盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)原理與應(yīng)用

1、盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)原理與應(yīng)用0 引言泡沫是一種調(diào)節(jié)介質(zhì)，由發(fā)泡劑與水的混合液和壓縮空氣相混合，經(jīng)泡沫發(fā)生器發(fā)泡成30400um微細(xì)乳狀泡沫，注入到掘削面和土倉，確保渣土順利排出，保持掘削面穩(wěn)定，適合于靠土壓支持的盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中泥土粘性非常高的意外情況。由于經(jīng)泡沫調(diào)節(jié)后的土壤具有良好的流動(dòng)性和塑性以及防水滲透性，所以泡沫的使用擴(kuò)大了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適宜開挖的土壤范圍，同時(shí)大大降低了刀盤扭矩，減少了刀具的磨損。目前，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)大都配備了泡沫系統(tǒng)，泡沫也成為渣土改良必不可少的添加劑。1 泡沫系統(tǒng)的組成與原理1.1泡沫系統(tǒng)由以下部件組成，如圖1：刀盤上有8個(gè)注入點(diǎn)土倉壓力板上有4個(gè)注入點(diǎn)螺旋輸送機(jī)上有

2、4x2個(gè)注入點(diǎn)1個(gè)水泵，流量為133l/min1個(gè)泡沫泵流量為5l/min混合液控制裝置壓縮空氣控制裝置 圖1 4個(gè)泡沫發(fā)生器 測量裝置及其控制 用水沖洗時(shí)的切換裝置1.2泡沫系統(tǒng)的原理水和發(fā)泡劑的混合是在混合液的控制裝置完成。發(fā)泡劑裝在可更換的罐中，發(fā)泡劑通過定量泡沫泵供給，水通過定量水泵供給，二者混合后再通過流量控制裝置供給到相關(guān)管路。泡沫是在泡沫發(fā)生器內(nèi)用空氣對(duì)液體進(jìn)行攪拌混合而獲得的?？諝夂鸵后w的劑量是通過SPC操作單元和流量計(jì)來計(jì)量的。是否進(jìn)行調(diào)整主要是根據(jù)掘進(jìn)速度、支持壓力和所給的配方來決定。泡沫發(fā)生系統(tǒng)有三種操作模式：手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)。通過控制可控制球閥，盾構(gòu)機(jī)操作手通過泡沫

3、系統(tǒng)的顯示面板按鈕或開關(guān)元件向有關(guān)注入點(diǎn)將泡沫注入到刀盤前端、土倉和螺旋輸送機(jī)內(nèi)。2 泡沫系統(tǒng)的操作圖2 圖3圖2是泡沫系統(tǒng)參數(shù)的輸入面板，其中管路1-4為泡沫系統(tǒng)四條管路的流量（l/min）；FER為發(fā)泡率=單條管路泡沫流量/單條管路液體流量；FIR為注入率=注入泡沫總量/開挖渣土的容積；流量為自動(dòng)模式下每條管路泡沫量占總泡沫量的百分比；泡沫濃度為發(fā)泡劑在水溶液中的濃度；工作倉最大土壓為泡沫系統(tǒng)自動(dòng)停止工作時(shí)的最大土倉壓力。圖3是泡沫系統(tǒng)參數(shù)的顯示面板，泡沫系統(tǒng)工作狀態(tài)有四種：停止、自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)。泥土壓力為1號(hào)土倉壓力與3號(hào)土倉壓力的平均值，該值如果超過工作倉最大土壓，泡沫系統(tǒng)就停止。

4、混合液流量顯示了混合液的流速與總流量，每環(huán)更新；壓力顯示泡沫管路當(dāng)前壓力值；空氣實(shí)際值顯示管路空氣流量實(shí)際值；空氣目標(biāo)值顯示管路空氣流量目標(biāo)值；混合液體實(shí)際值顯示管路混合液體流量實(shí)際值；混合液體目標(biāo)值顯示管路混合液體流量目標(biāo)值=每條管路流量/FER。泡沫系統(tǒng)的操作方式有三種，分別是手動(dòng)模式、半自動(dòng)模式和自動(dòng)模式。在啟用泡沫系統(tǒng)前，需設(shè)定泡沫濃度和工作倉最大土壓。泡沫濃度可以在1-5%之間設(shè)定。手動(dòng)模式時(shí)，按下手動(dòng)模式按鈕，再按下想要注入泡沫管路的管路按鈕，再通過SPC操作單元旋鈕手動(dòng)控制空氣的流量和泡沫混合液體的流量，還可以在顯示面板中空氣實(shí)際值和混合液體實(shí)際值旁邊的加減按鈕控制。半自動(dòng)模式時(shí)

5、，按下半自動(dòng)模式按鈕，按下想要注入泡沫管路的管路按鈕。通過參數(shù)的輸入面板設(shè)置每條管路的流量和FER，對(duì)注入的泡沫進(jìn)行控制。FER設(shè)置范圍為0-30。自動(dòng)模式時(shí)，按下自動(dòng)模式按鈕，按下想要注入泡沫管路的管路按鈕。通過參數(shù)的輸入面板設(shè)置每條管路的流量比、FER和FIR，對(duì)注入的泡沫進(jìn)行控制。3 泡沫系統(tǒng)應(yīng)用泡沫系統(tǒng)有三種調(diào)節(jié)模式：手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)，在實(shí)際掘進(jìn)施工中，主要以半自動(dòng)模式和自動(dòng)模式為主，現(xiàn)在就以兩個(gè)工程實(shí)例來說明泡沫系統(tǒng)的使用。3.1采用半自動(dòng)模式適應(yīng)基巖隆起地層的推進(jìn)深圳滕創(chuàng)瑞科技有限公司經(jīng)營的泡沫所在深圳地鐵三號(hào)線3102標(biāo)工程剛剛通過38米長的，基巖高度最大為3.8米的基巖隆起區(qū)

6、。隧道下層為花崗巖，強(qiáng)度高達(dá)160MPA，上層為砂層，是典型的上軟下硬型地層，在這種地層中掘進(jìn)需要防止坍塌和刀具磨損。盾構(gòu)機(jī)在這種地層推進(jìn)，必須控制好掘進(jìn)參數(shù)和注入合適的添加劑。我們選用的掘進(jìn)參數(shù)為：刀盤轉(zhuǎn)速1.1-1.3r/min,推進(jìn)速度為5mm/min，土倉壓力為土倉水頭壓力加0.4bar,并注入干燥泡沫。泡沫系統(tǒng)采用半自動(dòng)模式，泡沫原液采用滕創(chuàng)瑞科技有限公司的泡沫，泡沫濃度設(shè)定為3%，每管流量設(shè)定為200l/min，F(xiàn)ER設(shè)定為25，開四條管路。在掘進(jìn)過程時(shí)，檢查渣樣，并對(duì)比泡沫效果。泡沫發(fā)出的效果很好，致密細(xì)膩，有張力，有粘力，存在時(shí)間長，能充分融入渣土，起到了改善渣土，保護(hù)刀具的作

7、用。實(shí)踐證明，我們通過控制掘進(jìn)參數(shù)和注入干燥泡沫，在沒有更換刀具的情況下，順利通過了基巖隆起區(qū)。3.2 采用自動(dòng)模式適應(yīng)礫質(zhì)粘土地層的推進(jìn)自動(dòng)模式一般在推進(jìn)速度穩(wěn)定的情況下使用。在深圳地鐵3號(hào)線3102標(biāo)工程有部分地層為礫質(zhì)粘土，其中上部為砂層，下部為礫質(zhì)粘土，且粘土成分高達(dá)60%，刀具非常容易結(jié)泥餅。盾構(gòu)機(jī)在這種地層推進(jìn)，必須控制好掘進(jìn)參數(shù)和注入合適的添加劑。我們選用的掘進(jìn)參數(shù)為：刀盤轉(zhuǎn)速為1.2r/min,推進(jìn)速度為40mm/min，土倉壓力為土倉水頭壓力加0.2bar,并注入濕潤泡沫。在掘進(jìn)速度正常的情況下，我們一般采用自動(dòng)模式注入泡沫，F(xiàn)ER設(shè)定為12，每管流量比設(shè)定為25%，那么FI

8、R設(shè)定多少呢?FIR為注入率=注入泡沫總量/開挖渣土的容積，決定注入泡沫量的多少。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和至今的實(shí)績綜合考慮，注入率Y的估算公式如下：Y（）a2×（60-4×D0.8）（80-3.3×E0.8）（90-2.7×F0.8）；式中Y泡沫注入率（）；D0.075mm粒徑的通過百分率，4×D0.860時(shí)，取4×D0.860；E0.42mm粒徑的通過百分率，3.3×E0.880時(shí)，取3.3×E0.880；F2mm粒徑的通過百分率，2.7×F0.890時(shí)，取2.7×F0.890；a均粒系數(shù)VC決定的系數(shù)，VC4時(shí)，a1.6；4VC15時(shí)，a1.2