含水砂层EPB盾构掘进用泡沫剂选择标准及调节土体力学性能评价

地下泡沫为什么重要

现代城市依赖地铁和各种地下管廊，其中许多由巨型掘进机犁过土体而形成。当这些盾构在疏松、饱和的含水砂中工作时，地层表现得更像流沙而非坚实土体，存在塌陷、涌水和昂贵工期延误的风险。本研究探讨了如何利用精心设计的泡沫——本质上是受控的气泡——来驯服这种难以处理的砂土，使隧道面保持稳定，帮助机器安全、高效地推进。

穿越湿弱砂层的挑战

本文研究的盾构类型称为土压平衡（EPB）盾构。它在推进过程中通过对隧道面加压来保持平衡。在含水砂中，开挖出来的土体渗透性大、颗粒粗且粘结性低、内摩擦高。水会涌入掘进机的螺旋输送器，松散的砂土易形成拱撑或堵塞。为避免这些问题，操作者向新鲜开挖的土体注入调理剂，如泡沫。目标是把粗糙、漏水的砂土变成一种平滑、膏状的混合物，能够安全承压、在设备内流动并顺利排出，避免堵塞或突发的涌水涌土。

测试多种“气泡配方”

研究人员检验了八种商品化泡沫剂——即与水和空气反应产生气泡的化学配方。他们用定制泡沫发生器和若干实验室仪器测量泡沫溶液的关键性能，包括表面张力（影响气泡生成的难易）、泡沫膨胀比（单位液体体积能产生的泡沫体积）、在玻璃管中泡沫崩塌的速率，以及泡沫半衰期（表示一半泡沫在多长时间内消失）。通过改变每种泡沫剂的浓度，研究者找到了一个“最佳区间”，在该区间气泡既容易形成又保持稳定，同时避免材料浪费。

从气泡性能到地层表现

仅有优良的泡沫品质还不够，它必须切实改善出土砂的性质。团队选取了三种代表性泡沫剂，将其泡沫与来自中国南昌某地铁工点的差配土、含水量高的砂混合，然后用一系列简便但信息量大的试验评估处理后土体的表现。坍落度试验用于检测调理土在自重作用下的展开程度，以判断可流动性；加压渗透试验表明混合物允许水通过的难易；微型剪切叶片试验测量饱和无排水剪切强度，衡量调理土在仍呈塑性状态下抵抗变形的能力。通过调整注泡量，研究者使土体性能落入已知对EPB掘进安全可行的范围内。

为工程挑对泡沫

基于这些实验，作者归纳出实用的选择规则。有效的泡沫剂在约3%水溶液浓度下，应能将表面张力降至40 mN/m以下，产生的泡沫膨胀比超过液体体积的12倍，在标准试验中15分钟后仍保持至少150 mL的泡沫，并且半衰期应超过400秒。他们还发现，体积随时间衰减呈缓凹形（即先慢后快）曲线的泡沫，性能通常优于那种线性且迅速衰减的泡沫。当此类泡沫以合适体积注入——通常约占出土体积的20–25%时——处理后土体表现出150–200 mm的坍落度、极低的渗透性和适度的剪切强度，这些特征有利于设备平稳受控运行。

对更安全隧道的意义

对非专业读者而言，关键信息是并非所有气泡都相同。通过精确调控泡沫制备并用明确的数值阈值来选择泡沫剂，工程师可以将麻烦的含水砂转变为一种能承压、像浓奶油般流动并抵抗危险渗漏的可控材料。本研究提供了一套标准化的泡沫剂选择与检测方法，减少施工现场的反复试错，有助于保护施工人员、地面道路和附近建筑，在为城市开辟新的地下空间时提高安全性。

引用: Zhou, Y., Zhu, B., Luo, R. et al. Selection criteria for foaming agent and mechanical performance evaluation of conditioned soil for EPB shield tunneling in water-rich sand strata. Sci Rep 16, 12331 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38868-y

关键词: 隧道掘进, 土体调理, 泡沫剂, 含水砂, 地下施工