖土体，从而使细小的气泡充满土体颗粒的间隙中，并将土体颗粒包围，从而起到以下主要作用：

（1）作用：气泡包围土体颗粒，减小土体颗粒与颗粒之间以及与刀盘和盾构机壳体等钢结构之间的摩擦力，从而降低刀盘扭矩并减少对刀具、刀盘和盾构机壳体的磨损。

（2）稳定土舱压力：泡沫中的气泡含有大量气体，具有一定的可压缩性，能够有效的减小土舱压力的波动性，提高开挖面的稳定性。

（3）改善土体流动性：气泡包围土体颗粒，改变土层的成分，从而减小了土体颗粒间的粘着力，改善土体的流动性，使开挖面保持稳定。

（4）阻水性：大量气泡填充了土体颗粒间的空隙，使土体的渗透性降低，从而使止水性增强。

（5）提高排土效率：由于泡沫有表面吸附作用，在于泥沙接触后会把泥沙悬浮起来，切削下来的泥沙和碎石在泡沫的作用下凝聚成一团糊状的物质，可以很容易的通过土渣运输系统运出工作区域，大大提高了排渣和运渣的效率[2]。

泡沫原液的本质是某种特殊的泡沫剂，其无毒无害，不会污染环境。渣土排出后经过2～3h后会自行消除，渣土恢复原状[3]。

三、泡沫系统的计算

泡沫添加剂的使用因开挖土体的颗粒级配、不均匀系数、透水系数等因素的不同而不同。泡沫系统的三个主要参数为：混合液浓度、发泡率和注入率。一般泡沫原液与水的混合液中泡沫原液为3%～5%，水为95%～97%。发泡率一般工况为8～15倍。泡沫添加剂的注入量按开挖方量和渣土的实际情况进行计算，一般情况下，泡沫的注入率为5%～65%。

泡沫注入系统主要计算公式为：

泡沫注入流量：

： （1）

式中：――泡沫注入流量；

――盾构开挖面积；

――盾构掘进速度；

――注入率。

泡沫混合液注入流量：

（2）

式中：――泡沫混合液注入流量；

――发泡率。

空气的注入流量：

（3）

式中：――压缩空气注入流量；

――大气压力；

――土舱压力。

泡沫原液和水的注入流量：

（4）

（5）

式中：――泡沫原液注入流量；

――水的注入流量；

――泡沫混合液浓度。

通常在施工现场通过取样进行外观比较的方法直接判断泡沫剂发泡质量的优劣。发泡效果要好，泡沫尽可能细腻，这样才能起到理想的效果[4]。

四、常见泡沫系统及其特点

目前使用的土压平衡式盾构机在出厂时都配备有泡沫系统。不同厂家的盾构机所使用的泡沫系统不同。

早期出现的法国康达特公司开发的M4B型泡沫装置（如图1），每台设备能提供的混合液流量约28L/min左右。主要通过电控流量调节仪2和气压控制仪3来控制空气的流量和压力。通过泡沫原液配料泵控制泡沫原液的流量和水的流量。最终通过混合液泵7将混合液注入泡沫枪1和空气混合形成泡沫。该装置虽然集成化程度比较高，但由于水和泡沫原液在管路内混合，往往由于混合不均等原因导致最终的发泡效果并不理想。同时由于空间原因，该装置多安装在后配套台车上，距离注入点较远，空气与混合液经过装置后迅速发泡膨胀，在长距离输送过程发泡效果会降低，且不容易控制泡沫注入压力。另外，由于该装置缺少混合液储存装置，往往需要边施工边混合，当缺少泡沫原料时则只能停止施工，给施工带来不便。

图1 康达特M4B型泡沫装置原理图

目前应用较多的是德国海瑞克盾构制造商所配备的泡沫注入系统（如图2），其注入流量和配比可通过改变泡沫原料泵3和水泵1的流量来进行调节。虽然该系统比较简洁，且起泡器7可以靠近注入点布置，但泡沫原料与水的混合依然为管内混合，无法保证混合的均匀性。且同样缺少混合液储存装置，给施工带来不便。更重要的是该系统为单个泡沫原料泵3和单个水泵1，其实质为单个注入泵源。施工中，由于各管路出口的压力不均，往往造成各注入口的泡沫流量和压力不均，引起注入口堵塞等问题，给施工进度造成严重影响。目前已被众多施工单位所诟病。

图2 海瑞克盾构泡沫系统原理图

五、新型泡沫系统

新设计的泡沫系统为单管单泵泡沫系统，且配备有混合液搅拌装置和储液箱（如图3）。泡沫原液储存在泡沫原液箱9中，通过泡沫原液定量泵10按照计算好的配比加入一定量的泡沫原液到泡沫搅拌箱15中，同时水通过流量计13的计量，按照配比要求加入到泡沫搅拌箱15中，在搅拌装置12的作用下进行充分混合。混合后的混合液经过泡沫转运泵14注入储液箱11进行储存。施工需要时，储存在储液箱11的混合液在泡沫泵16的作用下进入泡沫发生器4，并与加入的空气混合发泡后注入开挖土舱。混合液与空气均可通过各自管路中的压力表5、压力传感器2和流量计13进行压力和流量的检测，并通过电动球阀6来控制流量，实现对发泡率的控制，按照施工需求实现泡沫的注入功能。

图3 新型泡沫系统原理图

该系统为单管单泵系统，每个泡沫泵只针对单个注入口，能够有效防止注入口因压力不均而产生的堵塞现象。同时每个注入口部位均安装有压力传感器，能够对注入压力进行准确的实时显示，对于控制土压平衡起到良好的辅助作用。另外该系统还包括泡沫搅拌箱和储液箱，有利于泡沫原液和水的均匀混合，对发泡率和泡沫的稳定性有显著提高。同时储液箱能避免泡沫原液暂时供应不足带来的停工现象，提高了施工的连续性和施工进度。

六、结语

目前单管单泵式泡沫系统已被众多专家和施工单位所认可和推崇，某些盾构厂家已经开始应用单管单泵的方式来进行泡沫添加。该新型泡沫系统不仅能够实现泡沫单管单泵注入，且同时具有搅拌和储存功能，其性能可靠，工作稳定，能够有效地保证泡沫的发泡质量和开挖土壤的土体改良效果，能够有效的提高施工进度。

参考文献：

[1]陈韶章，洪开荣。复合地层盾构设计概论[M].北京：人民交通出版社，2010.9.

[2]秦哲，王成勇，冯尚智等。地下盾构工程中泡沫剂对刀具耐磨性的影响[J].工具技术，2006（08）：24-26.

[3]杨乃刚。泡沫在土压平衡式盾构施工中的应用[J].建筑机械，2005(08)：103-105.

[4]乐贵平。盾构工程技术问答[M].北京：人民交通出版社，2013.11.

作者简介：

史浩田（1987-），男，河北衡水人，2010年毕业于河北建筑工程学院机械设计及其自动化专业，本科，助理工程师，从2011年至今从事盾构机机械和后配套辅助系统设计工作。