CN104500083A - 矩形盾构施工的土体改良方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矩形盾构施工的土体改良方法，所述土体改良方法包括：于所述矩形盾构的每一个刀盘辐条上设置改良注入口；对所述矩形盾构中的土仓进行区域划分，分为左区域、右区域、以及上区域；以及矩形盾构施工中，对所述改良注入口注入泡沫进行土体改良，对所述左区域和所述右区域注入膨润土泥浆进行土体改良，对所述土仓的上区域持续注入泡沫进行土体改良。本发明针对矩形盾构提供了适用的土体改良方法，实现刀盘和土仓的全断面改良，确保各个区域内的土质均匀、土压力均衡，减少土压力对盾构施工的影响。

Description

矩形盾构施工的土体改良方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤指一种矩形盾构施工的土体改良方法。

背景技术

采用土压平衡式进行隧道施工，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，现有的土体改良方法均是针对圆形盾构施工，对于矩形盾构施工，不能直接应用圆形盾构施工中的土体改良方法，因矩形盾构的开挖面大，土仓底部呈平底状，渣土的流动性差，很容易产生固结和泥饼，进而影响开挖面的稳定和加剧地层扰动。所以，提出一种适用矩形盾构施工的土体改良方法尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种矩形盾构施工的土体改良方法，解决现有土体改良方法无法适应矩形开挖面大、土仓底部呈平底状易产生固结和泥饼、进而产生的影响开挖面的稳定和加剧地层扰动等的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明一种矩形盾构施工的土体改良方法，所述矩形盾构配置有位于左侧的X型辐条式圆形刀盘和位于右侧的X型辐条式圆形刀盘，两个所述X型辐条式圆形刀盘按设定相位差设置，所述土体改良方法包括：

于所述矩形盾构中的每一个X型辐条式圆形刀盘上的每一个刀盘辐条上设置改良注入口，使得同属于一个X型辐条式圆形刀盘上的各个所述改良注入口呈非对称设置；

对所述矩形盾构中的土仓进行区域划分，划分为对应左侧的X型辐条式圆形刀盘的左区域和对应右侧的X型辐条式圆形刀盘的右区域、以及位于土仓顶部的上区域；以及

矩形盾构施工中，对所述X型辐条式圆形刀盘通过所述改良注入口注入泡沫进行土体改良，对所述左区域和所述右区域注入膨润土泥浆进行土体改良，对所述土仓的上区域持续注入泡沫进行土体改良。

本发明针对矩形盾构提供了适用的土体改良方法，在矩形盾构的两个X型辐条式圆形刀盘上设置不对称的注入口，通过圆形刀盘的旋转使得通过注入口注入的泡沫可以均匀分布，有效提高了土体改良的效果。将土仓内划分成对应刀盘的左右两个区域和上区域，通过在左区域和右区域注入膨润土泥浆、在上区域持续注入泡沫，来改良土仓内的土体，减小土仓内土体固结和泥饼现象，实现土仓内的全断面改良，确保各个区域内的土质均匀、土压力均衡，减少土压力对盾构施工的影响。

本发明矩形盾构施工的土体改良方法的进一步改进在于，假定每一个X型辐条式圆形刀盘的半径为R；

于所述矩形盾构中的每一个X型辐条式圆形刀盘上的每一个刀盘辐条上设置改良注入口，包括：

于所述X型辐条式圆形刀盘的第一刀盘辐条中距所述X型辐条式圆形刀盘圆心0.2R处设置第一改良注入口；

于所述X型辐条式圆形刀盘的第二刀盘辐条中距所述X型辐条式圆形刀盘圆心0.4R处设置第二改良注入口；

于所述X型辐条式圆形刀盘的第三刀盘辐条中距所述X型辐条式圆形刀盘圆心0.6R处设置第三改良注入口；以及

于所述X型辐条式圆形刀盘的第四刀盘辐条中距所述X型辐条式圆形刀盘圆心0.8R处设置第四改良注入口。

本发明矩形盾构施工的土体改良方法的进一步改进在于，所述膨润土泥浆包括钠基膨润土和水，以质量比3:20的配比混合形成，所述膨润土泥浆的比重小于1.15g/cm³，粘度大于40s。

本发明矩形盾构施工的土体改良方法的进一步改进在于，所述泡沫由泡沫液与水混合形成，所述泡沫液的密度为1.0±0.05g/cm³，20℃时的粘度为10.5cp，所述泡沫的浓度为3％，发泡率为8倍至10倍；对所述X型辐条式圆形刀盘通过所述改良注入口注入泡沫进行土体改良时，控制所述泡沫的注入率为30％，将所述泡沫平均分配给每一所述改良注入口。

本发明矩形盾构施工的土体改良方法的进一步改进在于，当两个所述X型辐条式圆形刀盘之间的扭矩差异大于200kN.m时，增加扭矩大的一侧所述X型辐条式圆形刀盘的泡沫注入率，且两个所述X型辐条式圆形刀盘的泡沫注入率差值小于±5％。

本发明矩形盾构施工的土体改良方法的进一步改进在于，所述改良注入口、所述左区域、所述右区域、以及所述上区域分别设有控制阀，通过所述控制阀控制改良浆液的注入。

本发明矩形盾构施工的土体改良方法的进一步改进在于，对所述土仓内注入膨润土泥浆进行土体改良时，控制所述膨润土泥浆的注入率为10％，所述左区域和所述右区域均匀分配注入所述膨润土泥浆。

本发明矩形盾构施工的土体改良方法的进一步改进在于，当两个所述X型辐条式圆形刀盘的扭矩差异大于8％时，增加所述土仓内对应扭矩较大的所述X型辐条式圆形刀盘的区域的膨润土泥浆的注入率，且所述左区域和所述右区域的膨润土泥浆的注入率差值小于±2％。

本发明矩形盾构施工的土体改良方法的进一步改进在于，当所述左区域和所述右区域的土压力差异大于等于10％时，增加土压力较大的区域的膨润土泥浆的注入率，且所述左区域和所述右区域的膨润土泥浆的注入率差值小于±2％。

本发明矩形盾构施工的土体改良方法的进一步改进在于，还包括：

对应土仓的左区域和右区域分别设有螺旋机，于两个所述螺旋机的头尾两端分别设置改良口；

在所述矩形盾构施工中，当所述螺旋机超过额定扭矩的80％时，通过所述改良口注入膨润土泥浆进行土体改良；当两个螺旋机出土差异大于等于10％时，增加所述土仓内对应出土较少的螺旋机的区域的膨润土泥浆的注入率，且所述左区域和所述右区域的膨润土泥浆的注入率差值小于±2％。

附图说明

图1为本发明矩形盾构施工的土体改良方法中矩形盾构的刀盘的结构示意图；

图2为本发明矩形盾构施工的土体改良方法中土仓的截面示意图；以及

图3为本发明矩形盾构施工的土体改良方法中螺旋机的结构示意图。

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。

本发明提供了一种矩形盾构施工的土体改良方法，针对矩形盾构的两个X型辐条式圆形刀盘、矩形的土仓、以及两个螺旋机分别提供了对应的改良方法。在刀盘上设置呈非对称的注入口，结合刀盘的圆形转动，使得注入刀盘的泡沫可以均匀分布，提高改良的效果。土仓由于是矩形结构，容易产生固结和泥饼现象，对应将土仓划分为左区域、右区域、以及上区域，左右两个区域注入膨润土泥浆进行改良，上区域持续注入泡沫进行改良，减小了土仓内的土体固结和泥饼现象的产生，实现了土仓内的全断面改良。下面结合附图对本发明矩形盾构施工的土体改良方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明矩形盾构施工的土体改良方法中矩形盾构的刀盘的结构示意图。下面结合图1，对本发明矩形盾构施工的土体改良方法进行说明。

如图1所示，本发明的矩形盾构施工的土体改良方法用于矩形盾构，该矩形盾构配置有位于左侧的X型辐条式圆形刀盘11′和位于右侧的X型辐条式圆形刀盘11，位于两个刀盘后方的土仓，以及设于土仓两侧的两个螺旋机，即对应左区域的左侧螺旋机和对应右区域的右侧螺旋机。两个X型辐条式圆形刀盘按照设定相位差设置，确保两个X型辐条式圆形刀盘在切削土体过程中不会发生碰撞。

本发明矩形盾构施工的土体改良方法包括：

于矩形盾构中的每一个X型辐条式圆形刀盘上的每一个刀盘辐条上设置改良注入口，使得同属于一个X型辐条式圆形刀盘上的各个改良注入口呈非对称设置。右侧的X型辐条式圆形刀盘11包括四个刀盘辐条和中心盘15，四个刀盘辐条呈X型对称连接于中心盘15，四个刀盘辐条分别为第一刀盘辐条111、第二刀盘辐条112、第三刀盘辐条113、以及第四刀盘辐条114。改良注入口设于刀盘辐条上，具体设置的位置如下：设定每一个X型辐条式圆形刀盘的半径为R，即刀盘辐条的末端到中心盘115的圆心O的距离；在第一刀盘辐条111上距X型辐条式圆形刀盘圆心0.2R处设置第一改良注入口21，在第二刀盘辐条112上距X型辐条式圆形刀盘圆心0.4R处设置第二改良注入口22，在第三刀盘辐条113上距X型辐条式圆形刀盘圆心0.6R处设置第三改良注入口23，在第四刀盘辐条114上距X型辐条式圆形刀盘圆心0.8R处设置第四改良注入口24。相应地，在左侧的X型辐条式圆形刀盘11′上的第一刀盘辐条111′、第二刀盘辐条112′、第三刀盘辐条113′、以及第四刀盘辐条114′对应设置第一改良注入口21′、第二改良注入口22′、第三改良注入口23′、以及第四改良注入口24′，且第一改良注入口21′、第二改良注入口22′、第三改良注入口23′、以及第四改良注入口24′距中心盘115′的圆心O′的距离为0.2R、0.4R、0.6R、以及0.8R。这样在矩形盾构的刀盘区域设置了八个改良注入口，每一改良注入口可实现单独控制，随着盾构掘进过程中刀盘的转动，能够实现全断面注入改良浆液。每一个改良注入口处均设有控制阀，通过控制阀实现每一个改良注入口的单独控制，施工中刀盘改良区域设置有一个注浆泵，通过注浆管路连通每一个改良注入口，通过对应改良注入口的控制泵控制改良注入口的开合，可实现改良浆液注入的单独控制。较佳地，各个控制阀通过工控机实现循环开启，或者通过手动进行单独开启，或者同时启闭。

如图2所示，对矩形盾构中的土仓12进行区域划分，划分为对应左侧的X型辐条式圆形刀盘11′的左区域122和对应右侧的X型辐条式圆形刀盘11的右区域121、以及位于土仓12顶部的上区域123，进一步地，将左区域122划分为位于上部的第一区域1221、位于下部的第二区域1222、以及位于靠近土仓12侧部的第三区域1223；将右区域121划分为位于上部的第四区域1211、位于下部的第五区域1212、以及位于靠近土仓12侧部的第六区域1213。还包括位于土仓12底部的下区域124。

如图3所示，对土仓内的两个螺旋机设置改良口，在螺旋机13的头尾两端分别设置改良口131和改良口132。

对应土仓内划分的各个区域均设有控制阀，螺旋机上的改良口也对应设有控制阀，即第一区域1221、第二区域1222、第三区域1223、第四区域1211、第五区域1212、第六区域1213、上区域123、下区域124、改良口131、以及改良口132处分别设有控制阀，通过控制阀实现每一个改良区域的单独控制，施工中土仓和螺旋机的改良区域设置有一个注浆泵，通过注浆管路连通每一个改良区域、改良口，通过对应的控制泵控制改良区域、改良口的开合，可实现改良浆液注入的单独控制。较佳地，各个控制阀通过工控机实现循环开启，或者通过手动进行单独开启，或者同时启闭。

矩形盾构施工中，对两个X型辐条式圆形刀盘通过其上的改良注入口注入泡沫进行土体改良，对土仓的左区域122和右区域121注入膨润土泥浆进行土体改良，对土仓的上区域123持续注入泡沫进行土体改良。

其中的土体改良浆液包括水、膨润土泥浆、以及泡沫，改良浆液中的材料参数如下：

水，采用PH＝7±0.5，无杂质；

膨润土泥浆，泥浆按质量比的配比：钠基膨润土：水＝3：20；钠基膨润土指标：200目筛余量<95％，膨胀率18～26mL/g；水指标：PH＝7±0.5，无杂质(避免堵塞改良管路)；膨润土泥浆指标：比重<1.15g/cm³，(漏斗)粘度>40s；

泡沫，泡沫原液指标：液体，密度1.0±0.05g/cm³，20℃粘度10.5cp，PH-8～11，倾点：0℃；泡沫浓度：3％；发泡率：8～10倍；泡沫稳泡时间：常压下>5min。

对X型辐条式圆形刀盘11,11′通过改良注入口注入泡沫进行土体改良时，控制泡沫的注入率为30％，将泡沫平均分配给每一改良注入口进行注入，即对八个改良注入口平均分配注入泡沫的总量。当两个X型辐条式圆形刀盘之间的扭矩差异大于8％时，增加扭矩大的一侧X型辐条式圆形刀盘的泡沫注入率，且两个X型辐条式圆形刀盘的泡沫注入率差值小于±5％。

对土仓12内注入膨润土泥浆进行土体改良时，控制膨润土泥浆的注入率为10％，左区域122和右区域121均匀分配注入膨润土泥浆；

当两个X型辐条式圆形刀盘的扭矩差异大于8％时，增加土仓内对应扭矩较大的X型辐条式圆形刀盘的区域的膨润土泥浆的注入率，且左区域122和右区域121的膨润土泥浆的注入率差值小于±2％，直至两个X型辐条式圆形刀盘的扭矩差异小于200kN.m为止。若右侧的X型辐条式圆形刀盘11的扭矩较大，则增加右区域121的膨润土泥浆的注入率，减小左区域122的膨润土泥浆的注入率，较佳地，对右区域121内的第四区域1211、第五区域1212、以及第六区域1213注入膨润土泥浆，可使得右区域121内的土体和膨润土泥浆较好的混合。同样，对左区域122的内第一区域1221、第二区域1222、以及第三区域1223注入膨润土泥浆，也可使得左区域122内的土体和膨润土泥浆较好的混合。

当左区域122和右区域121的土压力差异大于等于10％时，增加土压力较大的区域的膨润土泥浆的注入率，且左区域122和右区域121的膨润土泥浆的注入率差值小于±2％，直至左区域122和右区域121的土压力差异小于0.1MPa为止。

当两个螺旋机出土差异大于等于10％时，增加土仓内对应出土较少的螺旋机的区域的膨润土泥浆的注入率，且左区域122和右区域121的膨润土泥浆的注入率差值小于±2％，直至两个螺旋机出土差异小于10％为止。

对应土仓12的上区域123持续注入泡沫进行土体改良，泡沫的注入率控制在10％。对应土仓12的下区域124在盾构掘进过程中，视螺旋机的出土难易，选择性地进行膨润土泥浆的注入，注入率控制在5％以内，若螺旋机出土难，则对下区域124注入膨润土泥浆，若螺旋机出土顺利，则不对下区域124进行改良操作。

当土仓内某一个区域压力出现异常，与对称区域土压力差异超过0.3MPa以上，对该出现异常的区域注入水进行改良，直至其与对称区域的土压力差异小于0.1MPa为止。

在矩形盾构施工中，当螺旋机13超过额定扭矩的80％时，通过螺旋机13上对应的改良口131,132注入膨润土泥浆进行土体改良，对螺旋机13注入膨润土泥浆进行改良，注入率控制在10％以内，直至螺旋机扭矩小于80％额定扭矩为止。

本发明矩形盾构施工的土体改良方法的有益效果为：

本发明针对矩形盾构提供了适用的土体改良方法，在矩形盾构的两个X型辐条式圆形刀盘上设置不对称的注入口，通过圆形刀盘的旋转使得通过注入口注入的泡沫可以均匀分布，有效提高了土体改良的效果。将土仓内划分成对应刀盘的左右两个区域和上区域，通过在左区域和右区域注入膨润土泥浆、在上区域持续注入泡沫，来改良土仓内的土体，减小土仓内土体固结和泥饼现象，实现土仓内的全断面改良，确保各个区域内的土质均匀、土压力均衡，减少土压力对盾构施工的影响。

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)

1.一种矩形盾构施工的土体改良方法，所述矩形盾构配置有位于左侧的X型辐条式圆形刀盘和位于右侧的X型辐条式圆形刀盘，两个所述X型辐条式圆形刀盘按设定相位差设置，其特征在于，所述土体改良方法包括：

于所述矩形盾构中的每一个X型辐条式圆形刀盘上的每一个刀盘辐条上设置改良注入口，使得同属于一个X型辐条式圆形刀盘上的各个所述改良注入口呈非对称设置；

对所述矩形盾构中的土仓进行区域划分，划分为对应左侧的X型辐条式圆形刀盘的左区域和对应右侧的X型辐条式圆形刀盘的右区域、以及位于土仓顶部的上区域；以及

矩形盾构施工中，对所述X型辐条式圆形刀盘通过所述改良注入口注入泡沫进行土体改良，对所述左区域和所述右区域注入膨润土泥浆进行土体改良，对所述土仓的上区域持续注入泡沫进行土体改良。

2.如权利要求1所述的矩形盾构施工的土体改良方法，其特征在于，

假定每一个X型辐条式圆形刀盘的半径为R；

于所述矩形盾构中的每一个X型辐条式圆形刀盘上的每一个刀盘辐条上设置改良注入口，包括：

于所述X型辐条式圆形刀盘的第一刀盘辐条中距所述X型辐条式圆形刀盘圆心0.2R处设置第一改良注入口；

于所述X型辐条式圆形刀盘的第二刀盘辐条中距所述X型辐条式圆形刀盘圆心0.4R处设置第二改良注入口；

于所述X型辐条式圆形刀盘的第三刀盘辐条中距所述X型辐条式圆形刀盘圆心0.6R处设置第三改良注入口；以及

于所述X型辐条式圆形刀盘的第四刀盘辐条中距所述X型辐条式圆形刀盘圆心0.8R处设置第四改良注入口。

3.如权利要求1所述的矩形盾构施工的土体改良方法，其特征在于，所述膨润土泥浆包括钠基膨润土和水，以质量比3:20的配比混合形成，所述膨润土泥浆的比重小于1.15g/cm³，粘度大于40s；所述泡沫由泡沫液与水混合形成，所述泡沫液的密度为1.0±0.05g/cm³，20℃时的粘度为10.5cp，所述泡沫的浓度为3％，发泡率为8倍至10倍。

4.如权利要求1或2所述的矩形盾构施工的土体改良方法，其特征在于，对所述X型辐条式圆形刀盘通过所述改良注入口注入泡沫进行土体改良时，控制所述泡沫的注入率为30％，将所述泡沫平均分配给每一所述改良注入口。

5.如权利要求4所述的矩形盾构施工的土体改良方法，其特征在于，当两个所述X型辐条式圆形刀盘之间的扭矩差异大于8％时，增加扭矩大的一侧所述X型辐条式圆形刀盘的泡沫注入率，且两个所述X型辐条式圆形刀盘的泡沫注入率差值小于±5％。

6.如权利要求1所述的矩形盾构施工的土体改良方法，其特征在于，所述改良注入口、所述左区域、所述右区域、以及所述上区域分别设有控制阀，通过所述控制阀控制改良浆液的注入。

7.如权利要求1所述的矩形盾构施工的土体改良方法，其特征在于，对所述土仓内注入膨润土泥浆进行土体改良时，控制所述膨润土泥浆的注入率为10％，所述左区域和所述右区域均匀分配注入所述膨润土泥浆。

8.如权利要求7所述的矩形盾构施工的土体改良方法，其特征在于，当两个所述X型辐条式圆形刀盘的扭矩差异大于8％时，增加所述土仓内对应扭矩较大的所述X型辐条式圆形刀盘的区域的膨润土泥浆的注入率，且所述左区域和所述右区域的膨润土泥浆的注入率差值小于±2％。

9.如权利要求7所述的矩形盾构施工的土体改良方法，其特征在于，当所述左区域和所述右区域的土压力差异大于等于10％时，增加土压力较大的区域的膨润土泥浆的注入率，且所述左区域和所述右区域的膨润土泥浆的注入率差值小于±2％。

10.如权利要求1所述的矩形盾构施工的土体改良方法，其特征在于，还包括：

对应土仓的左区域和右区域分别设有螺旋机，于两个所述螺旋机的头尾两端分别设置改良口；

在所述矩形盾构施工中，当所述螺旋机超过额定扭矩的80％时，通过所述改良口注入膨润土泥浆进行土体改良；当两个螺旋机出土差异大于等于10％时，增加所述土仓内对应出土较少的螺旋机的区域的膨润土泥浆的注入率，且所述左区域和所述右区域的膨润土泥浆的注入率差值小于±2％。