CN103074070B - 一种土压平衡盾构泥浆改良剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土压平衡盾构泥浆改良剂及其制备方法，所述土压平衡盾构泥浆改良剂由以下重量份数的原料制成：纯碱0.1-0.5份；钠基膨润土25-50份；粘土5-15份；羟丙基瓜尔胶1-4份；羧甲基纤维素钠2-5份；水1000份；该土压平衡盾构泥浆改良剂的制备方法包括钠基膨润土浆液的配制、羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液的配制等工艺步骤；本发明所提供的泥浆改良剂，在北京砂卵石地层盾构施工中改良效果明显，能够满足现场施工需要，具有性能优越、价格合理、施工方便、安全环保等特点。

Description

一种土压平衡盾构泥浆改良剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种土压平衡盾构泥浆改良剂及其制备方法，属于材料技术领域。

背景技术

土压平衡盾构已在北京地铁施工中得到广泛应用，并取得了巨大的经济和社会效益。然而由于北京地层的特殊性，即砂砾石和砂卵石含量相对较高，土体的塑流性较差，因而容易造成开挖面失稳，压力舱闭塞、压力舱结饼、喷涌、刀盘磨损严重等砂性土层施工中经常遇到的技术难题。因此，为了保证盾构施工的正常进行，土体必须具有良好的塑流性，同时具有低的透水性以阻止地下水。为此，必须采用塑流化技术，即向开挖面、土压仓（必要时向螺旋输送机）注入改性材料（如泥浆、泡沫等），以保证开挖面稳定，实现土压平衡掘进，同时有利于降低机械负荷，减小地面沉降，提高掘进速度。随着盾构技术在北京地铁施工中的不断应用，虽然积累了丰富经验并在某些技术层面取得重大突破，但要成功、经济地使用土压平衡盾构仍离不开土体改良技术的创新和合理应用。

膨润土是泥浆改良剂最主要的原材料，分为钠基膨润土、钙基膨润土、氢基膨润土等，其中钠基膨润土为主要的盾构土体改良材料，它是以蒙脱石为主要成分的非金属粘土类矿物，蒙脱石具有很强的吸附功能，使得膨润土具有很强的膨胀能力。从微观结构来看，钠基膨润土的单位结构层间能吸附大量的水，膨胀率高。膨润土水化后形成不透水的可塑性胶体，同时挤占与之接触的土颗粒之间的孔隙，形成致密的不透水的防水层，从而达到防水的目的。

土压平衡盾构施工对加入的膨润土泥浆的一个基本要求就是它能够形成“滤饼”，可以形成于土粒内部和土粒之间，由胶结和固结的膨润土组成。这个“滤饼”可以演变为一个低渗透性的薄膜，从而可以将过量的地下水压力中的液体压力转化为土颗粒和土颗粒之间的有效应力，这可以稳定地层并防止推进中的地面塌陷。

由于膨润土的高吸湿膨胀性和自封闭性，遇水时膨润土会极大的膨胀，其密度越大膨胀倍数越大，这样渗流通道就越窄，通过这个方式膨润土泥浆就极大的降低了土体的渗流系数。

膨润土泥浆是砂卵石地层的主要改良剂，工程实践中采用的泥浆为膨润土和水组成的分散泥水体系，组成简单，功能单一，存在着废弃泥浆排放量大、浆液指标难控制、泥水处理占地多、新浆材料用量大及污染环境等方面的问题。特别是在复杂地质条件下进行盾构施工以及盾构推进较快时，开挖面稳定较难控制，不利于地面建筑物和管线的保护。因此，有必要在钻井泥浆技术的基础上，利用已建立的改良评价体系，研制一种兼具矿物类改良材料和水溶性高分子类改良材料为一体的新型泥浆改良剂，对节约材料，保护环境，以及土压平衡盾构的推广应用均具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种土压平衡盾构泥浆改良剂及其制备方法，通过这种方法制作的泥浆改良剂改良效果明显，能够满足现场施工需要，具有性能优越、价格合理、施工方便、安全环保等特点，解决了北京砂卵石地层盾构施工中存在的土体改良技术的一些问题。

为达到上述目的，本发明提供一种土压平衡盾构泥浆改良剂，所述土压平衡盾构泥浆改良剂由以下重量份数的原料制成：

优选地，其中所述土压平衡盾构泥浆改良剂由以下重量份数的原料制成：

优选地，其中所述钠基膨润土的粒度为200目。

优选地，其中所述粘土的粒度为4～6mm。

优选地，其中所述羟丙基瓜尔胶的粒度为100目的淡黄色粉末，其表观粘度为100mpa·s。

本发明还提供上述土压平衡盾构泥浆改良剂的制备方法，包括以下步骤：

1）钠基膨润土浆液的配制：在膨润土泥浆搅拌罐内注入二分之一配方量的水，将配方量的纯碱以及钠基膨润土依次均匀加入到该搅拌罐内，边加入边以145-155r/min搅拌，至钠基膨润土溶解，不存在结块；

2）把配方量的粘土缓慢加入到上述搅拌罐内，以145-155r/min搅拌均匀；

3）羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液的配制：在强力搅拌机内注入四分之一配方量的水，然后将二分之一配方量的羟丙基瓜尔胶以及羧甲基纤维素钠依次通过筛子均匀散落入该强力搅拌机中；

4）把步骤3）中配制的羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液加入到步骤1）中配制好的膨润土浆液中，以145-155r/min搅拌均匀；

5）重复步骤3），再配制同样的羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液，加入到步骤4）所配制的浆液中（主要是为了使配方材料充分溶解，一次加入过多容易结块，尤其是瓜尔胶，所以分两次加入），以145-155r/min搅拌均匀，以得到所述泥浆改良剂。

优选地，其中步骤3）中所述羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液的配制为：在强力搅拌机内注入四分之一配方量的水，转速设定为250-280r/min，并在强力搅拌机上方布置孔径为2-4mm的筛子，然后将二分之一配方量的羟丙基瓜尔胶以及羧甲基纤维素钠依次通过筛子均匀散落入该强力搅拌机中，转速调整为280-300r/min，并搅拌5-7min。

本发明所提供的土压平衡盾构泥浆改良剂，其中纯碱的主要作用是：①使膨润土进一步钠化提高造浆率，减小滤失量；②调节泥浆pH值保持在8～10之间，在此pH条件下的粘土水化膜厚度大，泥浆胶体率和稳定性高；③促进植物胶溶解和液相粘度的提高。

本发明所提供的土压平衡盾构泥浆改良剂，其中膨润土具有很强的吸湿性，能吸附相当于自身体积8～20倍的水而膨胀至30倍；在水介质中能分散成胶体悬浮液，并具有一定的触变性、粘滞性和润滑性，它和泥沙等的掺和物具有粘结性和可塑性，有较强的阳离子交换能力和吸附能力。

本发明所提供的土压平衡盾构泥浆改良剂，其中粘土颗粒在遇水后，表面形成一定厚度的水化层，未水化的内核仍坚硬。这些颗粒充填在砂卵石颗粒中间，可以弥补卵石地层缺失的细颗粒，类似一个滚动轴承，起到减阻润滑效果。在泥浆携带功能的共同作用下，土体塑流性得到增强，在减轻刀具及螺旋输送机具的磨损、降低刀盘和螺旋输送机的驱动力矩，减少电力消耗等方面可以发挥重要作用。

本发明所提供的土压平衡盾构泥浆改良剂，其中羟丙基瓜尔胶是一种改性瓜尔胶，遇水能溶胀水合形成高粘度的胶液，属于假塑性非牛顿流体，粘度随剪切速率的增加而降低，即有剪切稀释性。该羟丙基瓜尔胶与水混合后形成的凝胶可与硼砂、重铬酸钾等多种化学试剂发生交联作用，形成具有一定粘弹性的非牛顿水基凝胶。相比于普通瓜尔胶，羟丙基瓜尔胶在性能上更加优越，结块现象得到很大缓解，粘度也较易控制。

本发明所提供的土压平衡盾构泥浆改良剂，其中羧甲基纤维素钠具有假塑性以及剪切稀释的特点，即粘度随剪切速率的增加而减小，这有利于搅拌、均质、泵输送等生产过程的进行，而当剪切力停止后粘度可恢复，能使产品具有良好的稳定性。

本发明的优点在于：本发明中所制备的泥浆改良剂为兼具矿物类改良材料和水溶性高分子类改良材料特性的土体改良剂，属于低固相聚合物新型盾构泥浆。针对地铁施工对泥浆环保性要求高的特点，采用了羟丙基瓜尔胶来提高泥浆的性能，瓜尔胶是一种天然的半乳甘露聚糖类植物胶，其特点为粘度高，性能优越，无毒无害，可自行降解；并且针对北京地区砂卵石地层特性，在泥浆中添加了适量的粘土颗粒，粘土颗粒遇水后，表面形成一定厚度的水化层，而未水化的内核仍保持坚硬。这些颗粒充填在砂卵石颗粒中间，可以弥补卵石地层缺失的细颗粒，起到减阻润滑效果。在泥浆携带功能的共同作用下，土体塑流性得到增强，在减轻刀具及螺旋输送机具的磨损、降低刀盘和螺旋输送机的驱动力矩，减少电力消耗等方面可以发挥重要作用。

具体实施方式

为详细说明本发明的各种有效组分组成、制备方法，列举如下实施例详细说明。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例的土压平衡盾构泥浆改良剂，由以下重量份数的原料制成：

其中，粘土（颗粒状，4～6mm）购自河北省灵寿县诚恒矿物粉体厂；羧甲基纤维素钠和羟丙基瓜尔胶购自河北省任丘市燕兴化工有限公司；钠基膨润土购自山东华潍膨润土有限公司。

上述土压平衡盾构泥浆改良剂的制备方法，包括以下步骤：

1）钠基膨润土浆液的配制：在膨润土泥浆搅拌罐内注入500份水，把0.2份纯碱以及40份钠基膨润土依次均匀加入到搅拌罐内，边加入边以150r/min搅拌，至钠基膨润土溶解，不存在结块；

2）将10份粘土（颗粒状，4～6mm）缓慢加入到上述搅拌罐内，以150r/min搅拌；

3）羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液的配制：在强力搅拌机内注入250份水，转速设定为250r/min，并在强力搅拌机上方布置孔径为1-3mm的筛子，然后将1.25份羟丙基瓜尔胶以及2份羧甲基纤维素钠依次通过筛子均匀散落入该强力搅拌机中，转速调整为300r/min，并搅拌5min；

4）把步骤3）中配制的羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液加入到步骤1）中配制好的膨润土浆液中，以150r/min搅拌；

5）重复步骤3），再配制同样的羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液，加入到步骤4）所配制的浆液中，以150r/min搅拌均匀，以得到所述土压平衡盾构泥浆改良剂。

实施例2

本实施例的土压平衡盾构泥浆改良剂，由以下重量份数的原料制成：

其中，粘土（颗粒状，4～6mm）购自河北省灵寿县诚恒矿物粉体厂；羧甲基纤维素钠和羟丙基瓜尔胶购自河北省任丘市燕兴化工有限公司；钠基膨润土购自山东华潍膨润土有限公司。

上述土压平衡盾构泥浆改良剂的制备方法，包括以下步骤：

1）钠基膨润土浆液的配制：在膨润土泥浆搅拌罐内注入500份水，把0.5份纯碱以及50份钠基膨润土依次均匀加入到搅拌罐内，边加入边以150r/min搅拌，至钠基膨润土溶解，不存在结块；

2）将5份粘土（颗粒状，4～6mm）缓慢加入到上述搅拌罐内，以150r/min搅拌；

3）羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液的配制：在强力搅拌机内注入250份水，转速设定为250r/min，并在强力搅拌机上方布置孔径为1-3mm的筛子，然后将1份羟丙基瓜尔胶以及2份羧甲基纤维素钠依次通过筛子均匀散落入该强力搅拌机中，转速调整为300r/min，并搅拌5min；

4）把步骤3）中配制的羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液加入到步骤1）中配制好的膨润土浆液中，以150r/min搅拌；

5）重复步骤3），再配制同样的羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液，加入到步骤4）所配制的浆液中，以150r/min搅拌均匀，以得到所述土压平衡盾构泥浆改良剂。

实施例3

本实施例的土压平衡盾构泥浆改良剂，由以下重量份数的原料制成：

其中，粘土（颗粒状，4～6mm）购自河北省灵寿县诚恒矿物粉体厂；羧甲基纤维素钠和羟丙基瓜尔胶购自河北省任丘市燕兴化工有限公司；钠基膨润土购自山东华潍膨润土有限公司。

上述土压平衡盾构泥浆改良剂的制备方法，包括以下步骤：

1）钠基膨润土浆液的配制：在膨润土泥浆搅拌罐内注入500份水，把0.2份纯碱以及40份钠基膨润土依次均匀加入到搅拌罐内，边加入边以150r/min搅拌，至钠基膨润土溶解，不存在结块；

2）将5份粘土（颗粒状，4～6mm）缓慢加入到上述搅拌罐内，以150r/min搅拌；

3）羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液的配制：在强力搅拌机内注入250份水，转速设定为250r/min，并在强力搅拌机上方布置孔径为1-3mm的筛子，然后将1.25份羟丙基瓜尔胶以及1份羧甲基纤维素钠依次通过筛子均匀散落入该强力搅拌机中，转速调整为300r/min，并搅拌5min；

4）把步骤3）中配制的羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液加入到步骤1）中配制好的膨润土浆液中，以150r/min搅拌；

5）重复步骤3），再配制同样的羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液，加入到步骤4）所配制的浆液中，以150r/min搅拌均匀，以得到所述土压平衡盾构泥浆改良剂。

实施例4

搅拌试验：土体搅拌试验主要是模拟压力舱中土体的搅拌过程。利用搅拌机的搅拌过程模拟土压平衡盾构压力舱中的土体搅拌过程，来评价所研制的改良剂对模拟土体的改良效果。

实验设备

搅拌机：本次试验中使用的搅拌机属于小型搅拌机，搅拌机额定功率1000w，搅拌桶为圆柱体，高25.5cm，直径38.5cm，搅拌土体体积3L~10L。

功率表：用来测定搅拌机搅拌时所消耗的功率，量程为10kW，精确值为0.001kW。

辅助设备：塑料量杯（1000ml），用来测量土体体积；取土器（小铲），用来取土；毛刷，用来清洗搅拌机。

实验步骤

将砂卵石土体平均分成4组，每组3份，第一组、第二组、第三组分别用于本品的实施例1、实施例2、实施例3的试验，第四组用于工地用泥浆改良剂（其配方为：钠基膨润土150～200份；水1000份），并分别标号。用塑料量杯量出1000ml的土体倒入搅拌机中，搅拌3分钟，待功率表读数稳定后停止搅拌，记录读数稳定时的搅拌功率。分别加入按砂卵石土体质量计26%的各泥浆改良剂，用搅拌机搅拌土体，搅拌3分钟，待功率表读数稳定后停止搅拌，记录读数稳定时的搅拌功率，结果取其平均值。结果见表1。

表1

其中，加泥浆后的净搅拌功率，为加入泥浆进行土体改良后的总搅拌功率扣除克服搅拌机自身阻力产生的功率（空转功率）所得的功率就是加泥浆后的净搅拌功率，记为P_净，即P_净＝P_总-P_空。

从表1可以看出，本发明实施例1~3制备的土压平衡盾构泥浆改良剂处理过的砂卵石土体净搅拌功率低于工地用泥浆，说明加入本发明改良剂后的土体改良效果良好。

实施例5

摩擦系数试验设计的主要目的是模拟螺旋出土器的排土过程中土体与钢材摩擦的过程，通过测量土体与钢材的外摩擦角，得出土体与钢材的摩擦系数，摩擦系数可以直接反应螺旋排土过程需要克服的摩擦力大小，以此来判断土体排出压力舱的难易程度。

摩擦系数试验步骤

将塑料圆环置于不锈钢板上，分别将搅拌试验中的各组改良后的砂卵石土体加入塑料圆环中，将塑料圆环上部抹平。将钢板一端固定，另一端缓慢提起，当装有改良土体的圆环开始滑动时停止继续上提。测定此时钢板倾斜的角度，即为改良土体与钢板的外摩擦角。改良土体与钢板的摩擦系数可以通过以下公式求得。结果取其平均值。结果见表2。

f=tanφ

f—改良土体与钢板的摩擦系数。

φ—改良土体与钢板的外摩擦角。

表2

从表2可以看出，本发明实施例1~3制备的土压平衡盾构泥浆改良剂处理过的砂卵石土体摩擦系数低于工地用泥浆，说明加入本发明改良剂后的土体改良效果良好。

实施例6

塌落度试验能够用来初步评定改良土体的流动状态。

塌落度试验采用标准的试验设备，即使用标准塌落筒，其规格是：①坍落筒，上口直径100，下口直径200，筒高300。②捣棒，直径16，长650，并具有半球形端头的钢制圆棒。

塌落度的测试方法：分别向喇叭筒内灌入搅拌试验中的各组改良后的砂卵石土体，分三层填装，每次填装后用捣锤沿桶壁均匀由外向内击25下，捣实后，抹平。然后拔起桶,各组改良土体因自重产生塌落现象，用桶高(300mm)减去塌落后土体的最高点的高度，称为塌落度。结果见表3。

表3

从表3可以看出，本发明实施例1~3制备的土压平衡盾构泥浆改良剂处理过的砂卵石土体塌落度高于工地用泥浆，说明加入本发明改良剂后的土体改良效果良好。

以上所述，仅为本发明的实施例，应当指出，对于本技术中的普通技术人员来说，在不脱离本发明的核心技术特征的前提下，还可以做若干的改进和润饰，这些润饰和改进也应属于本发明的专利保护范围。

Claims (2)

1.一种土压平衡盾构泥浆改良剂，其特征在于，所述土压平衡盾构泥浆改良剂由以下重量份数的原料制成：

Na₂CO₃                0.1-0.5份；

钠基膨润土           25-50份；

粘土                       5-15份；

羟丙基瓜尔胶          1-4份；

羧甲基纤维素钠       2-5份；

水                           1000份；

其中，所述钠基膨润土的粒度为200目；所述粘土的粒度为4～6mm；所述羟丙基瓜尔胶为100目的淡黄色粉末，其表观粘度为100mpa·s；

通过以下步骤制得：

1）钠基膨润土浆液的配制：在膨润土泥浆搅拌罐内注入二分之一配方量的水，把配方量的纯碱以及钠基膨润土依次均匀加入到该搅拌罐内，边加入边以145-155 r/min搅拌，至钠基膨润土溶解，不存在结块；

2）将配方量的粘土缓慢加入到上述搅拌罐内，以145-155 r/min搅拌均匀；

3）羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液的配制：在强力搅拌机内注入四分之一配方量的水，转速设定为250-280r/min，并在强力搅拌机上方布置孔径为2-4mm的筛子，然后将二分之一配方量的羟丙基瓜尔胶以及羧甲基纤维素钠依次通过筛子均匀散落入该强力搅拌机中，转速调整为280-300r/min，并搅拌5-7min；

4）把步骤3）中配制的羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液加入到步骤1）中配制好的膨润土浆液中，以145-155 r/min搅拌均匀；

5）重复步骤3），再配制同样的羟丙基瓜尔胶和羧甲基纤维素钠胶液，加入到步骤4）所配制的浆液中，以145-155 r/min搅拌均匀，以得到所述泥浆改良剂。

2.根据权利要求1所述的土压平衡盾构泥浆改良剂，其特征在于，所述土压平衡盾构泥浆改良剂由以下重量份数的原料制成：

Na₂CO₃                  0.2份；

钠基膨润土            40份；

粘土                        10份；

羟丙基瓜尔胶          2.5份；

羧甲基纤维素钠         4份；

水                            1000份。