CN102425429A - 土压平衡盾构泵送渣土的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土压平衡盾构泵送渣土的方法，它是盾构法暗挖隧道过程中，将盾构机挖掘的渣土过滤石块后，加入添加剂对渣土进行流塑性改良后，改良后的渣土塌落度为165～185毫米，利用渣土泵及管道泵送出去；所述添加剂是水、泡沫剂、高分子聚合物、膨润土中的一种或一种以上的组合。本发明方法可在掘进同时进行渣土运输，有效地提高掘进工效；在盾构始发阶段，由于渣土泵送，可以不需要额外增加出土井，并能实现始发阶段即达到正常掘进；在出现隧道喷涌时，能连续地将渣土泵送出去，将极大地提高隧道泥浆清理的工效。

Description

土压平衡盾构泵送渣土的方法

技术领域

本发明属于盾构法暗挖隧道施工技术，具体涉及一种盾构法暗挖隧道施工时，盾构时产生的渣土的输送技术。

背景技术

盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。按照盾构机结构特点和开挖方法可有多种分类，其中最常用的是土压平衡盾构法和泥水平衡盾构法两种，两者的出渣方式也大有不同。

泥水盾构开挖主要以软土、砂层等软弱地层为主，其通过进出泥水仓的两条管道内不同浓度的泥水对仓内土体进行置换达到渣土运输的目的，采用一套较为复杂的泥水输送系统以及自动控制系统进行泥水输送，当泥水管道携带大量高浓度泥水排放至地面后，还需要进行泥水分离形成低浓度的泥水加以循环利用。

土压平衡盾构可以在除大面积硬岩地层、砂层外的大部分地层中使用，渣土被切削后进入土仓通过螺旋输送机、皮带机运输排放至盾构机后部的电瓶轨道渣车上，再经过水平轨道运输、垂直龙门吊吊运至地面倾倒在渣池内直接运出。虽然采用轨道渣车运输渣土有许多优点，如对渣土的性状无要求，适用于任何地质条件下的土压平衡盾构渣土运输，但其仍存在许多不足：第一，对于空间有限的地铁隧道或采用铺轨运输渣土时，一环掘进往往需要中途停顿更换运土渣车，两列车一进一出占用掘进时间，使得掘进效率降低；电瓶车行走的临时轨道系统一般设置简易，频繁出现脱轨也将降低施工效率。第二，重载运输渣土需要大吨位的电瓶车，垂直运输需要配备大起重能力的龙门吊，设备购置成本高。第三，渣土的水平运输对轨道要求高，如重载运输渣土的编组列车易出现溜车、脱轨等安全事故；垂直运输占用时间长，垂直起重安全隐患较多。第四，在盾构始发阶段、现场场地受限或在掘进过程中出现喷涌等特殊情况时，轨道渣土运输适应性较差，施工效率降低一倍甚至数倍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在进行土压平衡盾构时，利用泵送渣土的方法，以解决上述问题。

本发明的技术方案是：土压平衡盾构泵送渣土的方法，它是盾构法暗挖隧道过程中，将盾构机挖掘的渣土过滤石块后，加入添加剂对渣土进行流塑性改良后，改良后的渣土塌落度为165～185毫米，利用渣土泵及管道泵送出去；所述添加剂是水、泡沫剂、高分子聚合物、膨润土中的一种或一种以上的组合；所述泡沫剂选用明洁HHZ-01型泡沫剂、康达特CLB F4 AD型泡沫剂、顺富通TWL39型泡沫剂中的一种，高分子聚合物选用明洁MJ-S/N-01高分子聚合物等。

所述泡沫剂选用明洁HHZ-01型泡沫剂是东莞市明洁隧道建设材料有限公司生产制造的发泡剂，又称隧道掘进机用土壤泡沫润滑剂，是市售商品；康达特CLB F4/AD型泡沫剂是沈阳康达特化学有限公司销售的市售泡沫剂商品、顺富通TWL39型泡沫剂是北京顺富通隧道建设技术有限公司销售的市售泡沫剂商品，又称为顺富通TWL39泡沫润滑剂；所述高分子聚合物选用明洁MJ-S/N-01高分子聚合物是由东莞市明洁隧道建设材料有限公司生产制造的高分子聚合物，又称智能高分子明洁MJ-S/N-01。

在管道输送过程中，向管道内侧壁注入高压水润滑。

盾构掘进淤泥层时，渣土进行流塑性改良是：土仓中加入添加水，水的注入率是7～9％，优选是8％；在泵料斗中添加水，水的注入率是1～3％，优选是2％。

盾构掘进砂层时(中粗砂)，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加高分子聚合物和膨润土实现第一次流塑性改良；采用高分子聚合物的注入率是6～10％；膨润土的注入率是13～18％；在泵料斗中添加膨润土实现第二次流塑性改良，膨润土的添加质量/土方实体质量比为1∶45～55。

盾构掘进粉质粘土层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加水和泡沫剂实现第一次流塑性改良，水的注入率是5～9％，采用发泡倍率20～40倍的泡沫剂，注入率是20～30％；在泵料斗中添加水实现第二次流塑性改良，水的注入率是2.5～3.5％。

盾构掘进泥质粉砂岩层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加水和泡沫剂实现第一次流塑性改良，水的注入率是14～18％，采用发泡倍率20～40倍的泡沫剂，注入率是50～70％；在泵料斗中添加水实现第二次流塑性改良，水的注入率是1～3％。

盾构掘进淤泥层和砂层复合层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加水实现流塑性改良，水的注入率是3～5.5％。

盾构掘进砂层和泥质粉砂岩层的复合层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加泡沫剂、高分子聚合物；采用发泡倍率20～40倍的泡沫剂，注入率是25～30％；高分子聚合物的注入率是6～10％。

添加的高分子聚合物是高分子聚合物的水溶液；其质量浓度为0.5％。

上述注入率＝注入添加剂的体积/土方实方体积；发泡倍率＝气体体积/泡沫剂溶液体积；质量比＝添加剂质量/土方实体质量。

与轨道渣车运输渣土相比，渣土泵送是提高土压平衡盾构施工效率的有效途径，其在盾构机掘进的同时进行渣土泵送将渣土输送至地面，可节省盾构机推进后渣土运输的等待时间，减少盾构掘进循环总时间；同时也不需要大功率电瓶车进行渣土水平运输和大型龙门吊进行垂直运输，不但可以节省部分设备的投入资金，同时也大大降低了渣土运输过程中的安全风险。因此，渣土泵送的关键技术如果得以攻克，将对隧道的掘进进度、施工风险、经济成本及社会效益有至关重要的影响。

本发明巧妙地将土压平衡盾构法盾构产生的渣土改良后，提高渣土的流动性，再利用渣土泵将渣土泵送；渣土通过泵送进入渣土池后不用进行二次处理便可直接运走，因此不用配置泥水分离系统。本方法可以实现渣土的长距离的管道输送。

本发明根据地质条件，运用泡沫、高分子、膨润土等改良渣土，由现场试验研究出兼顾渣土的土舱内可掘削性和可泵特性的渣土改良方法，针对不同地层如砂层、淤泥、泥质粉砂岩、粉砂岩等，在不同改良剂、不同掺入量情况下渣土改良后的流动性、粘性、塌落度，以及流动性、粘性、塌落度随时间的变化规律。研究不同渣土颗粒级配下的泵送阻力、合适的塌落度范围、最大粒径限制，便于泵送和地面运输。

本发明方法有效地提高掘进工效；没有渣土的水平和垂直运输环节，大大降低安全风险；省去渣土水平和垂直运输环节，只需一列管片、砂浆、辅助材料运输车，不用配备渣土起吊所需的大起重能力龙门吊机，每条隧道只需一台电瓶车、一台用于吊管片等材料的小起重量的吊机，可减少设备投入及相应的作业人员；在盾构始发阶段，由于渣土泵送，可以不需要额外增加出土井，并能实现始发阶段即达到正常掘进；在出现隧道喷涌时，能连续地将渣土泵送出去，将极大地提高隧道泥浆清理的工效。

附图说明

图1本发明方法系统构成示意图。

具体实施方式

实现本发明方法的系统构成如图1所示，它包括盾构机配套的土仓(图中未示)，土仓前端设有振动筛网(用于过滤石块)它是现有的结构；土仓的出料设置的渣土皮带运输装置100，渣土皮带运输装置100的出料口101下放设置的渣土泵送车200，渣土泵送车200上设泵料斗201，泵料斗201出料连接联通渣土泵202，渣土泵202输出连接联通管道203，管道203上连接有注水环204。注水环204是在管道壁上设置的喷嘴，可以向管道内喷注高压水对管道中的渣土进行润滑。管道203上连接有控制阀205。

根据地质条件，运用泡沫、高分子、膨润土等改良渣土，由现场试验研究出兼顾渣土的土舱内可掘削性和可泵特性的渣土改良方法，针对不同地层如砂层、淤泥、泥质粉砂岩、粉砂岩等，在不同改良剂、不同掺入量情况下渣土改良后的流动性、粘性、塌落度，以及流动性、粘性、塌落度随时间的变化规律。研究不同渣土颗粒级配下的泵送阻力、合适的塌落度范围、最大粒径限制，便于泵送和地面运输。提出渣土泵送工艺的地质适用范围及相对应的渣土改良方法，具体如下：

1、盾构掘进淤泥层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加水，水的注入率是7～9％，优选是8％，提高其流动性后，通过渣土皮带运输装置100送入泵料斗，再在泵料斗中添加水，水的注入率是1～3％，优选是2％。

2、盾构掘进砂层时(中粗砂层)，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入明洁HHZ-01型泡沫剂、明洁MJ-S/N-01高分子聚合物和膨润土实现第一次流塑性改良；明洁HHZ-01型泡沫剂的注入率是10％～14％，优选12％，发泡倍率20倍，泡沫剂原液体积浓度3.5％；高分子聚合物的注入率是6％～10％，优选8％；膨润土的注入率是13～18％，优选15％；所述高分子聚合物是高分子聚合物的水溶液；其质量浓度为：0.5％。膨润土是以膨润土的水混合物加入，混合物中膨润土与水的质量比是1∶4。提高其流动性后，通过渣土皮带运输装置100送入泵料斗，再在泵料斗中添加膨润土实现第二次流塑性改良，膨润土的添加质量/土方实体质量比为1∶45～55，优选1∶50。

3、盾构掘进粉质粘土层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加水和明洁HHZ-01型泡沫剂实现第一次流塑性改良，水的注入率是5～9％，优选7.5％，泡沫剂原液体积浓度4％，发泡倍率25倍，注入率是20～30％，优选25％；提高其流动性后，通过渣土皮带运输装置100送入泵料斗，再在泵料斗中添加水实现第二次流塑性改良，水的注入率是2.5～3.5％，优选3％。

4、盾构掘进泥质粉砂岩层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加水和明洁HHZ-01型泡沫剂实现第一次流塑性改良，水的注入率是14～18％，优选15.6％，采用发泡倍率20倍的泡沫剂，注入率是50～70％，优选60％；提高其流动性后，通过渣土皮带运输装置100送入泵料斗，再在泵料斗中添加水实现第二次流塑性改良，水的注入率是1～3％，优选2％。

5、盾构掘进淤泥层和砂层复合层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加水实现流塑性改良，水的注入率是3～5.5％，优选4.3％。

6、盾构掘进砂层和泥质粉砂岩层的复合层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加明洁HHZ-01型泡沫剂、明洁MJ-S/N-01高分子聚合物；采用发泡倍率20倍的泡沫剂，注入率是25～30％，优选27％；高分子聚合物的注入率是6～10％，优选8％。高分子聚合物是高分子聚合物的水溶液；其质量浓度为：0.1％。

上述1、注入率＝注入添加剂的体积/土方实方体积；发泡倍率＝气体体积/泡沫剂溶液体积；质量比＝添加剂质量/土方实体质量。

上述改良后的渣土的塌落度为165～185毫米。

使用本发明方法用于土压平衡盾构泵送渣土，较电瓶轨道渣车输送：始发阶段本发明出渣工效是电瓶车土斗出土工效的1.4倍。电瓶车土斗出渣工艺总费用是泵送出渣工艺总费用的1.3倍。

Claims (10)

1.一种土压平衡盾构泵送渣土的方法，它是盾构法暗挖隧道过程中，将盾构机挖掘的渣土过滤石块后，加入添加剂对渣土进行流塑性改良后，改良后的渣土塌落度为165～185毫米，利用渣土泵及管道泵送出去；所述添加剂是水、泡沫剂、高分子聚合物、膨润土中的一种或一种以上的组合；所述泡沫剂选用明洁HHZ-01型泡沫剂、康达特CLB F4 AD型泡沫剂和顺富通TWL39型泡沫剂中的一种，高分子聚合物选用明洁MJ-S/N-01高分子聚合物。

2.如权利要求1所述土压平衡盾构泵送渣土的方法，其特征是在管道输送过程中，向管道中添加水润滑。

3.如权利要求1所述土压平衡盾构泵送渣土的方法，其特征是盾构掘进淤泥层时，渣土进行流塑性改良是：土仓中加入添加水，水的注入率是7～9％，在泵料斗中添加水，水的注入率是1～3％。

4.如权利要求1所述土压平衡盾构泵送渣土的方法，其特征是盾构掘进砂层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加泡沫剂、高分子聚合物和膨润土实现第一次流塑性改良；泡沫剂的注入率是10％～14％，发泡倍率20倍，高分子聚合物的注入率是6～10％；膨润土的注入率是13～18％；在泵料斗中添加膨润土实现第二次流塑性改良，膨润土的添加质量/土方实体质量比为1∶45～55。

5.如权利要求1所述土压平衡盾构泵送渣土的方法，其特征是盾构掘进粉质粘土层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加水和泡沫剂实现第一次流塑性改良，水的注入率是5～9％，采用发泡倍率25倍的泡沫剂，注入率是20～30％；在泵料斗中添加水实现第二次流塑性改良，水的注入率是2.5～3.5％。

6.如权利要求1所述土压平衡盾构泵送渣土的方法，其特征是盾构掘进泥质粉砂岩层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加水和泡沫剂实现第一次流塑性改良，水的注入率是14～18％，采用发泡倍率15倍的泡沫剂，注入率是50～70％；在泵料斗中添加水实现第二次流塑性改良，水的注入率是1～3％。

7.如权利要求1所述土压平衡盾构泵送渣土的方法，其特征是盾构掘进淤泥层和砂层复合层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加水实现流塑性改良，水的注入率是3～5.5％。

8.如权利要求1所述土压平衡盾构泵送渣土的方法，其特征是盾构掘进砂层和泥质粉砂岩层的复合层时，渣土进行流塑性改良是：在土仓中加入添加泡沫剂、高分子聚合物；采用发泡倍率15倍的泡沫剂，注入率是25～30％；高分子聚合物的注入率是6～10％。

9.如权利要求4所述土压平衡盾构泵送渣土的方法，其特征是添加的高分子聚合物是高分子聚合物的水溶液；其质量浓度为：0.5％；所述膨润土是膨润土的水混合物加入，混合物中膨润土与水的质量比是1∶2～6。

10.如权利要求8所述土压平衡盾构泵送渣土的方法，其特征是添加的高分子聚合物是高分子聚合物的水溶液；其质量浓度为：0.1％。