《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：The study of foam stability during EPB shield tunnelling based on surface tension and a new half-life time measurement method
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泡沫稳定性对盾构隧道掘进影响显著，现有半衰期（hlt）测试方法存在容器直径不统一、泡沫初始重量固定导致难以区分影响因子的问题。本文通过实验室对比实验提出新测试方法，控制泡沫柱高度恒定，使初始泡沫重量随膨胀比（FER）变化，揭示hlt与剂浓度（Cf）及FER的非线性关系：Cf＞3%时hlt随FER增大而增加，Cf＜1%时则降低。研究结果结合表面张力及表面活性剂分子分布分析，明确不同hlt对应四种排水模式，为建立标准化hlt测试方法提供理论依据。
陈中天|何川|方勇|Adam Bezuijen|崔健
西南交通大学，智能岩土与隧道国家重点实验室，中国成都610031
摘要
泡沫在土压平衡（EPB）盾构隧道施工中得到广泛应用，其稳定性是确保从切头到螺旋输送机出口处土壤条件有效保持的关键因素。通常采用半衰期（hlt）测试来评估泡沫的稳定性。本研究通过大量实验室实验揭示了现有hlt测量方法的局限性。现有方法未对测试设备的直径进行规范，且较大的测试圆柱体会导致hlt值缩短。此外，固定初始泡沫重量会妨碍对泡沫膨胀率（FER）对hlt影响的清晰评估，因为难以区分观察到的hlt差异是由泡沫柱高度还是泡沫本身的稳定性造成的。为避免这些局限性，本文提出了一种新的hlt测量方法，该方法依赖于在固定泡沫柱高度下监测泡沫的排水情况，从而使得泡沫重量随FER的变化而变化。结果表明，当发泡剂浓度（Cf）超过3%时，泡沫的hlt会随FER增加；而当Cf低于1%时，hlt会随FER增加。对于FER值低于10的情况，hlt随Cf增加直至约3%时趋于稳定；而对于较高的FER值，hlt在0.5%–5%的范围内持续增加。表面张力测量表明，这种对比趋势是由于表面活性剂分子在泡沫膜上的分布所致。此外，发现泡沫的排水模式存在四种不同类型，对应于不同的稳定性水平。
引言
在EPB盾构隧道施工中，通过向切头前方、挖掘腔内及螺旋输送机沿线注入化学添加剂来对土壤进行改良。泡沫是最常用的添加剂之一，它由发泡剂、水和空气生成。经过适当改良的泡沫应具有较低的渗透性以限制水流（Hu等人，2020年；Wang等人，2021a年），合适的压缩性有利于隧道面处的压力控制（Mori等人，2018年；Wang等人，2021b年），适当的稠度以确保物料流动并防止堵塞（Thewes和Hollmann等人，2016年），以及保证螺旋输送机沿线的压力降（Merritt和Mair，2006年；Peila等人，2007年）。
在实际的盾构隧道施工过程中，泡沫最初在切头处注入，并与隧道面及挖掘腔内的土壤混合，随后通过螺旋输送机排出。为了实现有效的泡沫改良，整个过程中必须保持泡沫的稳定性。尽管已有大量关于土壤改良的研究（Zumsteg和Puzrin，2012年；de Oliveira等人，2019年；Avunduk等人，2021年；Kang等人，2022年；Wang等人，2023年），但专门研究泡沫稳定性的研究相对较少。在隧道领域，泡沫稳定性通常通过半衰期（hlt来量化，即泡沫排空其初始重量一半所需的时间。欧洲国家混凝土协会联合会（EFNARC）推荐了一种广泛使用的设备，该设备使用80克泡沫来测量hlt，并记录排水重量降至40克所需的时间（EFNARC，2005年）。Bezuijen等人（1999年）报告称，泡沫-沙混合物中的泡沫比单独的泡沫更稳定。Li等人（2022年）观察到，由1%发泡剂溶液生成的泡沫的hlt明显短于高浓度发泡剂生成的泡沫。Thewes等人（2012年）通过hlt测试研究了泡沫的渗透性，发现更细小的气泡会导致更低的渗透性。Thewes等人（2010年）定性讨论了泡沫枪、泵送压力和发泡剂参数对泡沫稳定性的影响。Parikh（2017年）发现较大的压力降会导致泡沫发生器中的流速增加，从而减小气泡尺寸，尽管他对hlt的研究较为有限。Carigi等人（2022年）指出，泡沫发生器中的高流速可能会产生更稳定的泡沫。Bahrami等人（2024年）证明了流速与泡沫稳定性之间的相关性，对改良土壤的泡沫进行的测试表明，流速导致的稳定性差异在坍落度测试结果中比在叶片剪切测试结果中更为明显。El Souwaissi等人（2023年）发现，通过排水重量测得的hlt值比通过泡沫体积测得的hlt值短，但两种测量方法得出的产品稳定性排名保持一致。此外，还通过分析泡沫气泡图像研究了泡沫稳定性。Wu等人（2018年）发现，基于排水液体损失的hlt显著短于基于泡沫体积损失的hlt，并观察到泡沫在压力下更稳定。Wu等人（2020年）基于气泡-颗粒图像的分析表明，泡沫与沙子混合后更加稳定。Zhao等人（2021年）报告称某些防堵剂会降低泡沫稳定性。尽管报道较少，但混合方法和Ross-Miles方法也被用于研究隧道施工中的hlt（Tao等人，2019年；Sun等人，2023年）。
上述研究提供了有价值的结论，但由于测试设备尺寸的差异，其他研究人员往往难以将这些定量结果应用于比较或后续研究（如表1所示）。Wu等人（2018年）通过使用不同尺寸的圆柱体进行测试发现，较高的泡沫柱会导致更长的hlt，而圆柱体直径对hlt影响不大。因此，EFNARC（2005年）推荐的80克泡沫用量使得难以区分不同FER泡沫的hlt差异是由泡沫本身还是不同泡沫柱高度引起的。尽管hlt是泡沫改良中的一个重要参数，但当前的标准缺乏建立通用测量方法所需的特异性，导致相关研究进展较为孤立。这种标准化缺失限制了hlt相关研究的进步。此外，尽管隧道领域的研究人员已经开始认识到表面张力在泡沫改良中的重要性（Wu等人，2020年；Li等人，2022年；Feng等人，2023年），但只有少数研究通过表面张力测量成功解释了泡沫稳定性（Chen等人，2026年）。
本文使用多种方法进行了广泛的hlt测试，并评估了这些方法在盾构隧道施工中的适用性。本文提出了一种规范化的hlt测量设备及其相应的测试程序。详细探讨了发泡剂浓度和泡沫膨胀率对hlt的影响，并通过发泡剂溶液的表面张力和泡沫膜上表面活性剂分子的分布成功解释了测试结果。同时揭示了不同稳定性水平下的泡沫排水模式。本研究的结果为研究人员提供了对泡沫稳定性的更好理解，并提供了比较文献中报告的不同hlt值的方法。所提出的测试方法可以作为标准化程序，改进现有的EFNARC（2005年）指南。
测试材料
本研究共测试了12种发泡剂产品，所有产品均适用于沙质和非粘性土壤，其主要有效化学成分是阴离子表面活性剂。这些产品呈无色至淡黄色液体，pH值在7到8之间，密度约为1克/立方厘米。为避免广告宣传，这些产品被标记为产品1至产品12。发泡剂的表面张力采用铂板法进行测量。
混合方法和Ross-Miles方法
图7展示了通过混合方法和Ross-Miles方法生成的泡沫的hlt和FER。对于这两种方法，hlt随Cf增加并在约3%时趋于稳定。在混合测试中，FER随浓度增加而增加，最高可达3%，表明发泡能力增强。然而，最大FER仍低于5%，超出了盾构隧道施工推荐的5–30范围（EFNARC，2005年）。在Ross-Miles测试中，不同浓度下的FER值约为22，没有明显变化。不同条件下的hlt值
在新方法中，首先进行最大FER测试以确定不同发泡剂浓度下的可行FER范围。这些测试通过将液体流速控制在1.2升/分钟的恒定值，同时逐渐增加泡沫生成设备中的空气流速来进行。最大FER是通过测量700毫升容器内的最低泡沫重量获得的。图11的结果表明，最大FER随浓度逐渐增加。局限性与讨论
本研究的主要目的是提供一种可靠的hlt测量方法，而非提出一个通用的发泡剂浓度，因为最佳浓度可能因国家而异。由于环境保护要求和政府法规，某些国家可能对发泡剂浓度有所限制。发泡剂制造商可能会通过采用不同的化学成分来降低所需浓度。
结论
半衰期（hlt）是泡沫的一个关键参数，在EPB盾构隧道施工中得到广泛应用。本研究探讨了现有hlt测量方法的局限性，包括混合方法、Ross-Miles方法和EFNARC（2005）方法。混合方法和Ross-Miles方法中的泡沫生成过程与盾构隧道施工中的过程不同，且这两种方法都无法控制FER。EFNARC（2005）方法未规定测试设备的直径；使用
CRediT作者贡献声明
陈中天：撰写——原始草案，方法论。何川：监督。方勇：资源，方法论。Adam Bezuijen：监督。崔健：资源。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家杰出青年科学基金（52425807）、四川省自然科学基金（2024NSFTD0013）和四川省“顶尖青年”优秀科技创新人才专项（DQ202403）、中央高校基本科研业务费（A0920502052501-139）、中国博士后科学基金资助项目（GZB20250745，2025M773220）的支持。
