CN104674786A - 一种砂砾土地层中矩形顶管施工的土体改良方法 - Google Patents

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许有俊
文中坤
闫履顺
白雪光
刘忻梅
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Abstract

本发明涉及一种砂砾土地层中矩形顶管施工的土体改良方法，具体为：向工作面及土压舱土体加入聚丙烯酰胺(PAM)溶液和膨润土泥浆溶液，聚丙烯酰胺(PAM)溶液中聚丙烯酰胺(PAM)的含量为1g/L-4g/L，膨润土泥浆溶液的质量浓度为7-11％。该方法将切削下来的土体改良为具有良好的流动性、低摩擦角、中压缩性、较低的粘附性、低渗透性等特性，确保满舱顶进及合理的顶进施工速度，并可以解决土压平衡不好建立、机头刀具磨损严重、易“结饼”、穿越含水层时易发生“突水等问题，以满足土压平衡矩形顶管施工的需要，并为砂砾土地层中多刀盘土压平衡矩形顶管工作面土压动态平衡的建立提供技术支持。

Description

一种砂砾土地层中矩形顶管施工的土体改良方法
技术领域
本发明涉及地下非开挖技术领域，特别涉及的是单刀盘或多刀盘土压平衡矩形顶管技术施工技术，具体涉及为一种砂砾土地层中矩形顶管施工的土体改良方法。
背景技术
近年来，矩形土压平衡顶管法逐渐应用于城市行人过街地下通道的修建工程中。采用该种地下非开挖技术修建地下通道具有断面面积利用率高、埋深浅、不中断地面道路交通、避免了各类地下管线的拆迁、无噪音、无环境污染等优点，代表着未来城市地下行人过街通道修建技术的发展方向。该种技术开始主要应用于上海等软土地区，但随着城市地下空间开挖强度的增加和大断面矩形顶管技术的快速发展，该种地下非开挖技术逐渐应用于砂土层、圆砾层等地层中，而这类土具有粘聚力小、成拱效应差、自稳时间短、刀盘上方土体极易形成小范围塌方、流塑性差、出土困难、土舱压力波动敏感等特点，土压舱与工作面土压的动态平衡控制困难，容易产生“局部土压失衡”“闭塞”、“喷涌”、“结饼”，甚至导致施工中开挖面失稳坍塌，因此，工作面及土舱土体的改良是上类土中土舱压力有效控制与顺利掘进的关键。而矩形顶管机控制参数较多，对工作面土体分区多次扰动，舱内渣土的流塑性及多次搅拌作用下的运动规律、土舱压力场分布规律更加复杂，极易造成土舱压力局部失衡，因此矩形顶管机的土舱压力控制难度更大。而现有技术中针对在砂砾土地层中矩形顶管施工的土体改良技术研究少见。
发明内容
本发明的目的在于提供一种砂砾土地层中矩形顶管施工的土体改良方法，将土体改良为具有良好的流动性、低摩擦角、中压缩性、较低的粘附性、低渗透性等特性，确保满舱顶进及合理的顶进施工速度，并可以解决土压平衡不好建立、机头刀具磨损严重、易“结饼”、穿越含水层时易发生“突水等问题，以满足土压平衡矩形顶管施工的需要，并为砂砾土地层中多刀盘土压平衡矩形顶管工作面土压动态平衡的建立提供技术支持。
为实现本发明的目的，本发明的技术方案具体如下：
一种砂砾土地层中矩形顶管施工的土体改良方法，其特征在于：向施工的土体中加入聚丙烯酰胺(PAM)溶液和膨润土泥浆溶液，聚丙烯酰胺(PAM)溶液中聚丙烯酰胺(PAM)的含量为1g/L-4g/L，优选2g/L，膨润土泥浆溶液的质量浓度为7-11％，优选9％；
进一步地，所述施工的土体为土压舱内土体和/或工作面土体；
进一步地，所述砂砾土地层为砂土地层或圆砾土地层；
进一步地，所述矩形顶管采用多刀盘或单刀盘；
进一步地，所述膨润土泥浆溶液为钠基膨润土泥浆溶液，钠基膨润土较钙基膨润土水更容易进入晶层中，引起晶格迅速膨胀；
进一步地，所述加入的膨润土泥浆溶液与施工的土体的体积比为9％-15％，优选12％；
进一步地，所述加入的膨润土泥浆溶液与改良土体的体积比为12％。
进一步地，所述加入的聚丙烯酰胺(PAM)溶液与改良土体的体积比为13％-20％，优选17％。
本发明的有益效果如下：
(1)砂砾土地层土体，具有粘聚力小、成拱效应差、自稳时间短、刀盘上方土体极易形成小范围塌方、流塑性差、出土困难、土舱压力波动敏感等特点，土压舱与工作面土压的动态平衡控制困难，容易产生“局部土压失衡”、“闭塞”、“喷涌”、“结饼”，甚至导致施工中开挖面失稳坍塌。采用PAM溶液+膨润土泥浆溶液(如钠基膨润土泥浆)的土体改良方法，可以将顶管机土压舱内土体调成一种“理想流塑性”状态，该状态土具有良好的流动性、低摩擦角、中压缩性、较低的粘附性、低渗透性等特性等，可以解决土压平衡不好建立、机头磨损严重、易“结饼”、穿越含水层时易发生“突水等问题，能够满足顶管施工要求的特性；
(2)多刀盘组合形式矩形顶管机控制参数较多，对工作面土体分区多次扰动，舱内渣土的流塑性及多次搅拌作用下的运动规律、土舱压力场分布规律更加复杂，较单刀盘顶管机的土舱土压平衡的形成及控制难度更大，因此对土压舱内土体的性质要求更高。本发明采用膨润土泥浆代替传统的粉土泥浆和PAM溶液配合使用，发挥了PAM的吸附作用、絮凝作用、减摩作用、防塌作用，起到很好的保土、保水及润滑、防塌作用，提高土体的流动性，以及膨润土泥浆具有的很强的膨胀性能，从而具有膨润性、触变性、黏结性等，采用土体的搅拌扭矩、坍落度、内摩擦角、压缩系数等参数进行了测定并与原状土的指标进行对比，得出解决现有技术中多种问题的聚丙烯酰胺(PAM)溶液和膨润土泥浆浓度，满足了土压平衡矩形顶管施工的需要，并为砂砾土地层中多土压平衡矩形顶管工作面土压动态平衡的建立提供技术支持。
附图说明
图1土体改良方案膨润土泥浆与土体作用形成混合土体结构图。
图2土体改良方案PAM溶液絮凝的搭接机理图。
具体实施方式
本发明的土体改良方法可广泛应用于砂砾土地层土压平衡矩形顶管施工中土压舱及工作面土体的改良，使用时，根据所需改良的土体体积，确定PAM溶液和膨润土泥浆溶液这两种添加剂的注入量。
其中，土体改良方法中的膨润土泥浆与土体作用形成混合土体结构如图1所示，土体改良方法中的PAM溶液絮凝的搭接机理如图2所示。
大量的实验发现，膨润土泥浆的注入使得PAM溶液在土颗粒之间的连接作用等得到较充分发挥，这对与提高土体润滑性，降低其黏性至关重要。土体经改良方案改良后，搅拌叶片上和刀盘上土体黏附量明显较少，较原土压缩性提高，摩擦性及搅拌扭矩也明显降低。土体坍落度可以处于10-20cm之间，且土体坍落后形状规则，无明显倾斜，不析水，表现出极好的流动性与保水性，能够促进形成顶管顶进施工过程中的土压平衡，对于防止开挖面失稳坍塌，确保施工安全有效的进行意义重大。土体经改良方案改良后，其在搅拌叶片上的黏附量较少，能够有效的防止土体在机头刀盘表面失水固结，阻塞刀盘，影响开挖效率。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
实施例1
一种圆砾地层中多刀盘土压平衡矩形顶管施工土压舱土体改良方法，包括PAM溶液、膨润土泥浆溶液。采用质量浓度为9％的钠基膨润土泥浆，PAM溶液的浓度为2g/L，采用不同的PAM溶液注入比和膨润土泥浆溶液注入比，改良后渣土的性质能够满足矩形土压平衡顶管的施工，土体改良效果和性能指标如下表1和表2所示。
表1土体改良效果指标数据
表2原土与改良渣土性能指标
实施例2
一种圆砾土地层中多刀盘土压平衡矩形顶管施工土压舱土体改良方法，包括PAM溶液、膨润土泥浆溶液。采用质量浓度为7％的钠基膨润土泥浆，PAM溶液的浓度为4g/L，采用不同的PAM溶液注入比和膨润土泥浆溶液注入比，改良后渣土的性质能够满足矩形土压平衡顶管的施工，土体改良效果和性能指标如下表3和表4所示。
表3土体改良效果指标数据
表4原土与改良渣土性能指标
实施例3
一种圆砾土地层中多刀盘土压平衡矩形顶管施工土压舱土体改良方法，包括PAM溶液、膨润土泥浆溶液。采用质量浓度为11％的钠基膨润土泥浆，PAM溶液的浓度为1g/L，采用不同的PAM溶液注入比和膨润土泥浆溶液注入比，改良后渣土的性质能够满足矩形土压平衡顶管的施工，土体改良效果和性能指标如下表5和表6所示。
表5土体改良效果指标数据
表6原土与改良渣土性能指标
实施例4
一种中粗砂土地层中多刀盘土压平衡矩形顶管施工土压舱土体改良方法，包括PAM溶液、膨润土泥浆溶液。采用质量浓度为11％的钠基膨润土泥浆，PAM溶液的浓度为1g/L，采用不同的PAM溶液注入比和膨润土泥浆溶液注入比，改良后渣土的性质能够满足矩形土压平衡顶管的施工，土体改良效果和性能指标如下表7和表8所示。
表7土体改良效果指标数据
表8原土与改良渣土性能指标

Claims (10)

1.一种砂砾土地层中矩形顶管施工的土体改良方法，其特征在于：向施工的土体中加入聚丙烯酰胺(PAM)溶液和膨润土泥浆溶液，聚丙烯酰胺(PAM)溶液中聚丙烯酰胺(PAM)的含量为1g/L-4g/L，膨润土泥浆溶液的质量浓度为7-11％。
2.根据权利要求1所述的土体改良方法，其特征在于，所述施工的土体为土压舱内土体和/或工作面土体。
3.根据权利要求1所述的土体改良方法，所述砂砾土地层为砂土地层或圆砾土地层。
4.根据权利要求1所述的土体改良方法，其特征在于，所述矩形顶管采用单刀盘或多刀盘。
5.根据权利要求1所述的土体改良方法，其特征在于，所述膨润土泥浆溶液为钠基膨润土泥浆溶液。
6.根据权利要求1至5之一所述的土体改良方法，其特征在于，所述聚丙烯酰胺(PAM)溶液中聚丙烯酰胺(PAM)的含量为2g/L，所述膨润土泥浆溶液的质量浓度为9％。
7.根据权利要求1至5之一所述的土体改良方法，其特征在于，所述加入的膨润土泥浆溶液与施工的土体的体积比为9％-15％。
8.根据权利要求7所述的土体改良方法，其特征在于，所述加入的膨润土泥浆溶液与施工的土体的体积比为12％。
9.根据权利要求1至5之一所述的土体改良方法，其特征在于，所述加入的聚丙烯酰胺(PAM)溶液与施工的土体的体积比为13％-20％。
10.根据权利要求9所述的土体改良方法，其特征在于，所述加入的聚丙烯酰胺(PAM)溶液与施工的土体的体积比为17％。
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