顶管隧道砂土地层用高稳定性泡沫剂的制备研究

侯茜茜，禹化伟，蔚宁哲，唐思伟

(1.深圳市交通工程试验检测中心有限公司，广东 深圳 518049； 2.中铁隧道集团三处有限公司，广东 深圳 518000)

目前，盾构法施工广泛应用于地铁和城市道路等工程项目，盾构包括TBM、泥水平衡盾构、土压平衡盾构等多种形式，顶管也是一种盾构形式，在市政隧道、人行通道、管涵工程方面应用较多，多用于泥质、砂质地层。

在土压平衡盾构施工中，渣土改良是一项关键技术，良好的渣土改良方法及掘进参数控制，对掘进速率、地表稳定、渣土外运、机械寿命有重要影响。

渣土改良方法主要有注水改良法、膨润土改良法与泡沫改良法，其中，泡沫改良法应用最为广泛。

泡沫改良有以下几个作用：泡沫注入刀盘前方，可改善土的流塑性，提高掘进速度，保证开挖土的顺利排出；第二，泡沫可降低刀盘与土体的摩擦力，降低刀盘扭矩，对刀盘磨损有较大的改善作用；第三，泡沫的使用可降低渣土及前方地层的透水性，防止喷涌现象，保持地层稳定。因此合理有效的使用发泡剂是提高盾构施工工效的重要方法之一[1]。贾连辉通过对大断面矩形顶管盾构渣土泡沫改良试验、膨润土+泡沫改良试验得出结论：对于下穿郑州中州路项目粉土、粉细砂地层，采用泡沫和水的组合改良为最佳方法[2]。

国内泡沫剂的品种主要有：松香胶泡沫剂、废动物毛泡沫剂、树脂皂类泡沫剂、水解血胶泡沫剂、石油硫酸铝泡沫剂等[3]。目前的盾构施工中，泡沫剂多为表面活性剂，且以阴离子表面活性剂占主要组分。表面活性剂是能使溶液表面张力显著下降的物质，有明显的亲水、亲油基团，分离子型、非离子型，其中离子型表面活性又分为阴离子型、阳离子型、两性型。常见的阴离子表面活性剂有羧酸盐、硫酸盐、磺酸盐、磷酸酯盐等，阳离子表面活性剂主要有胺盐类，两性型主要有氨基酸型和甜菜碱型，非离子表面活性剂主要有聚醚型和多元醇型。AES,SDS,AOS是几种常用的阴离子表面活性剂，有很好的发泡力。CEDA是常用的非离子表面活性剂，具有较好的稳泡及发泡性能。OA,CAB是常用的两性表面活性剂，在酸性介质中呈阳离子性，在碱性介质中呈阴离子性。表面活性剂有良好的起泡性能和乳化性能，且有良好的生物降解性，广泛应用于农业、日用化工、医药、建材、采矿等领域。表面活性剂的临界胶束浓度CMC、油水平衡值HLB决定了其用途及性质。

为应对复杂多变的地层，在施工现场进行泡沫剂的复配生产比较普遍。例如，贺雄飞等研制出分散型泡沫剂DCA配方，使用了一种阴离子表面活性剂、一种非离子表面活性剂、两种稳泡剂、一种分散剂进行了泡沫剂的复配，对粉质黏土、砂质黏土、泥岩等黏粒含量较高地层的刀盘防结泥饼效果明显[4-5]。

现场复配生产泡沫剂有利于结合地质情况对配方进行针对性调整，有利于材料成本控制和产品质量控制。本文结合市场常用泡沫剂的配方情况，选用多种表面活性剂进行复配，并与某些市售产品及经验配方进行对比，以期得到一种起泡能力强、泡沫稳定、砂土地层渣土改良效果好的泡沫剂，并确定相应的检验评价方法，克服了常见的泡沫剂易破裂消散问题，为项目顶管机的顺利掘进作好保障。

1 依托工程概况

1.1 工程简介

珠海环屏路顶管隧道为超大断面矩形土压平衡盾构顶管，下穿珠海大道，顶管隧道左右两条长度均为188 m，结构净空宽度9 m，高度6.15 m，顶管管节结构外尺寸为宽10.4 mm×高7.55 mm。

1.2 工程水文地质

顶管隧道地面埋深平均为5 m。顶管隧道段自上而下分布的地层分别为：人工填土、粗砂、砂质黏土、全风化花岗岩等，隧道主要穿越粗砂及砂质黏性土地层。

地下水主要以孔隙潜水和上层滞水为主。稳定水位埋深在1.57 m～3.68 m，水位标高在1.46 m～0.31 m。

2 泡沫剂的产品标准及检验方法

2.1 常用的产品标准及控制值

目前，国内在泡沫剂方面无统一标准，也无统一的试验方法，不同的生产企业控制标准也不一样，关于泡沫剂的产品质量参考标准主要含GB/T 9985—2000手洗餐具用洗涤剂、JC/T 2199—2013泡沫混凝土用泡沫剂、JG/T 266—2011泡沫混凝土、QB/T 1224—2012衣料用液体洗涤剂、CECS 249:2008现浇泡沫轻质土技术规程、T/SCMES7—2020盾构施工专用环保型泡沫剂；另外，部分泡沫剂生产企业所推行的企业标准也具备一定借鉴价值，如厦门诺恩斯科技有限公司提出的Q/NOR002—2015盾构泡沫剂，河北丰盾建筑材料有限公司提出的Q/FD001—2019盾构泡沫剂，成都市康尔化工有限公司提出的Q/74362173-X.1-2017盾构泡沫剂。各标准所提出的检测项目、检测方法对比见表1。

2.2 检验方法

2.2.1 有效成分含量

各标准除对pH、密度等匀质性指标有相似规定外，在有效成分含量方面，仅四川机械协会标准作出了规定。有效成分是指产品配方中各材料的有效成分含量之和，指标解读与“浓度”“固体含量”接近，代表了泡沫剂原材料用量的多少。有效活性成分的检验，主要采用乙醇萃取法。实际工作中，采用烘干法、折光仪法检测固体成分含量与之相似，但因表面活性剂中含有大量的可挥发成分，检测偏差较大。

2.2.2 发泡能力

泡沫性能主要包括发泡能力与泡沫稳定性，发泡能力常用发泡倍数或发泡力表示。

使用发泡机制泡时，发泡倍数与液体流量、空气流量有关，发泡倍数可调，如郭彩霞等发明泡沫试验装置用以评价泡沫剂的发泡能力与泡沫稳定性[6]。JC/T 2199—2013泡沫混凝土用泡沫剂规定了检验泡沫时的发泡倍数为15倍～30倍，CECS 249∶2008现浇泡沫轻质土技术规程要求泡沫密度为40 g/L～60 g/L，等效于发泡倍数为16.7倍～25倍，其发泡倍数的大小并不代表泡沫剂质量的好坏，这里的发泡倍数一般作为检验其他指标的基础控制指标，其本身并非检验评价指标。

使用振荡法、倾泻法时，发泡倍数大小与有效成分浓度、表面活性剂的配比及性质有关。此时的泡沫量可作为发泡力指标，亦可称为发泡倍数。

2.2.3 泡沫稳定性

盾构泡沫剂一般强调发泡能力、泡沫半衰期作为稳定性指标，其测试方法多采用泡沫质量仪法进行。泡沫质量仪为一广口圆柱体容器，容积为5 L，内径200 mm，容器上有刻度，装入泡沫刮平后放置一块直径190 mm、质量25 g的圆形铝板作为浮标，底部开孔收集泌水，用于检测泡沫1 h的沉降量及泌水率，作为泡沫稳定性的评价指标[7]。

对于泡沫半衰期，有的方法采用泌水量达一半的时间，有的方法采用泡沫体积降为一半的时间，泌水半衰期一般为几分钟至几十分钟，泡沫体积半衰期相对较长，一般为数小时甚至数日。

3 泡沫剂复配试验

3.1 试验用原材料

表面活性剂经复配后pH一般呈中性，调节pH值的材料常选用柠檬酸，但复配以阴离子表面活性剂为主要成分的泡沫剂时，含两性组分的泡沫剂宜合理调整pH值，否则可能会导致表面活性剂分子之间发生反应而产生沉淀失效。稳泡剂采用多元醇、硅树脂乳液、酰胺类较大分子非离子表面活性剂。对所用原材料进行表面张力与发泡力的测定，试验采用0.007 2%体积浓度，发泡力采用100 mL和250 mL量筒振荡法。通过试验结果，发现阴离子、两性表面活性剂的发泡力较强，发泡力与表面张力无直接关系。绝大多数非离子表面活性剂的表面张力很小，但发泡力不大，具体试验结果见图1。

3.2 选材试验

3.2.1 试验方法

只有具有特定结构的阴离子-阴离子表面活性剂的复配才产生加和增效作用，阴离子-阳离子复配体系在润湿、稳泡和乳化性能方面有较大提高，但易于生成不溶性的盐从溶液中析出，失去活性，具有稳泡作用的一般为非离子表面活性剂[8]。

阴离子单种材料的发泡能力强，但稳定性差，为改善泡沫稳定性，本方试验采取阴离子材料与非离子材料复配的方法，测定泡沫的综合性能。对AES,SDS,AOS三种阴离子材料分别进行复配，SDS,AOS体系发泡力降低明显，AES体系相对较稳定，本文以AES体系试验为主。

发泡力采用振荡法，即GB/T 15818附录F规定的泡沫体积法，原液采用15%体积的浓度，试验溶液采用原液与水的比例选择3%∶97%，人工振荡时吸取试验溶液1 mL、水49 mL在100 mL量筒进行振荡试验，复配时AES试验溶液与复配液分别吸取0.5 mL。发泡力以振荡结束后30 s的泡沫体积计，相当于3%的试验液的振荡发泡倍数。

半衰期采用发泡机制泡，因振荡法、倾泻法泡沫泌水速度过快，仅为几十秒，且泡沫体积变化速度慢，泡沫体积消耗为初始一半所经历时间多在数个小时或1 d以上，且剩余的泡沫均为薄壁大泡，不易测量，故模拟盾构机的发泡原理，采用30倍发泡机制泡法测定泡沫泌水50%所经历时间，以下称为泡沫的半衰期，单位为min。

3.2.2 AES体系复配试验结果

采用5种非离子表面活性剂与AES进行复配，检测发泡力、泌水半衰期，具体试验结果如图2所示。

AES体系在其他非离子材料复配的情况下，发泡力、半衰期有明显变化，大部分非离子表面活性剂对AES的发泡力有降低作用，仅E09的复配对发泡力有提升，FM(G)对发泡力降低明显，但半衰期明显延长。为平衡发泡力与泡沫稳定性，引入泡沫综合质量指标概念，以发泡力与半衰期的乘积作为泡沫质量评价指标，单位为mL·min。AES体系的综合质量指标如图3所示。

以泡沫综合质量指标来评价，FM(G)，E09复配时指标优异，FM，CDEA中等；T07最差。

3.3 试验配方

根据材料特性及AES体系的试验结果，配制了几种配方，并与某些施工项目泡沫剂产品进行对比。

1)A配方，市售产品，取自某市政道路施工项目泡沫混凝土用泡沫剂。2)B配方，市售产品，盾构机用泡沫剂，取自某盾构项目，用于卵石土地层。3)C配方，市售产品，盾构机用泡沫剂，取自某盾构项目，用于岩石地层。4)D配方，盾构常用的经验配方D，AES：12%，SDS：7%。5)E配方，自制配方，阴离子AES等材料占16%、非离子E09与FM等材料占5%。6)F配方，自制配方，阴离子AES等材料14%、非离子CDEA，FM(G)等材料占6%。7)G配方，自制配方，阴离子AES等材料10%、非离子FM(G)占10%。

3.4 泡沫剂性能对比试验

3.4.1 各产品试验结果

对各配方泡沫剂进行表面张力、发泡力、半衰期测试，原液体积浓度配制为15%，试验溶液采用原液与水的比例选择3%∶97%，对于较低浓度的市售产品A,B,C调整稀释比例为4.2%,4.8%,3.4%使各试验溶液体积浓度相同，具体结果见表2。

表2 各种泡沫剂主要检测结果

由表2中数据发现，溶液的表面张力与发泡力、半衰期无直接联系。一般情况下，要求的发泡力越大，表面张力则越小，复配产品中的一种低表面活性成分便可将整个溶液体系的表面张力值降低，但要保证稀释后的浓度大于该成分的CMC值。

A～G各溶液发泡力接近，最小为B，为55 mL，A最大，为78 mL。半衰期相差很大，A，D最小，为13 min，G最大，为29 min。各溶液的发泡力与半衰期关系见图4。

3.4.2 各产品泡沫综合质量指标

以泡沫综合质量指标进行评价时，F,G两个配方效果最佳，A,D,E虽然发泡力强，但半衰期短，泡沫破裂快，综合质量较差，见图5。

3.4.3 泡沫质量与浓度的关系

同时，取D，G配方泡沫剂，采用0.5%～3.5%的稀释比例进行制泡，对泡沫剂的浓度与泡沫质量的关系进行对比。发泡力与半衰期见图6，泡沫综合质量指标见图7。

由统计结果可见，发泡力随浓度增加均呈线性增长趋势，半衰期在较低浓度时均较短，D配方在体积浓度达3%时明显增大。

3.4.4 生物降解性

在提倡环保的今天，一般要求在法定试验时间内，初级生物降解应达到80%以上，否则禁止使用。表面活性剂的生物降解是利用微生物把表面活性剂分解转化为二氧化碳和水的过程。世界经济合作与发展组织规定：初级生物降解大于80%，最终生物降解大于70%的表面活性剂才允许使用。采用GB/T 15818—2018表面活性剂生物降解度试验方法中的方法检测泡沫剂的生物降解性，将各产品浓度稀释为1 g/L，生物降解性对比见图8。

市售A产品及自制F产品7 d生物降解度约85%，其他各产品均在90%以上，C产品约在91%，B,D,E,G四个产品的7 d降解度均在95%左右，降解性较好。

从表面活性剂的分子结构来看，脂肪族比芳基更易降解，直链比支链更易降解；极性基团中磺酸基、硫酸基、羧基和乙氧基容易降解。随着人类环保意识的增强，可生物降解表面活性剂的设计、生产和使用是未来的发展方向。

4 泡沫改良土试验

4.1 地层土分析

根据工程地勘报告，顶管穿越地层粗砂的垂直渗透系数为0.04 cm/s，地基承载力350 kPa。砂质黏性土地层垂直渗透系数为5.0×10-4cm/s，地基承载力300 kPa，孔隙比e为0.8，液性指数IL为0.23，压缩指数为0.38 MPa-1。

在洞门加固桩基破除后，选用了开挖地层上半断面、下半断面两种土样甲、乙，其检测结果见表3。

表3 两种土样的检测结果

4.2 泡沫改良试验

根据两种土样的试验结果，对于甲、乙土样分别采用D，G配方泡沫剂发泡试拌。甲土样初始含水率(质量分数)调整至36%，乙土样至53%，泡沫剂发泡倍数调整为30倍，掺入土的体积比为40%，采用卧轴砂浆搅拌机搅拌，测试各组合坍落度与1 h渣土沉降量。其中，渣土沉降量采用5 L容量筒法测试，试验结果见图9。

甲与乙两土样初始坍落度均较小，掺加泡沫剂后坍落度明显增加，土和易性变好。

甲土样细粒含量少，以砂为主，使用D泡沫较G泡沫坍落度小，且渣土沉降明显，泡沫有明显溢散现象。

乙土样黏粒含量相对较大，无论采用D还是E泡沫均能获得较好的和易性及体积稳定性，泡沫在渣土中有良好的保持性。

5 结论与建议

本文通过对不同产品标准、试验方法的对比，梳理出一套有效的泡沫试验方法，提出了砂土地层用泡沫剂的复配方法。

5.1 试验方法及质量控制指标

1)有效成分含量是一种材料价值的重要体现，是实现其使用性能的基础，一般情况下(稀释比例为3%)泡沫剂的有效成分浓度(体积浓度)不宜低于15%，当检测固体含量(质量分数)时，不宜低于12%。有效成分含量采用萃取法，固体含量可采用烘干法与折光仪法。

2)泡沫剂的发泡力试验方法很多，使用振荡法检验泡沫剂的发泡力简单快捷。通过本文的试验数据，泡沫剂在很低体积浓度(1.5%左右)便可达到30倍以上的发泡倍数，实际应用中，发泡力宜在50倍以上，并结合风量、稀释后的溶液量、刀盘前方压力综合计算需要的发泡倍数用以设定稀释和注入比例。

3)泡沫稳定性是泡沫的重要指标，结合盾构机的发泡原理，泡沫稳定性试验制泡宜采用发泡机制泡，并在此基础上进行其他性能诸如泌水率、泌水半衰期、泡沫沉降距的试验。泡沫质量可采用发泡力与泡沫泌水半衰期的乘积表示，其值不宜低于1 000 mL·min，过高的发泡力往往牺牲了泡沫稳定性，二者相互影响，对于砂土地层，泡沫综合质量系数可取1 500 mL·min甚至更高值。

4)其他指标方面可选择性检测，在不使用两性离子表面活性剂时，可不检测pH值；泡沫剂比重一般在1.02左右，各厂家、各配方差别不大；表面活性剂产品常使用氯化钠作为增稠剂，检测黏度大小无实际意义；表面张力对泡沫质量影响不大，一般在40 mN/m以下；确定的泡沫剂配方需要根据环境温度情况进行高温或低温稳定性试验，以避免有效成分分层析出；生物降解性是泡沫剂的重要指标，在不使用难降解材料时可不检测。

5.2 复配方法

1)泡沫剂宜首选阴离子表面活性剂为主要原料，并在此基础上筛选适宜的非离子或其他品种的稳泡剂，不必刻意追求低的表面张力。使用两性离子型表面活性剂复配时需根据特点调整泡沫剂的pH值，同时也应谨慎使用阳离子与阴离子复配，以避免发生沉淀反应造成不必要的损失。2)当渣土含泥量较大时，复配时应优先考虑发泡力指标，含砂量较大时优先考虑泡沫稳定性指标。不含土的砂层或岩石地层应辅以膨润土或高聚物增黏改良的方法。阴离子表面活性剂用量越高发泡力越强，适宜的非离子表面活性剂用量越高，泡沫稳定性越好，改性多羟基聚合物、脂肪醇聚氧乙烯醚是相对较好的非离子复配材料。3)常用的表面活性剂生物降解率一般在90%以上，特别是富含羟基成分时降解率最高，易达环保要求，不宜选用有毒性及生物降解率低的材料作为泡沫剂的组分，如含氟类及苯环类的材料。