彭 磊, 何文敏, 暢亞文, 孔令昌, 楊江朋, 朱 鵬

(1. 陜西省高性能混凝土工程實驗室, 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)有限公司， 陜西 西安 050043)

0 引言

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的發(fā)泡原理是將一定比例的壓縮空氣注入到混合泡沫液中，撞擊混合后產(chǎn)生泡沫，可以通過調(diào)整壓縮空氣供給量、水的供給量、空氣壓力等因素產(chǎn)生不同特性的泡沫。該項技術(shù)近年來在國外發(fā)展比較迅速，國內(nèi)也逐漸認(rèn)識到該技術(shù)的應(yīng)用前景，并將其應(yīng)用到泡沫滅火、煤礦除塵、泡沫混凝土、土壓平衡盾構(gòu)渣土改良等領(lǐng)域。

ZHAO Hao等[1]研究了壓縮空氣發(fā)泡系統(tǒng)發(fā)出泡沫的形態(tài)和滅火效果，發(fā)現(xiàn)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)發(fā)出的泡沫大小均勻，穩(wěn)定性好，滅火效果優(yōu)于其他傳統(tǒng)方式；陳現(xiàn)濤等[2]對泡沫的發(fā)泡倍數(shù)和析液時間與氣液比間的關(guān)系，以及發(fā)泡倍數(shù)對滅火性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)氣液比可以控制發(fā)泡倍率和析液時間，發(fā)泡倍率大，滅火效果好；WANG Hetang等[3]制備了煤礦降塵用泡沫劑和煤礦降塵用泡沫發(fā)生器，得到了氣體流量、液體流量、壓力等影響降塵泡沫的主要技術(shù)參數(shù)； LU Xinxiao等[4]將發(fā)泡劑添加裝置和泡沫發(fā)生器相結(jié)合，設(shè)計了一種新型發(fā)泡裝置，抑塵效果明顯；李菊麗等[5]提出了一種可調(diào)式發(fā)泡裝置，通過控制氣液比，調(diào)節(jié)發(fā)泡管內(nèi)介質(zhì)填充密度，可控制泡沫孔徑大小及其均勻性； ZHENG Xuezhao等[6]設(shè)計了一種新型發(fā)泡裝置，研究了氣壓、空氣流量、氣水比等參數(shù)對泡沫性能的影響。盡管該技術(shù)在我國得以迅速推廣，但不同領(lǐng)域壓縮空氣系統(tǒng)的設(shè)計、技術(shù)參數(shù)對泡沫性能的影響等方面還有待研究，特別是土壓平衡盾構(gòu)泡沫發(fā)生系統(tǒng)在泡沫發(fā)生器設(shè)計、氣液混合參數(shù)設(shè)計對泡沫性能的影響報道較少[7]。泡沫發(fā)生器多采用進(jìn)口成套裝置，價格昂貴，維修成本較高；或采用雙層管腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)管腔設(shè)阻尼層，外管腔設(shè)介質(zhì)層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便；在施工過程中，系統(tǒng)參數(shù)的選擇主要憑借經(jīng)驗，不僅造成泡沫劑的浪費(fèi)，而且容易造成工程事故。因此，研究泡沫發(fā)生系統(tǒng)及其參數(shù)對產(chǎn)泡性能的影響規(guī)律已迫在眉睫。

本文研制了土壓平衡盾構(gòu)用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，研究了壓縮氣體流量、空氣壓力、液體流量等因素對泡沫流量、發(fā)泡倍率和穩(wěn)泡時間的影響規(guī)律，以期為土壓平衡盾構(gòu)施工提供參考。

1 泡沫發(fā)生系統(tǒng)及試驗方法

1.1 泡沫發(fā)生系統(tǒng)及發(fā)泡工藝

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)主要由進(jìn)液系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)和泡沫發(fā)生器組成，其示意圖和裝置圖如圖1所示。進(jìn)液系統(tǒng)由泡沫液混合箱、螺桿泵、液體流量調(diào)節(jié)閥、電磁流量計和壓力表組成。進(jìn)氣系統(tǒng)由螺桿式空壓機(jī)、儲氣罐、壓力調(diào)節(jié)閥、氣體流量調(diào)節(jié)閥、氣體渦街流量計和壓力表組成。

泡沫發(fā)生器是壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，根據(jù)發(fā)泡方式和發(fā)泡原理，可以分為網(wǎng)式、渦輪式、擋板式、介質(zhì)充填式和射流式。其中： 網(wǎng)式泡沫發(fā)生器發(fā)泡倍率高、產(chǎn)泡量大，能形成高倍數(shù)泡沫，但泡沫穩(wěn)定性較差，對液體和氣體的流速與壓力要求較高[8]；介質(zhì)充填式泡沫發(fā)生器利用充填介質(zhì)的紊流作用和介質(zhì)充填空間，氣液混合更均勻，尺寸更細(xì)密，泡沫更穩(wěn)定。結(jié)合網(wǎng)式泡沫發(fā)生器和介質(zhì)充填式泡沫發(fā)生器的優(yōu)點，設(shè)計了新型泡沫發(fā)生器，見圖2。該泡沫發(fā)生器由進(jìn)液口、進(jìn)氣口和泡沫產(chǎn)生器組成，泡沫產(chǎn)生器由法蘭與其他組成部分連接，兩端由多孔發(fā)泡板封口，內(nèi)部填充粒徑為4～5 mm的玻璃滾珠，填充率為50%。該系統(tǒng)具有動量大、成泡率高、產(chǎn)泡量大、發(fā)泡倍率高、泡沫穩(wěn)定性好等特性[9-10]，改變氣體流量、液體流量比例和壓力等，可以得到不同特性的泡沫，且發(fā)泡器內(nèi)部沒有復(fù)雜部件，不易堵塞，使用維護(hù)方便，能夠適應(yīng)惡劣工作環(huán)境。

發(fā)泡工藝是將泡沫劑與水按一定比例混合成為均勻的發(fā)泡劑溶液，使用定量泵加大發(fā)泡劑溶液的流量和壓力，通過壓力表、流量計、閥門輸送到發(fā)泡混合器內(nèi)，同時使用壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，通過壓力表、流量計、閥門輸送到發(fā)泡混合器與發(fā)泡劑溶液混合，充分混合后通過泡沫發(fā)生器產(chǎn)生泡沫。空氣的最大流量為3 900 L·min-1，液體的最大流量為50 L·min-1。

(a) 示意圖

(b) 裝置圖

圖2 泡沫發(fā)生器

1.2 泡沫特性試驗方法

泡沫性能的主要指標(biāo)包括泡沫流量、發(fā)泡倍率和析液半衰期，主要影響因素有氣體流量、液體流量和氣體壓強(qiáng)等，各參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，采用變量控制法對各個參數(shù)進(jìn)行研究，確定各參數(shù)對泡沫流量、發(fā)泡倍率和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出各參數(shù)的最佳范圍。

試驗過程中采用課題組研制的土壓平衡盾構(gòu)用泡沫劑，泡沫劑選用十二烷基硫酸鈉(SDS)作為主發(fā)泡劑，脂肪醇醚硫酸鈉(AES)作為輔助發(fā)泡劑，十二醇和瓜爾膠分別作為表面活性類穩(wěn)泡劑和增黏類穩(wěn)泡劑，配方為6.82%SDS+4.41%AES+0.57%十二醇+0.2%瓜爾膠+88.0%水[11]。發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3%，通過進(jìn)氣口的油水分離器調(diào)節(jié)氣體壓力在0.2～0.4 MPa，調(diào)節(jié)氣體流量(QG)和液體流量(QL)，通過自制泡沫發(fā)生器進(jìn)行氣液混合發(fā)泡，觀察和記錄不同條件下的泡沫流量(QF)、發(fā)泡倍率(ER)和半衰期(T1/2)。

泡沫發(fā)生器指標(biāo)氣液比(FER)為氣體流量(QG)與液體流量(QL)的比值。ER是指一定體積的泡沫劑溶液產(chǎn)生的泡沫體積與原泡沫劑溶液體積的比值。ER和T1/2的測定采用課題組提出的方法，將發(fā)出的泡沫30 s內(nèi)裝滿量筒、刮平，將裝有泡沫的無底量筒掛在天平底部的掛鉤處，稱量并記錄泡沫初始質(zhì)量，由式(1)計算ER。泡沫裝入無底量筒時記時，當(dāng)泡沫質(zhì)量消散至初始值質(zhì)量的50%時停止記時，時間差即為T1/2[12]。試驗以穩(wěn)定的3組數(shù)據(jù)并取平均值作為測定結(jié)果，分析各參數(shù)對泡沫性能的影響規(guī)律。

(1)

式中：ER為發(fā)泡倍率；V為無底量筒容積，mm3；G為無底量筒內(nèi)泡沫的質(zhì)量，g；ρ為泡沫劑溶液密度，g·cm-3。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 液體流量對泡沫特性的影響

2.1.1 液體流量對泡沫流量的影響

在氣壓為0.3 MPa、發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、氣體流量控制在200 L·min-1時，調(diào)節(jié)液體流量，得出泡沫流量隨液體流量的關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖3可知： 隨著液體流量的增加，氣液比減小，氣液接觸面上吸附的發(fā)泡劑增多，形成泡沫總量增大，泡沫流量逐漸增加；液體流量小于2.44 L·min-1，即氣液比大于82.0時，氣液在發(fā)泡器相互摻混劇烈，形成泡沫顆粒直徑小，泡沫流量不連續(xù)，呈霧化現(xiàn)象；液體流量在2.44～7.03 L·min-1，即氣液比保持在28.4～82.0時，泡沫流量連續(xù)，泡沫流量與氣液比呈線性關(guān)系；液體流量大于7.03 L·min-1，氣液比保持在28.4，泡沫呈現(xiàn)出射流現(xiàn)象，泡沫流量大，發(fā)泡劑分子在氣液接觸界面上未能充分吸附，發(fā)泡效果差。

2.1.2 液體流量對發(fā)泡倍率和析液半衰期的影響

測定液體流量對發(fā)泡倍率和析液半衰期的影響，發(fā)泡倍率與液體流量的關(guān)系曲線見圖4。由圖4可知： 發(fā)泡倍率隨著液體流量的增加先增大后減?。辉谝后w流量為2.27 L·min-1時，發(fā)泡倍率達(dá)到最大值，為35.3，此時氣液接觸面上吸附的發(fā)泡劑增多，達(dá)到泡沫劑的臨界膠束濃度，表面張力低，氣泡離開發(fā)泡液表面需克服的功小，容易形成泡沫。液體流量過小時，氣液間摻混劇烈，形成的泡沫孔徑較小，氣泡內(nèi)所含有的泡沫劑有效含量較低，不利于發(fā)泡，導(dǎo)致發(fā)泡倍率逐漸減小。液體流量過大時，氣液間相互摻混不充分，發(fā)泡劑分子在界面排列松散，發(fā)泡倍率低[13]。

圖3 泡沫流量與液體流量的關(guān)系曲線

圖4 發(fā)泡倍率與液體流量的關(guān)系

圖5為析液半衰期與液體流量的關(guān)系曲線。由圖5可知，析液半衰期隨著液體流量的增加先增大后減小，在液體流量為2.27 L·min-1時，半衰期達(dá)到最大值，為963 s，主要原因是隨著液體流量增加，氣液接觸面上吸附的發(fā)泡劑增多，能夠充分發(fā)泡，泡沫膜彈性增加，降低了外力(毛細(xì)管力、重力和風(fēng)力)對液膜中液相的作用，膜的排液速率減小，泡沫穩(wěn)定性較高。液體流量較小時，由于外力對液膜中液相的作用，排液速率增加，泡沫穩(wěn)定性低；液體流量較大時，泡沫中液相不斷增加，重力排液速率逐漸增加，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性差。

綜合圖3—5，固定氣體流量，液體流量對泡沫性能影響很大，隨著液體流量增加，產(chǎn)泡量逐漸增加，發(fā)泡倍率先增加后減小，析液半衰期先增加后減小。綜合考慮，液體流量為2.44～7.03 L·min-1，即氣液比為28.4～82.0時，泡沫連續(xù)，發(fā)泡倍率大于15，析液半衰期大于600 s，滿足盾構(gòu)施工要求。

圖5 析液半衰期與液體流量的關(guān)系

2.2 氣體流量對泡沫特性的影響

2.2.1 氣體流量對泡沫流量的影響

在氣壓為0.3 MPa、發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，調(diào)節(jié)氣體流量和液體流量，使氣液比為50，泡沫流量與氣體流量的關(guān)系曲線見圖6。由圖6可知： 氣液比固定時，泡沫流量隨氣體流量的增加而增加，當(dāng)氣體流量增加到一定程度時，泡沫流量趨于穩(wěn)定；氣體流量大于60.0 L·min-1時，泡沫流量連續(xù)，小于60.0 L·min-1時，泡沫流量時斷時續(xù)。

圖6 泡沫流量與氣體流量的關(guān)系

2.2.2 氣體流量對發(fā)泡倍率和析液半衰期的影響

固定氣液比為50，發(fā)泡倍率和析液半衰期與氣體流量的關(guān)系曲線見圖7和圖8。由圖7可知： 氣液比固定在50時，隨氣體流量和液體流量的增加，發(fā)泡倍率逐漸減小，主要原因是液體流量較小時，氣液碰撞劇烈，易于形成泡沫，泡沫直徑小，發(fā)泡倍率高；液體流量較大時，氣液混摻不充分，發(fā)泡劑在界面有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，發(fā)泡倍率降低。

由圖8可知： 氣液比相同時，并非氣體和液體流量越大發(fā)泡效果越好，氣體流量為230 L·min-1左右時，半衰期最長，達(dá)600 s，主要原因是隨著氣體流量的增加，氣體和液體能充分接觸，泡沫液被完全用于鼓泡，穩(wěn)泡時間增加；隨著氣體流量的增加，泡沫穩(wěn)定性增大一定時間后，風(fēng)量相對較大，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穩(wěn)定[14]。

圖7 發(fā)泡倍率與氣體流量的關(guān)系

圖8 析液半衰期與氣體流量的關(guān)系

結(jié)合圖6—8可知： 固定氣液比，氣體流量大于60.0 L·min-1時，泡沫流量連續(xù)； 隨氣體流量和液體流量的增加，泡沫流量逐漸增加，增加至一定程度后不再增加，發(fā)泡倍率逐漸減小，半衰期先增加后減小。綜合考慮，氣體流量為60.0～300 L·min-1時，均能滿足要求，氣體流量在230 L·min-1左右時，產(chǎn)泡性能較好。

2.3 氣體壓強(qiáng)對泡沫特性的影響

2.3.1 氣液比對泡沫流量的影響

發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，氣體流量控制在230 L·min-1，測定氣壓分別為0.2、0.3、0.4 MPa時，泡沫流量與氣液比之間的關(guān)系見圖9。由圖9可知： 0.2 MPa泡沫流量先減小后增大再減小，泡沫流量比0.3 MPa和0.4 MPa時泡沫流量小，不適合該泡沫系統(tǒng)，此時氣壓較小，形成的泡沫呈不連續(xù)碎片狀，大流量泡沫難以形成；氣液比大于40時，氣壓在0.4 MPa下泡沫流量大于0.3 MPa。

圖9 泡沫流量與氣液比的關(guān)系

2.3.2 氣液比對發(fā)泡倍率和穩(wěn)泡時間的影響

不同氣壓下，發(fā)泡倍率和析液半衰期與氣液比之間的關(guān)系曲線見圖10和圖11。由圖10可知: 氣壓對發(fā)泡倍率的影響效果依次為0.3、0.4、0.2 MPa；在氣壓為0.3 MPa和0.2 MPa、氣液比小于80和氣壓為0.4 MPa、氣液比小于98時，隨著氣液比的增大，發(fā)泡倍率增大。主要原因是隨著氣液比增大，氣體流量逐漸被利用，液膜厚度和彈性增加，泡沫發(fā)泡倍率逐漸增加；氣液比增大到一定程度時，發(fā)泡倍率開始減小，主要原因是供氣量相對較大，氣泡破碎嚴(yán)重，形成的泡沫效果差。

圖10 不同氣壓下氣液比與發(fā)泡倍率的關(guān)系

Fig.10 Relationship between gas-liquid ratio and foam expansion ratio under different pressures

由圖11可知: 半衰期呈不規(guī)律變化，總體來看，氣壓對析液半衰期的影響效果依次為0.3、0.4、0.2 MPa，氣壓在0.3 MPa和0.4 MPa時，半衰期先增加后減小，主要原因是氣液比較小時，液體流量較大，氣泡持液量較大，液膜自重較大，泡沫彈性較差，易破滅；隨著氣液比增加，泡沫膜彈性隨之增加，增強(qiáng)了泡沫穩(wěn)定性；當(dāng)增加到一定程度時，氣液比高，氣泡持液能力弱，液膜非常薄，多余的風(fēng)量加速了泡沫的破滅。

結(jié)合圖9—11，氣壓為0.3 MPa和0.4 MPa時，泡沫流量、發(fā)泡倍率和析液半衰期較好，發(fā)泡效果較好；然而，并非氣體壓力越大越好，氣壓為0.3 MPa時的發(fā)泡倍率和析液半衰期要優(yōu)于氣壓為0.2 MPa和0.4 MPa時。

圖11 不同氣壓下氣液比與析液半衰期的關(guān)系

Fig.11 Relationship between gas-liquid ratio and half-life under different pressures

3 應(yīng)用案例

3.1 工程地質(zhì)條件

從廣州地鐵1號線1標(biāo)盾構(gòu)施工試驗段取土，該土樣為含砂的紅黏土，該土具有遇水膨脹、泥化、強(qiáng)黏滯性等特性，致使盾構(gòu)隧道施工極易形成“泥餅”，非常不利于切削、排土和正常推進(jìn)。

土樣呈棕黃色，土質(zhì)均勻，通過液塑限試驗，液限為59.2%，塑限為27.8%，塑性指數(shù)為31.4，該土為高液限黏土。土樣的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 土樣物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 室內(nèi)土體改良試驗

利用本文設(shè)計的空氣壓縮系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)泡，主要參數(shù)設(shè)定為管道壓力0.3 MPa、固定氣體流量230 L·min-1、泡沫液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，控制液體流量調(diào)節(jié)氣液比，通過渣土“塑流性”得到適宜的氣液比、泡沫改良紅黏土合適的含水率和泡沫摻入量(FIR)的范圍。泡沫摻入量為摻入泡沫體積占需改良風(fēng)干土體積的百分率。改良后紅黏土的坍落度保持在10～15 cm時，無離析、崩踏、析漿、失水或泡沫析出，即達(dá)到“理想的塑性流動狀態(tài)”，此時渣土能從螺旋出土器順利排出[15]。

紅黏土含水率控制在27%，摻入30%的泡沫進(jìn)行土體改良，通過坍落度試驗測試改良土體效果。試驗結(jié)果見表2。由表2可知： 摻入泡沫后，坍落度隨著氣液比增大而降低，主要原因是氣泡內(nèi)氣體增多，加速了泡沫破滅。氣液比較低時，泡沫含水多，當(dāng)氣液比為30時，坍落度為17.0 cm，渣土呈稀漿狀態(tài)；氣液比較高時，泡沫含水量低，當(dāng)氣液比為80時，坍落度為7.5 cm，主要原因是泡沫中液體量小，泡沫壁薄，在外加作用下易破，坍落度小，半衰期時渣土坍落度損失小。

因此，可推測該紅黏土含水率為27%、摻入量為30%、氣液比為40～75，適當(dāng)調(diào)整氣體流量、液體流量時，渣土坍落度為10～15 cm，可達(dá)到塑性流動狀態(tài)；但氣液比較大時，坍落度損失較快。

表2含水率為27%、摻入量為30%、不同氣液比時渣土的坍落度

Table 2 Soil slump when water content rate is 27%, foam amount is 30% under different gas-liquid ratios

氣液比泡沫情況摻泡沫后坍落度/cm半衰期時坍落度/cm30連續(xù)、含水多17.016.540連續(xù)15.014.050連續(xù)13.511.060連續(xù)11.510.075連續(xù)10.07.580連續(xù)7.54.588連續(xù)但噴射氣流過大5.02.5100不連續(xù)但噴射氣流過大2.5

表3為含水率為27%，氣液比為50，摻入0%、20%、30%、40%的泡沫劑時渣土的坍落度。可見，摻入30%～40%的泡沫劑時，坍落度為10～15 cm，無稀漿流出，黏聚性、保水性良好。

表3 不同泡沫摻入量渣土的坍落度

綜上，紅黏土的塑性流動狀態(tài)與泡沫摻量、含水率和氣液比相關(guān)，進(jìn)一步優(yōu)化含水率和泡沫摻入量的范圍，分析整理出不同含水率下優(yōu)化的泡沫摻入比，見圖12。C區(qū)表示泡沫改良土的坍落度為10～15 cm，處于塑性流動狀態(tài)；B區(qū)和E區(qū)表示改良土坍落度太大，泡沫或含水量太大，易發(fā)生“涌泥”現(xiàn)象；A區(qū)表示含水量低，坍落度較小，渣土較干；D區(qū)表示改良土坍落度偏小，不利于盾構(gòu)順利出土。由此可推測，氣液比為40～75時，適當(dāng)調(diào)整含水率和泡沫摻量，使含水率為26%～29%、泡沫摻入量為10%～45%，泡沫改良土能達(dá)到塑性流動狀態(tài)，滿足盾構(gòu)施工要求。

圖12 不同含水率下優(yōu)化的泡沫摻入量

Fig.12 Optimized foam amounts under different water content rates

3.3 現(xiàn)場土體改良試驗及效果

針對該地層，參考室內(nèi)試驗得到的掘進(jìn)參數(shù)，利用課題組研制的泡沫劑進(jìn)行施工現(xiàn)場渣土改良，泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，對比改良前后盾構(gòu)掘進(jìn)時掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)矩、土壓力等隨時間的變化規(guī)律，見圖13。由圖13可知： 利用泡沫劑土體進(jìn)行改良后，掘進(jìn)速度為35～45 mm/min，掘進(jìn)速度較快，未改良前，掘進(jìn)速度變化幅度較大，掘進(jìn)困難；刀盤轉(zhuǎn)矩集中在3 000～3 750 kN/m，變化范圍較小，未改良前，轉(zhuǎn)矩波動幅度較大，可能是未經(jīng)改良土體不能形成“塑性流動狀態(tài)”，刀盤啟動困難；土壓力主要集中為0.45～0.55 MPa，上土壓力比較穩(wěn)定，有利于維持掌子面的壓力，地表變形小，未改良前，上土壓力較小且波動較大，可能造成地表變形大。

4 結(jié)論與建議

本文研究了一種新型土壓平衡盾構(gòu)用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，探索了壓縮氣體流量、空氣壓力、液體流量等因素對泡沫性能的影響，利用自制的泡沫劑將得到的參數(shù)應(yīng)用于廣州地鐵1號線紅黏土改良，得出以下結(jié)論。

1)復(fù)合式泡沫發(fā)生器結(jié)合了網(wǎng)式和介質(zhì)充填式泡沫發(fā)生器的優(yōu)點，兩端由多孔發(fā)泡板封口，內(nèi)部充填粒徑為4～5 mm的玻璃滾珠，填充率為50%，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，不易堵塞，對施工環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

(a) 掘進(jìn)速度

(b) 刀盤轉(zhuǎn)矩

(c) 土壓力

Fig.13 Time-history curves of driving speed, cutterhead torque and earth pressure

2)氣體流量、液體流量(氣液比)、空氣壓力是影響空氣壓縮泡沫系統(tǒng)發(fā)泡的主要因素，各因素均在一個有效發(fā)泡的參數(shù)范圍，超出范圍均不能正常發(fā)泡，泡沫易霧化或呈射流噴出。隨著氣體流量、液體流量的增加，產(chǎn)泡量逐漸增加，增加至一定程度后不再增加，發(fā)泡倍率逐漸減小。本試驗裝置氣體流量為60.0～300 L·min-1、氣液比為28.4～82.0時能正常發(fā)泡。最佳發(fā)泡參數(shù)為進(jìn)氣管道壓力為0.3 MPa、氣體流量為230 L·min-1左右、氣液比為50、泡沫液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，此時泡沫流量、發(fā)泡倍率和泡沫穩(wěn)定性均較好。

3)利用該設(shè)備發(fā)泡對紅黏土樣進(jìn)行改良，整理出了土體改良優(yōu)化參數(shù)范圍，含水率為26%～29%、泡沫摻入量為10%～45%、氣液比為40～75，適當(dāng)調(diào)整含水率、泡沫摻量和氣液比，該紅黏土能達(dá)到塑性流動狀態(tài)，并能滿足盾構(gòu)施工要求。

針對新型壓縮空氣泡沫系統(tǒng)及其產(chǎn)泡特性的研究，無論是對于室內(nèi)泡沫改良渣土的技術(shù)進(jìn)步，還是對于施工現(xiàn)場盾構(gòu)泡沫系統(tǒng)的改進(jìn)和掘進(jìn)效率的提升，均有著重要的意義。然而，本文僅從泡沫特性方面進(jìn)行了探索，建議對泡沫形態(tài)和泡沫直徑進(jìn)行測試，分析泡沫微觀結(jié)構(gòu)、泡沫性能和泡沫改良渣土機(jī)制之間的關(guān)系。