土压平衡盾构用复合式泡沫发生器及其产泡特性的研究

2021-01-08彭磊何文敏杨江朋李秀君孔令昌

铁道科学与工程学报 2020年12期

彭磊，何文敏，杨江朋，李秀君，孔令昌

彭磊1, 2，何文敏1, 2，杨江朋1，李秀君3，孔令昌3

(1. 陕西省高性能混凝土工程实验室，陕西渭南 714000；2. 陕西铁路工程职业技术学院道桥工程系，陕西渭南 714000；3. 中铁一局集团陕西卓信工程检测有限公司，陕西西安 050043)

为了解决土压平衡盾构用泡沫发生器产泡效果差、泡沫浪费严重等问题，设计复合式泡沫发生器。通过泡沫流量、发泡倍率和析液半衰期试验，确定滚珠填充率、粒径、多孔板孔径是泡沫发生器主要影响因素，测试泡沫析液质量与时间的关系，对泡沫平均直径随时间的变化关系进行了研究。研究结果表明：玻璃滚珠粒径为4～5 mm，体积填充率为50%，多孔板板孔径为3 mm时，泡沫流量为80～133 L/min，发泡倍率为26.0～31.6，析液半衰期为758～845 s，泡沫发生器产泡量较大、发泡倍率较大、泡沫稳定性好。泡沫从产生至半衰期，泡沫携液量大，析液快，0～8 min泡沫平均直径为10 µm，8 min至半衰期平均直径增加到40 µm，泡沫改良渣土和排土器排土多集中在此时间段；半衰期后，析液量小、持继时间长。整个过程中，泡沫平均直径处于动态变化过程中。利用含聚合物的泡沫剂对高含石量的砂卵石地层进行改良，塑流性随泡沫掺量增加而升高，渗透系数、剪切强度和内摩擦角随泡沫掺量增加而降低。泡沫掺入量40%～50%时，塑流性和渗透系数能达到要求。

泡沫发生器；压缩空气泡沫系统；泡沫；气液比；泡沫平均直径

压缩空气泡沫系统发泡的原理是将泡沫液与水按比例混合形成泡沫溶液后，注入一定比例的压缩空气，二者在管路中充分混合后，进行发泡。这项技术被广泛应用到灭火、煤矿除尘、泡沫混凝土、土压平衡盾构渣土改良等领域。其中，泡沫发生器作为关键技术装备，泡沫发生器结构的好坏直接决定了发泡性能的优良，进而影响水成膜泡沫的实际生产施工效果。LU等[1]设计了煤矿除尘用螺旋射流式发泡器，研究了供液压力、供液流量、出口压力对产泡性能的影响，克服了传统制泡设备产泡性能弱、阻力损失大等问题；CHEN[2]综合了螺旋式泡沫发生器及网式发泡器的特点，设计了露天矿潜孔钻机泡沫发生器，发现液体流量及气体流量越大、发泡网目数越小、发泡剂浓度越高，泡沫流量越大；汤笑飞等[3]设计了适用于露天灭火的网式两相泡沫发生器，解决了传统网式泡沫发生器泡沫液分配不均、发泡不稳定、泡沫难以传输的问题；李菊丽等[4]设计了泡沫混凝土用泡沫发生器，采用可调式发泡管，通过调节发泡介质填充密度，可控制泡沫密度和孔径大小。土压平衡盾构用泡沫发生器及泡沫微观形态的研究报道较少[5]，主要研究多集中在改良渣土。传统的发泡机制备出泡沫的密度、孔径不易调节、产泡量和稳泡时间也不易控制，泡沫浪费严重，制约了实际生产施工的发展。因此，本文针对兼有网式和介质填充式特点的泡沫发生器，研究了玻璃滚珠填充率、玻璃滚珠粒径、多孔板孔径等对泡沫的影响，对泡沫的析液质量和泡沫平均直径随时间变化关系进行了研究，对于不同地层的泡沫剂的研发和渣土改良机理的研究具有重要的意义。

1 泡沫发生器及泡沫特性测试方法

1.1 泡沫发生器设计参数

通过空气压缩泡沫系统发泡，泡沫发生器的产泡性能直接决定泡沫的发泡倍率、稳泡时间、泡径、泡沫量等。目前，国内外泡沫发生器的种类较多，按其发泡方式和发泡原理，可以分为网式、涡轮式、挡板式、充填介质式和射流式。

网式泡沫发生器成泡率高、发泡倍率高、产泡量大，但泡沫稳定性较差[6]，且对发泡液、风速与压力要求较高[7]。介质填充式泡沫发生器利用充填介质的紊流作用，气液混合更均匀、尺寸更细密、泡沫更稳定，但充填空间内，局部损失大，对发泡效果有影响。综合2种泡沫发生器各自特点，它们在成泡率、泡沫量、发泡倍率、泡沫稳定性等方面实现互补。结合土压平衡盾构及泡沫混凝土施工的作业特点，兼有网式及介质填充式特点的复合式泡沫发生器发泡效果较好，发泡器两端采用网状多孔板固定，内部填充玻璃滚珠。发泡器内部没有复杂部件，不易堵塞、混合强度大、使用维护方便、能够适应恶劣工作环境。

泡沫发生器设计参数一定，在气体压力为0.3 MPa，气体流量控制在200 L/min时，发泡效果较好[8]，故在此条件下，研究设计参数对发泡性能的影响。泡沫发生器的结构如图1所示，泡沫发生器玻璃珠粒径、填充率和多孔板孔径等影响泡沫的性能，因此，泡沫产生器壳体尺寸选择Φ80×1 100 mm的不锈钢管，玻璃珠规格选3～4 mm，4～5 mm，5～6 mm，图2为3种不同粒径玻璃珠，玻璃滚珠体积填充率选30%，50%和70%，多孔板的孔径选2，3和4 mm时，调节液体流量，测定不同气液比下产生泡沫的泡沫流量、发泡倍率和稳定性，观察泡沫产量和状态。

图1 泡沫发生器结构

图2 3种不同粒径的玻璃珠

1.2 泡沫特性测试方法

采用课题组自主研发的泡沫剂，由主发泡剂、辅助发泡剂、表面活性类稳泡特质、聚合物增黏剂和水组成，配方为6.82%十二烷基硫酸钠(SDS)+ 4.41%脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)+0.57%十二醇+0.2%瓜尔胶+88.0%水[9]，加入了稳泡剂和大分子聚合物，增加了渣土颗粒之层黏聚性，可有效解决砂卵石地层黏聚力低、内摩擦角大、渗透系数大等问题。发泡倍率为泡沫液产生泡沫体积与原泡沫液体积的比值，析液半衰期为泡沫质量消散至初始泡沫重量50%对应的时间，发泡倍率与析液半衰期的测定采用课题组提出的方法[8]。泡沫发泡后，蘸取泡沫均匀地滴到载玻片上，调节图像颗粒分析系统BT-1600，使载物台上出现清晰的图像，采集图像，每隔2 min采集一次，利用颗粒图像分析软件进行处理与分析，得到不同时刻泡沫平均直径。

[42] 朱锋、胡波：《中美海上互动与中国海权意识发展》，《世界知识》2018年第16期，第12-13页。

大会在嘹亮的国歌、队歌声中拉开帷幕，鲜艳的红领巾映红大家的脸庞。在这次大会召开之前，学校67个中队上交了100多项提案。这些提案都出自少先队员之手，涉及实践活动、学校课程、运动健身、学习环境等诸多方面，体现出少先队员浓厚的小主人翁意识。大会上，校长也对大家提出的各项提案作出回复，表示学校将会以此为出发点继续努力，争取早日实现大家的想法。

玻璃滚珠填充率为50%、滚珠粒径为4～5 mm，多孔板孔径为2，3和4 mm时，测定不同气液比条件下泡沫剂的泡沫量、发泡倍率与泡沫稳定性，结果见图5，多孔板孔径较小时，泡沫量、发泡倍率和泡沫稳定性较好，但并非孔径越小越好，不同多孔板孔径发泡效果依次是3，2和4 mm。主要原因是孔径越小，发泡器内部扰流越来越强烈，致使泡沫剂溶液充分发泡；孔径减小至一定程度，阻力过大，导致发泡效果变差。

2 试验结果分析

2.1 最佳发泡参数

2.1.1 玻璃珠填充率的影响

北京地铁16号线9标盾构试验施工段为砂卵石地层，土样含水率为5%，大于2 mm的颗粒含量达60%，小于0.075 mm的颗粒不足0.6%，不均匀系数(u)为37.88，曲率系数(c)为0.155，该砂卵石土样级配不良。土体改良采用的泡沫剂中含水溶性高分子聚合物瓜尔胶，有很好的增黏作用，可提高液体黏度，增加泡沫稳定性，提高土颗粒间黏聚性，选取气液比为50时进行发泡，将泡沫掺入到砂卵石土中，采用坍落度试验、常水头渗透试验和大型应变控制直剪试验测定掺入0%，10%，20%，30%，40%和50%泡沫改良渣土的塑流性、渗透性、剪切强度和内摩擦角。

通过比较泡沫流量、发泡倍率和稳定性，滚珠填充率为50%时最佳，70%次之，30%不能满足需求。玻璃滚珠填充率为30%时，泡沫混合器中阻力小，泡沫液与空气不能均匀混合，因而产生泡沫性能不稳定。当玻璃滚珠填充率为70%时，泡沫混合器内空隙率小，气液流动阻力较大，流通不顺畅，因而产生的泡沫时断时续，且泡径较小，发泡倍率较高，稳泡时间稍低。50%填充率时空隙率与阻力适中，因而产生泡沫出量均匀，泡沫性能最好。

2.1.2 玻璃珠粒径的影响

1.3.1 移栽方式对比试验试验设3个处理：平栽、倾斜35～45°的斜栽、直栽。每个处理重复3次，小区面积为30 m2。

玻璃滚珠填充率为50%，多孔板孔径为3 mm，粒径为3～4 mm，4～5 mm和5～6 mm时，测定不同气液比条件下泡沫量、发泡倍率与泡沫稳定性，结果如图4所示，比较泡沫量、发泡倍率及泡沫稳定性情况，滚珠粒径为4～5 mm时最佳，3～4 mm时次之，5～6 mm时不能满足需求。通过观察出泡情况，玻璃珠粒径为4～5 mm时，气液比在30～84范围内，泡沫流量均匀，泡沫发泡倍率与泡沫稳定性均较好。主要原因是气液比增大，加大了混合液的流速，提高了混合液的动能，撞击发泡网和玻璃滚珠的力度在增加，填充率相同情况下，玻璃珠粒径较小时，孔隙数量在增加，液体易被分散成细小液滴，气液两相间接触面积将增大，促使更多泡沫液发泡[11]，故泡沫液发泡量增大，发泡倍率会明显增大，泡沫含液量会减少，泡沫液被完全用于鼓泡，析液过程变缓，泡沫破灭速度变小，泡沫稳定时间也增长。故4～5 mm和3～4 mm时发泡倍率和稳泡时间要优于5～6 mm。随着粒径减小到一定程度，阻力增加，泡沫壁含液量变少，气泡持液能力弱，液膜非常薄，泡沫弹性差，反而会造成泡沫的稳定的稳定性变差。因此，4～5 mm时泡沫量、发泡倍率和稳泡时间反而要优于3～4 mm。

图3 填充率与泡沫流量、发泡倍率和析液半衰期的关系

砂卵石地层结构松散、黏聚力低，切削下的卵石易滞留压力舱内，使盾构机掘进困难；塑流性差，开挖面不易稳定；砂卵石颗粒之间摩擦阻力大，会加剧刀盘刀具的磨损；土体渗透系数大，舱内压力难以维持，可能出现喷涌。

1.3 统计学分析运用统计软件SPSS 19.0对数据进行统计学分析，基因位点基因型和等位基因频率的组间比较采用χ2检验，血清标志物的组间比较采用独立样本t检验，采用Logistic回归分析进行唐氏综合征风险的分析，P<0.05为差异有统计学意义。

图4 滚珠粒径与泡沫流量、发泡倍率和析液半衰期的关系

图5 多孔板孔径与泡沫流量、发泡倍率和析液半衰期的关系

泡沫从泡沫系统发出到土体混合改良，一般在3 min内完成，应保证3 min泡沫的消泡率不大于25%，相当于泡沫半衰期不小于7 min，此外，开挖土体从开挖进入土舱到被排土器排出有一定时间间隔，泡沫平均直径对渣土改良效果影响较大，测定不同时刻泡沫平均直径，本次试验用泡沫剂半衰期为14 min，综合考虑，研究24 min内泡沫平均直径的变化，超过一定时间对渣土改良和排土效果影响不大。图7为泡沫平均直径随时间变化关系曲线，由图7可知，泡沫直径处于动态变化过程中，不断进行着泡沫颗粒的合并与破裂2个过程。在0～8 min，泡沫平均直径在10 µm以下，整个泡沫体系液体含量很大，微泡沫包裹在液相环境当中，此过程泡沫直径基本不变，持继时间长短与液体黏度、液体含量有关，黏度越大，持继时间越长[13]。8～14 min后，液体不断流失，气泡间距离减小，小泡沫不断合并，导致微小泡沫量数量大大减少，泡沫直径增大，直至达到平衡直径峰值，峰值为40 µm，此过程取决于液膜的性质以及气体的穿透性，还与表面活性剂的临界胶束浓度有关。泡沫直径峰值之后，由于液膜排液、泡沫聚并、气体扩散等过程，泡沫稳定性较差，易破裂，破裂远大于合并，整体显现为直径的骤减，达到一个较低水平的直径。24 min后，随着时间的增加，泡沫体系的破裂和合并过程处于相对平衡状态，表现为泡沫直径的平缓变化[14]。经过一定时间，泡沫合并大于破裂，小气泡不断变小直至消失，大气泡不断变大，泡沫数量减小，直至最后泡沫的完全消失，此过程持继时间较长。

压为0.3 MPa，气体流量控制在200 L/min、发泡剂浓度为3%时，泡沫发生器的最佳发泡参数是玻璃滚珠粒径为3～4 mm，填充率为50%，多孔板孔径为3 mm。随着气液比增加，液体流量逐渐减小，泡沫流量、发泡倍率和稳定性先增加后逐渐减小，分别在气液比为40，70和50时达到最大值，最大值分别为133 L/min，31.6和845 s。气液比小于30时，泡沫含液量大，泡沫呈现出射流的现象，发泡倍率和析液半衰期低，不能正常发泡；气液比大于84.0时，气液在发泡器相互掺混剧烈，泡沫流量不连续，呈雾化的现象。气液比在30.0～84.0均能正常发泡，发泡倍率大于26，析液半衰期大于758 s，泡沫流量为80～133 L/min。

2.2 泡沫微观机理

泡沫含液量对渣土塑流性、渗透性和黏附性等影响较大，测定气液比为50，泡沫剂浓度为3%时，测定泡沫析液质量随时间变化关系，见图6，泡沫析液过程分为2个阶段，从泡沫产生至半衰期为湿泡沫阶段，析液半衰期约14 min，此阶段为非平衡的复杂系统，气泡半径小，容易携带液体，液体含量较高，排液速度快，主要依靠重力排液；经过前一阶段的排液，泡沫聚并、气体扩散等，泡沫液体逐渐流失，进入干泡沫阶段，从析液半衰期开始至泡沫完全消失，此阶段泡沫排出液量小、时间长，直至泡沫完全破裂。故随着气液比增加，液体流量减小，泡沫液体含量减小，所以泡沫半衰期会先增加，达到一定值后，气体流量大，造成泡沫稳定性下降[12]。

图6 泡沫析出液体随时间变化关系

2.1.4 最佳发泡参数

图7 泡沫平均直径随时间变化关系

(1)哈拉湖南部高山区。阴离子之间相关性较低，阳离子之间相关性较高，表明阳离子交换作用较频繁，Cl-与K+，Na+，Ca2+，Mg2+呈显著性相关，原因是受到了白云岩、长石、岩盐的溶解影响。Mg2+与呈显著性相关，考虑是基性岩浆岩的溶解影响，矿化度与呈显著性相关，说明了矿化度主要来源于这几种离子，见表2。

表1 泡沫特性与土体关系

3 应用案例

3.1 渣土改良试验

2.1.3 多孔板孔径的影响

对泡沫性能和泡沫微观机理的研究，对土体改良的机理和土体改良泡沫剂的研发有着重要意义。表1为土体与泡沫特性的关系，可根据具体情况，调整泡沫剂配方，或调整泡沫掺入率、水的注入率和气液比[15−16]。

玻璃滚珠粒径为4～5 mm，多孔板孔径为3 mm，滚珠填充率为30%，50%和70%时，测定不同气液比条件下发泡量、发泡倍率与析液半衰期，结果如图3所示。由图3可知，填充率相同时，随着气液比增加，泡沫流量、发泡倍率和析液半衰期呈现先增加后减小的趋势，且不同的填充率存在一个最佳的气液比，在最佳的气液比时，发泡效果最好。由于“卡门涡街”效应[10]，气液流在玻璃珠后形成漩涡，产生大量泡沫。气液比较低时，液体流量大，气液间相互掺混不充分，未能充分发泡，故泡沫流量、发泡倍率和稳泡时间小；气液比增加时，气体与液体充分接触，混掺剧烈，泡沫液被完全用于鼓泡，发泡倍率沫流量、发泡倍率和稳泡时间增大；增大到一定值时，气体流量大，气泡持液能力弱，液膜非常薄，泡沫弹性差，多余的风量不利于已形成泡沫的形成和稳定。

2）采用制图规则模板快速生产制图数据，提高了作业的自动化水平并将地图标准化，实现了提高工作效率、降低成本的目的。

表2为不同测定泡沫掺入比时渣土的坍落度和渗透系数。坍落度在10～20 cm之间，渣土达到理想的塑性流动状态，能满足盾构施工要求。由表2可知，随着泡掺入比增加，坍落度增加，泡沫掺入比小于20%时，渣土塑流性不良，大于50%，泡沫稀浆多、砂石分离。坍落度不仅和泡沫掺入比有关，还与气液比、含水率相关，在一定范围内，随着泡沫气液比降低、渣土含水率增加，坍落度增大。随着泡沫掺入比的增加，渗透系数逐渐减小，当掺入量大于40%时，改良土体的渗透系数的数量级到10−5 cm/s，达到盾构机压力舱内土体理想渗透系数，否则易导致螺旋排土器出口处“喷涌”现象的发生。

表2 渣土的坍落度和渗透性

泡沫土的剪切强度和内摩擦角是衡量泡沫改良土体效果的重要指标，泡沫的添加降低盾构掘进过程中刀盘扭矩、土体与侧壁的摩擦力，使渣土顺利排出。剪切强度影响盾构机切割工具和转动部件的磨损，内摩擦角降低能够避免盾构施工过程中出现“闭塞”问题。图8为不同泡沫掺入比时，改良渣土的剪切强度和内摩擦角变化曲线。由图可见，随着泡沫掺量增加，土体剪切强度和内摩擦角均减小，但呈非线性变化关系。由于砂卵石土含石量较高，细粒土含量较少，仅添加泡沫剂，不能完全满足剪切强度小于25 kPa、内摩擦角小于27°的理想的改良土体状态[17]，可采用泡沫+膨润土或泡沫+高分子类聚合物等方式来对高含石量砂卵石地层进行改良。

3.2 改良机理

泡沫与土体混合后，砂石颗粒孔隙周围填充泡沫，泡沫相当于给砂石颗粒穿上了一层滚珠外衣，即“轴承效应”，能减少颗粒之间的摩擦角、土体强度，提高流动性；由于气泡壁液膜含有水分和表面活性剂，除此之外，砂石的主要成分是SiO2，SiO2表面活性剂的含亲水基团(如酯基、羟基)等与水形成氢键，使砂的保水性提高，水和表面活性剂具有润滑特性，能够提高砂土的流动性。因此，轴承效应、氢键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闭气泡，气泡阻断了孔隙中水的渗流通道，气泡的填充阻塞效应是流透性降低的原因。此外，泡沫剂中的高分子化合物能使细小砂粒团聚起来，促使泡沫能更好的发挥堵水作用[18]。砂石颗粒之间机械咬合力大、内摩擦角大，泡沫的存在使砂石颗粒间的接触面积减小，当受到压剪切破坏时，砂粒表面由于气泡、表面活性剂分子或离子的润滑作用，大大降低了砂的内、外摩擦角。

图8 泡沫掺入比与抗剪强度、内摩擦角关系

4 结论

1) 复合式泡沫发生器玻璃滚珠粒径为4～5 mm，体积填充率为50%，多孔发泡板孔径为3 mm时发泡效果较好，该泡沫发生器流量大、发泡效果好、结构简单、不易堵塞。

2) 随着气液比增加，泡沫流量、发泡倍率和稳定性先增加后逐渐减小，气液比在30.0～84.0均能正常发泡，发泡倍率大于26.0，析液半衰期大于758 s，泡沫流量为80～133 L/min。

(2)高耦合度—高经济发展水平型(H—H)。包括鼓楼区、台江区、马尾区和长乐市。该类地区由于经济发展水平较高，发展速度较快，处于城市发展的加速阶段，市辖区经济与县域经济之间呈现出相互扶持的发展状态，在不断的磨合中逐步走向适应。

3) 泡沫直径随时间的变化处于动态变化过程中。0～8 min泡沫平均直径在10 µm以下，泡沫体系液体含量大，持续时间长短与液体黏度、液体含量有关；8～14 min后，泡沫平均直径增大，达到峰值。峰值之后，由于液膜排液、泡沫聚并、气体扩散等过程，泡沫降到一个较低水平的直径。泡沫改良渣土施工集中在这一时间段，可根据泡沫微观特性，开发适应不同地层的泡沫剂。

4) 随着泡沫掺量的增加，轴承效应、氢键和泡沫的保水性导致渣土塑流性提高；气泡的填充阻塞和团聚效应使渗透性降低；轴承效应和表面活性剂的润滑作用使剪切强度和摩擦角降低。

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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