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地下盾构过程中泡沫剂对刀具耐磨性的影响
秦 哲$ 王成勇$ 冯尚智$ 陈春林!
$ 广东工业大学 ! 广州市盾建地下工程有限公司
摘 要：在介绍目前地下盾构过程中泡沫剂的组成和使用原理的基础上，分析了泡沫剂的特性和作用以及泡
沫剂加注系统，并通过模拟实验研究了泡沫剂浓度和工作压力对刀盘刀齿耐磨性的影响，最后介绍了在广州地铁
施工现场中实测的泡沫剂使用效果。结果表明：在地下盾构过程中使用一定浓度、压力和流量的泡沫剂可以降低
刀盘扭矩，减少刀具磨损，并达到提高掘进和出土效率的目的。
关键词：泡沫剂， 耐磨性， 盾构
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: 引言
采用盾构技术开发地下空间是目前地下修建隧
道采用的方法之一。盾构法的基本原理是采用有形
的钢质组件沿隧道设计的轴线向前推进开挖土体，
这个钢质组件简称为盾构［$］。
土压平衡盾构掘进技术是目前广州地铁施工现
场中采用的盾构方法之一。土压平衡盾构掘进机的
刀盘上装有多个圆盘滚刀和刮刀等刀具，其中圆盘
滚刀可以自转，并随刀盘公转。盾构机掘进时，油缸
施加给刀盘一定的压力，使圆盘滚刀压紧土层，在挤
压、磨削、刮研等综合作用下完成切削，通过排渣系
统将切下来的泥砂和碎石收集并排出工作区域。
在砂粘土等土层掘进施工中，由于土体粘性大、
摩擦力大和流动性差等原因，进入土仓内的土体和
进入螺旋输送系统的土渣易被压实而难于排出。在
开挖过程中注入水、膨润土泥浆或泡沫剂充分搅拌
后，可以使土体的性能得到改良，保证土体的流动
性，并减少土体的透水性，同时使得开挖面保持稳
定［$］。此外，为了降低成本和提高工作效率，在盾构
掘进过程中需尽量减小刀具磨损，提高掘进速度。
在目前地铁施工现场中多使用一定浓度、压力和流
量的泡沫剂加注到工作区域。泡沫剂的使用大大降
低了刀盘的扭矩，达到稳定开挖面土体、改良土体塑
流性能、降低刀盘扭矩、提高掘进和出土效率的目
的［!］。文献［G］也通过室内模拟和施工实验发现掺
入肥皂水、泡沫剂等添加剂可以增加砂性土的塑流
性及保水性，容易形成工作面动态土压平衡，有效控
制地面沉降，同时可加快螺旋出土器排土，减少刀盘
扭矩、千斤顶推力及刀具磨损［G］。
; 泡沫剂的作用及基本原理
; <: 泡沫剂和泡沫加注系统
泡沫剂主要是由空气、水、活性剂、聚合物等组
成。其中活性剂有助于形成大量泡沫，在工程中起
到改良土质、润滑冷却和减摩作用。聚合物有良好
的润滑作用，可起到对刀具的润滑冷却作用。
泡沫加注系统由控制系统、泡沫剂浓缩液、水、
储存罐、空气压缩机和各种管道、泵等所组成。通过
控制系统将泡沫剂浓缩液和水混合并送到储存罐，
打入压缩空气，形成泡沫并加注到工作区域。
泡沫剂的用量、泡沫膨胀率、泡沫注入比是泡沫
系统的三个重要参数。泡沫的膨胀率是指液体的流
速与空气的流速之比，该值越大说明泡沫越“稀”或
越“湿”，—般取值在 $：H I $：$# 之间。泡沫的注入
比是指泡沫加注速率与土壤的开挖速率的百分
比，—般取值在 J"K I $""K之间［J］。
; <; 泡沫剂的作用
泡沫剂的作用主要体现在以下几方面：
（$）降低刀盘扭矩，提高进给量。加注泡沫剂能
J! 工 具 技 术
万方数据
减少刀盘与土体的摩擦，降低扭矩，并减少盾构机壳
体与刀盘上粘土的粘着，有利于排土机构出土，降低
刀盘驱动功率［!］，可以提高进给量和掘进效率。
（"）减少刀具的磨损和堵塞，起一定的润滑和冷
却作用。刀盘在一定转速和压力条件下进行地下挖
掘，刀具承受非常高的工作压力和温度，恶劣的工作
条件会降低刀具的使用寿命。因此，注入泡沫剂可
减少对刀盘面板和刀具的磨损，防止切下来的泥沙
和碎石对刀盘的堵塞，并对刀具起到一定的润滑和
冷却作用，同时可以减小对盾构机排渣系统中易损
件的磨损。
（#）保证挖掘压力，防止压力变化。泡沫剂的持
续加注能防止地下隧道内压力的变化，提高隧道开
挖面的稳定性，并防止水从土壤疏松的地方渗入。
（$）改善土体的流动性，保持开挖面的稳定。在
粘土层中，土体较干，摩擦力大，透水性高，流动性
差，不能很好地传递压力。在开挖中注入泡沫并充
分搅拌，可以改变土层的成分，以保证土的流动性和
减少土的透水性，使开挖面保持稳定［!］。
（%）提高排土效率。由于泡沫有表面吸附作用，
在与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，
可以很容易地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。糊状物质过几天在空
气中挥发后就会变回原来的泥沙，大大方便了泥沙
的后处理工作。
! &" 泡沫剂的使用原理
泡沫剂的上述作用主要来自于其中的活性剂成
分。活性剂是指添加很少的量就可以大大降低溶剂
表面张力的物质。活性剂具有渗透、乳化、发泡、减
摩等作用，这些作用都源于活性剂分子在气—液界
面和液—固界面上的吸附。在气—液界面和液—固
界面上，泡沫剂中的活性剂分子形成定向排列，这种
定向吸附作用形成定向的吸附膜，可明显降低界面
间的表面张力，同时也增加界面膜的机械强度，于是
形成了泡沫并使泡沫能比较稳定地存在［%］。
活性剂的润滑和减摩作用也是来自于摩擦界面
上形成的这层吸附膜，它降低了固体表面的自由能，
使得摩擦系数下降［’］。活性剂分子不仅可以自动吸
附在液体和固体颗粒的表面，而且还可以渗入到表
面细微裂缝中，并在水力楔压的作用下加速裂纹扩
展，起到渗透作用。多余的活性剂分子又吸附在这
些新产生的表面上，以防止新裂缝的愈合或颗粒相
互间的粘聚，这都有利于提高土体的破碎效率。
" 泡沫剂对刀具耐磨性的影响试验
" &# 试验条件
在立式铣床上进行盾构机圆盘滚刀刀具刀片和
岩石的切削实验，模拟盾构机在地下掘进过程中对
岩石的切削过程。将圆盘滚刀线切割成一定厚度的
刀片，安装在铣床主轴上，主轴转速为 ’#( ) *+,，模拟
刀具的自转。将岩石安装在工作台上，自动往复移
动速度为 !-.** ) *+,。设计了调压装置安装在主轴
上，以调整刀具对岩石的工作压力，并配置不同浓度
的泡沫剂加注到加工区域。使用的刀具为德国维尔
特（/0123）公司生产的盾构机用圆盘滚刀。泡沫剂
为上海麦斯特建材有限公司 45678 90: ;<9#. 型泡
沫剂，被切削岩石为肖氏硬度 => ?- 的辉绿岩。
记录工作压力和泡沫剂浓度条件下刀具磨损量
和岩石切除量，并计算岩石切除量和刀具磨损量之
比（即磨耗比）。刀具磨损量和岩石切除量分别用
4@AAB@( 2CB@DC 精密天平（测量精度为 . ?...! 克）和
37E2F!!GE% 型天平（测量精度为 . ?% 克）测量。
" $! 试验结果
（!）泡沫剂浓度的影响
图 ! 为泡沫剂浓度与刀具磨损量的关系曲线。
泡沫剂浓度为 .H，即加注水时，刀具磨损严重，远
远大于添加泡沫剂。随着泡沫剂浓度增加，刀具磨
损量显著减小，当泡沫剂浓度达到 ".H时，刀具磨
损量最小。但随着泡沫剂浓度的继续增加，刀具磨
损又有稍稍的提高。图 " 为泡沫剂浓度与磨耗比的
关系曲线。随着泡沫剂浓度增加，磨耗比增大，当浓
度达到 ".H时磨耗比最大，也就是说在此浓度条件
下切除量和刀具磨损之比最大，刀具的加工效率最
佳。试验
证明
住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问
存在一个最佳的泡沫剂浓度，在该浓
度条件下，刀具的磨损量最小，切除量最大，加工效
果最好。
图 # 泡沫剂浓度与磨损量的关系
（"）工作压力的影响
图 # 和图 $ 分别为工作压力与磨损量和磨耗比
的关系曲线。随着工作压力的增大，刀具磨损量略
%""..’ 年第 $.卷I-
万方数据
有增加，但相应岩石的切除量也增大，因此磨耗比也
有相应的增大。当达到一定压力后，随着压力增大，
刀具磨损量会急剧增加，使得磨耗比随之降低。在
本次实验条件中，工作压力超过 !"#$ 后刀具磨损
量剧增。这说明工作压力对刀具磨损和使用效果有
较大影响，工作压力过大会加剧刀具磨损。
图 ! 泡沫剂浓度与磨耗比的关系
图 " 工作压力与磨损量的关系
图 # 工作压力与磨耗比的关系
# 地铁施工现场实测的结果
目前施工中选用的 #%&’( )*+ ,-)./ 型泡沫剂
与水以 ! 0 1 的质量比稀释使用，泡沫加注系统的加
注压力为 / 23 4 / 25#$6，流量为 7// 4 7"/- 0 89:。使
用了泡沫剂后，日掘进速度最高可达到每天 .;8，刀
具使用寿命为 .//8 左右，大大提高了掘进的工作
效率，降低了刀具更换速度。
图 " 为泡沫剂流量与刀盘扭矩的关系。随着泡
沫剂流量的增加，刀盘扭矩下降，说明加注泡沫剂可
减少刀盘与土体的摩擦，有利于排土，减少所需刀盘
的驱动功率。图 ; 为现场实测的泡沫剂流量与排土
量的关系。随着泡沫剂流量的增加，排土量大幅度
提高，表明泡沫剂的使用提高了排土效率。
图 $ 泡沫剂流量与刀盘扭矩的关系
图 % 泡沫剂流量与排土量的关系
$ 结语
在盾构施工中使用泡沫剂可降低刀盘扭矩，提
高进给量，减少刀具的磨损和堵塞，保证挖掘过程的
压力，改善土体的流动性，保持开挖面稳定，提高掘
进和出土效率的目的。与加水、加泥、加高浓度泥浆
等其他方法相比，使用泡沫剂的费用稍高，但其对减
少刀具磨损、提高掘进速度的作用明显，因此有广泛
的使用和推广前景。
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第一作者：秦 哲，博士研究生，广东工业大学机电工程
学院，"!//C/ 广州市
;7 工 具 技 术
万方数据
地下盾构过程中泡沫剂对刀具耐磨性的影响
作者： 秦哲， 王成勇， 冯尚智， 陈春林
作者单位： 秦哲(广东工业大学机电工程学院,510090,广州市)， 王成勇,冯尚智(广东工业大学)， 陈
春林(广州市盾建地下工程有限公司)
刊名： 工具技术
英文刊名： TOOL ENGINEERING
年，卷(期)： 2006,40(8)
参考文献(6条)
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2.唐益群;宋永辉;周念清 土压平衡盾构在砂性土中施工问题的试验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报
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6.周文波 盾构法隧道施工技术及应用 2002
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