CN104265318A - 大断面矩形顶管掘进土体改良方法 - Google Patents

大断面矩形顶管掘进土体改良方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法，包括：按照断面的形状在矩形顶管的前端面进行区域划分，划分为位于中间的大刀盘改良区和环绕所述大刀盘改良区设置的小刀盘改良区；以及掘进过程中，对所述大刀盘改良区注入泡沫改良剂进行土体改良，对所述小刀盘改良区注入聚合物泥浆进行土体改良，所述泡沫改良剂的注入率适配于大刀盘的扭矩，所述聚合物泥浆的注入率适配于对应的小刀盘的扭矩。本发明可以良好的解决了砂性土地层大断面矩形顶管掘进困难、开挖面不易稳定的问题。

Description

大断面矩形顶管掘进土体改良方法
技术领域
本发明涉及隧道工程领域，尤指一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法。
背景技术
采用土压平衡式顶管机进行隧道施工，施工作业中采用开挖土体作为支撑开挖面稳定的介质，该介质应具有良好的塑性、一定的粘聚力、较小的内摩擦角以及渗透系数等。现有做法是在掘进过程中加入改良添加剂对土体进行改良，该改良添加剂一般为泡沫和膨润土泥浆，通过一定比例的泡沫和膨润土泥浆的注入，对切削的土体进行改良，从而确保开挖面的稳定和掘进效率。
但是，对于大断面(4.2m*6.9m及以上)砂性土地层进行隧道掘进施工时，采用土压平衡式矩形顶管存在如下难点：一、开挖面积大，土体对刀头的摩阻力大，加大了刀盘的扭矩和机械负荷；二、推进过程中单位时间内进入土仓的土体体积较大，开挖面土压力传递不均匀易导致开挖面失稳；三、砂性土层土质特性较差，表现在塑流性差、内摩擦角大、渗透系数大。现有的改良方法无法适应大断面矩形顶管在砂性土地层掘进施工，容易造成砂性土地层大断面矩形顶管开挖土仓内土压力波动剧烈，影响开挖面的稳定。大断面矩形顶管的刀盘构造不利于现有改良方法中的改良添加剂发挥效用，影响改良效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法，解决现有改良方法无法适应大断面矩形顶管在砂性土地层掘进施工、容易造成土仓内压力波动剧烈，影响开挖面稳定的问题，以及大断面矩形顶管的刀盘不利于改良添加剂发挥效用的问题。
实现上述目的的技术方案是：
本发明一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法，包括：
按照断面的形状在矩形顶管的前端面进行区域划分，划分为位于中间的大刀盘改良区和环绕所述大刀盘改良区设置的小刀盘改良区；以及
掘进过程中，对所述大刀盘改良区注入泡沫改良剂进行土体改良，对所述小刀盘改良区注入聚合物泥浆进行土体改良，所述泡沫改良剂的注入率适配于大刀盘的扭矩，所述聚合物泥浆的注入率适配于对应的小刀盘的扭矩。
采用泡沫改良剂和聚合物泥浆，对应用于在矩形顶管的前端面划分的区域，对土体进行改良，可以更好地适应大断面矩形顶管施工，较好地发挥改良材料的效用，能够解决砂性土地层大断面矩形顶管掘进困难、开挖面不易稳定的难题。聚合物泥浆具有高粘度、低比重和低滤失量，该改良材料适应于砂性土地层，使得改良后的砂性土地层具有良好的塑性、粘聚力、较小的内摩擦角及渗透系数。对矩形顶管进行区域划分，改良部位的设计适应大断面矩形顶管施工。
本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述聚合物泥浆包括高分子聚合物HS-1、钠基膨润土、以及水，以1:4:99的配比混合形成。
本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述高分子聚合物HS-1包括大、中分子量的聚丙烯酸盐、纤维素盐、抗盐抗钙剂、以及改性土。
本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述聚合物泥浆的比重为1.04g/cm3，粘度大于40s，滤失量小于20ml。
本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述泡沫改良剂由泡沫剂与水混合形成，所述泡沫改良剂的泡沫浓度为3％，发泡率为15％，稳泡时间大于5分钟。
本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述小刀盘改良区包括第一分区、第二分区、第三分区以及第四分区，所述的第一分区、第二分区、第三分区以及第四分区内均设有注浆孔。
本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，于所述小刀盘改良区的第一分区、第二分区、第三分区、以及第四分区分别设置注浆泵，用于将所述聚合物泥浆注入到所述小刀盘改良区。
本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，于所述大刀盘改良区设置两个加水泵和两个泡沫泵，通过泡沫泵输送的泡沫剂与所述加水泵输送的水混合形成所述泡沫改良剂。
本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述大刀盘的扭矩以2500kN.m为基准，控制所述泡沫改良剂的注入率：
当所述大刀盘的扭矩大于2500kN.m时，控制所述泡沫改良剂的注入率在10％至15％；
当所述大刀盘的扭矩小于2500kN.m时，所述泡沫改良剂的注入率在5％至10％；以及
当所述大刀盘的扭矩等于2500kN.m时，所述泡沫改良剂的注入率为10％。
本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述小刀盘的扭矩以150kN.m为基准，控制所述聚合物泥浆的注入率：
当所述小刀盘的扭矩大于150kN.m时，所述聚合物泥浆的注入率在10％至12％；
当所述小刀盘的扭矩小于150kN.m时，所述聚合物泥浆的注入率在8％至10％；以及
当所述小刀盘的扭矩等于150kN.m时，所述聚合物泥浆的注入率为10％。
附图说明
图1为本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的流程图；以及
图2为本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法中矩形顶管前端面区域划分结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参阅图1，显示了本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的流程图。该大断面矩形顶管掘进土体改良方法采用高分子聚合物HS-1、膨润土和水以一定比例混合形成聚合物泥浆，具备高粘度、低比重、低滤失量的特性，可以很好的适应砂性土地层，通过泡沫改良剂和聚合物泥浆对土体进行改良，且同时于矩形顶管的前端面上进行了区域划分，不同的区域注入改良材料不同，于中心区域注入泡沫改良剂，四周的区域注入聚合物泥浆，解决了砂性土地层大断面矩形顶管掘进困难，开挖面不易稳定的难题。下面结合附图对本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法进行说明。
参阅图1，显示了本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的流程图。下面结合图1对本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法进行说明。
如图1所示，本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法包括：
执行步骤S11，按照断面形状对矩形顶管的前端面进行区域划分，划分为大刀盘改良区和小刀盘改良区。
按照断面形状将矩形顶管的前端面划分为两个大区域。结合图2所示，显示了矩形顶管机的前端面，按照断面形状将矩形顶管的前端面划分为大刀盘改良区10和小刀盘改良区，小刀盘改良区环设于大刀盘改良区的四周，其中大刀盘改良区10位于矩形顶管前端面的中间位置，形状与矩形顶管的前端面形状相同；小刀盘改良区包括第一分区20、第二分区30、第三分区40、以及第四分区50，第一分区20、第二分区30、第三分区40、以及第四分区50环设于大刀盘改良区10的四周，该矩形顶管的前端面除大刀盘改良区10以外的部分沿横纵中垂线等分，形成了四个分区。小刀盘改良区的第一分区20、第二分区30、第三分区40、以及第四分区50内均设置有注浆孔，第一分区20内设置有八个注浆孔，第二分区50内设置有七个注浆孔，第三分区30和第四分区40内分别设置有四个注浆孔，小刀盘改良区的注浆孔的位置根据各区域内的小刀盘扭矩设计，合理的布设注浆孔可以使得小刀盘改良区注入的改良材料均匀分布，更好地与砂性土地层混合。接着执行步骤S12。
执行步骤S12，对大刀盘改良区注入泡沫改良剂进行土体改良，对小刀盘区域注入聚合物泥浆进行土体改良。其中：
泡沫改良剂的制作方法包括：提供泡沫剂，与水混合形成泡沫改良剂。泡沫剂采用CONDAT CLB F4 AD型泡沫剂，产品标准如表1所示：
特性 CLB F4 AD
颜色 无色/亚麻色
状态 液体
密度15℃ 1,00
粘度20℃(Mob 12Vl，50rpm) 10,5cp
PH 8-11
倾点 0℃
表1 CONDAT CLB F4 AD型泡沫剂标准
泡沫剂与水混合形成泡沫改良剂，该泡沫改良剂的配比如表2所示：
项目 泡沫浓度 发泡率 稳泡时间
参数 3％ 15％ ＞5min
表2 泡沫改良剂配合比
泡沫改良剂与砂性土地层混合后，可以提高砂性土地层的塑流性，降低内摩擦角。
聚合物泥浆的制作方法包括：提供高分子聚合物HS-1、钠基膨润土、水混合形成聚合物泥浆，该高分子聚合物HS-1包括大、中分子量的聚丙烯酸盐、纤维素盐、抗盐抗钙剂、以及改性土，还可以加入增效添加剂，该高分子聚合物HS-1用于配置初始的基础浆液，大、中分子量的聚合物材料与有益颗粒(切削下的活性土或膨润土)之间，颗粒与颗粒之间相互吸附，形成布满整个泥水空间的网状结构框架，将自由水和土颗粒包围其结构中，以提高泥浆的粘度切力，降低滤失量，完成造浆护壁的初始浆液。该聚合物泥浆的原材料标准如表3所示：
表3 聚合物泥浆原材料标准
高分子聚合物HS-1、钠基膨润土、水的配合比为1:4:99，该聚合物泥浆的材料配比及指标如表4所示：
项目 HS-1 膨润土 水 比重 粘度 滤失量
重量 10 40 990 1.04g/cm3 ＞40s <20ml
表4 聚合物泥浆材料配合比及指标(Kg/m3)
因该聚合物泥浆的比重为1.04g/cm3，粘度大于40s，滤失量小于20ml，使得该聚合物泥浆具有高粘度、低比重、和低滤失量，对于砂性土地层的工况环境，其高粘度的特性可使得砂性土粘结，提高砂性土地层的粘聚力。聚合物泥浆具有低滤失量，其与砂性土混合后，可以降低砂性土的渗透系数。
采用泡沫改良剂和聚合物泥浆作为改良材料进行土体改良，可以很好的适应砂性土地层，较好地改变砂性土地层的土质特性，使其具有良好的塑性、一定的粘聚力、较小的内摩擦角以及渗透系数，可以很好的支撑开挖面的稳定。
在掘进过程中，对大刀盘改良区10注入泡沫改良剂进行土体改良，泡沫改良剂的注入率适配于大刀盘的扭矩，大刀盘的扭矩以2500kN.m为基准，将泡沫改良剂的注入率控制在10％±5％，即当大刀盘的扭矩大于2500kN.m时，控制泡沫改良剂的注入率在10％至15％，当大刀盘的扭矩小于2500kN.m时，控制泡沫改良剂的注入率在5％至10％，当大刀盘的扭矩等于2500kN.m时，控制泡沫改良剂的注入率为10％，实际施工中，大刀盘的扭矩一般应控制在2500kN.m以内。大刀盘改良区10处设置两个加水泵和两个泡沫泵，通过泡沫泵输送的泡沫剂与加水泵输送的水混合形成泡沫改良剂，泡沫剂和水的配合比指标如表2所示。
对小刀盘改良区的第一分区20、第二分区30、第三分区40、以及第四分区50注入聚合物泥浆进行土体改良，聚合物泥浆的注入率适配于小刀盘的扭矩，小刀盘的扭矩以150kN.m为基准，将聚合物泥浆的注入率控制在10％±2％，即当小刀盘的扭矩大于150kN.m时，控制聚合物泥浆的注入率在10％至12％，当小刀盘的扭矩小于150kN.m时，控制聚合物泥浆的注入率在8％至10％，当小刀盘的扭矩等于150kN.m时，控制聚合物泥浆的注入率为10％，实际施工中，小刀盘的扭矩一般应控制在150kN.m以内。小刀盘改良区的第一分区20、第二分区30、第三分区40、以及第四分区50处分别设有注浆泵，通过注浆泵将聚合物泥浆泵送至小刀盘改良区，对土体进行改良。
本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的有益效果为：
采用泡沫改良剂和聚合物泥浆作为改良材料，可以很好地适应砂性土地层，改变砂性土地层的土质，使得改良后的砂性土地层具有良好的塑性、粘聚力、较小的内摩擦角及渗透系数。
对矩形顶管进行区域划分，各区域对应注入泡沫改良剂或聚合物泥浆，更好地适应大断面矩形顶管施工，可以解决砂性土地层大断面矩形顶管使用掘进困难，开挖面不易稳定的问题。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，包括：
按照断面的形状在矩形顶管的前端面进行区域划分，划分为位于中间的大刀盘改良区和环绕所述大刀盘改良区设置的小刀盘改良区；以及
掘进过程中，对所述大刀盘改良区注入泡沫改良剂进行土体改良，对所述小刀盘改良区注入聚合物泥浆进行土体改良，所述泡沫改良剂的注入率适配于大刀盘的扭矩，所述聚合物泥浆的注入率适配于对应的小刀盘的扭矩。
2.如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述聚合物泥浆包括高分子聚合物HS-1、钠基膨润土、以及水，以1:4:99的配比混合形成。
3.如权利要求2所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述高分子聚合物HS-1包括大、中分子量的聚丙烯酸盐、纤维素盐、抗盐抗钙剂、以及改性土。
4.如权利要求3所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述聚合物泥浆的比重为1.04g/cm3，粘度大于40s，滤失量小于20ml。
5.如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述泡沫改良剂由泡沫剂与水混合形成，所述泡沫改良剂的泡沫浓度为3％，发泡率为15％，稳泡时间大于5分钟。
6.如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述小刀盘改良区包括第一分区、第二分区、第三分区以及第四分区，所述的第一分区、第二分区、第三分区以及第四分区内均设有注浆孔。
7.如权利要求6所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，于所述小刀盘改良区的第一分区、第二分区、第三分区以及第四分区分别设置注浆泵，用于将所述聚合物泥浆注入到所述小刀盘改良区。
8.如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，于所述大刀盘改良区设置两个加水泵和两个泡沫泵，将所述泡沫泵输送的泡沫剂与所述加水泵输送的水混合形成所述泡沫改良剂。
9.如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述大刀盘的扭矩以2500kN.m为基准，控制所述泡沫改良剂的注入率：
当所述大刀盘的扭矩大于2500kN.m时，控制所述泡沫改良剂的注入率在10％至15％；
当所述大刀盘的扭矩小于2500kN.m时，所述泡沫改良剂的注入率在5％至10％；以及
当所述大刀盘的扭矩等于2500kN.m时，所述泡沫改良剂的注入率为10％。
10.如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述小刀盘的扭矩以150kN.m为基准，控制所述聚合物泥浆的注入率：
当所述小刀盘的扭矩大于150kN.m时，所述聚合物泥浆的注入率在10％至12％；
当所述小刀盘的扭矩小于150kN.m时，所述聚合物泥浆的注入率在8％至10％；以及
当所述小刀盘的扭矩等于150kN.m时，所述聚合物泥浆的注入率为10％。
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