CN105041324A - 一种富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，通过刀盘面板加注通道和盾构刀盘前方各辐臂上的孔位，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注高浓度泡沫，与此同时通过土仓内的加注通道和孔位，采用聚合物加注系统向渣土加注低掺量高分子聚合物进行复合加注。

Description

一种富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法

技术领域

本发明涉及盾构渣土改良技术领域，特别是涉及一种富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法。

背景技术

渣土改良是指为了使盾构刀盘切削形成的渣土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，通过盾构专用的添加装置向刀盘前方、土仓及螺旋输送机内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌及螺旋输送机旋转搅拌，使添加剂与渣土充分混合，以达到改善渣土性状，利于土压平衡盾构掘进控制的作用。

渣土改良的主要目的：

(1)使渣土具有良好的流塑性，利于土压平衡效果的实现，利于控制土压、稳定开挖面，控制地层沉降；

(2)使渣土具有良好的止水性，利于减低渣土的透水性，减少地层水土流失，降低渣土离析或螺旋机喷涌现象。

(3)使渣土具有良好的流动性、和易性和可排性，利于螺旋输送机排渣，减少渣土沉积固结，减少泥饼的形成。

(4)使渣土具有较低的摩租力和粘着力，利于有效降低刀盘和螺旋输送机扭矩，降低对刀具和螺旋的磨损，改善盾构掘进参数，提高掘进效率。

盾构隧道开挖范围及拱顶上覆地层、基底下伏地层为富水风化不均板岩交互地层，主要地层特征为：全、强、中风化板岩在掘进断面竖向和沿隧道纵向均交互出现，分布不规律，各风化层厚度和风化界限分布不均。

其中不同风化程度板岩岩性为：

全风化板岩：黄褐色，散体结构，风化节理裂隙极发育，冲击可钻进，岩芯呈土状，浸水易软化崩解。

强风化板岩：黄褐色，原岩结构清晰，碎裂结构，薄层状构造，裂隙发育，岩芯呈碎片状、碎块状，碎块手可折断，浸水易软化崩解。

中风化板岩：灰黄－灰色，薄层状结构，层理和节理裂隙较发育，矿物主要为云母、石英，局部夹石英岩脉，岩芯呈饼状、短柱状。该地层中，中风化板岩饱和抗压强度＜30MPa，属于较软岩。

地层整体富水，基岩裂隙水明显，易汇集成股状流水。全、强、中风化板岩在地层竖向和隧道纵向频繁交互，风化层理明显，整体稳定性差，水理性差，遇水易软化变形、掉块、崩解脱空，强度和承载能力骤减。尤其在刀盘前方及上方形成脱空区、脱空带或透水通道，如地层中存在持续水力补给，其风险性更高，掌子面及拱部地层易坍塌，地面沉降敏感，盾构须长期保压掘进。

地层节理裂隙发育，透水性较好，渗透系数高，岩石强度低，全、强风化层遇水易胶结，渣土有胶结性，刀盘开挖扭矩高，推力高，刀盘开口、刀箱及土仓隔板处易形成泥饼及堆块，摩阻力大，滚刀易偏磨。螺旋机排渣表现为泥水离析，渣体粘性胶结成团成块，碎块状渣体较少，在出现螺旋机喷涌的同时，易出现排土不畅，掘进效率低。

因此希望有一种富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法来克服或至少减轻上述的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法来克服现有技术中存在的上述问题。

为实现上述目的，本发明提供一种富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，通过刀盘面板加注通道和盾构刀盘前方各辐臂上的孔位，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注高浓度泡沫，与此同时通过土仓内的加注通道和孔位，采用聚合物加注系统向渣土加注低掺量高分子聚合物进行复合加注。

优选地，所述低掺量高分子聚合物采用水溶性的聚丙烯酰胺类颗粒。

优选地，所述高浓度泡沫的添加剂由表面活性剂、稳定剂、强化剂和渗透剂复配而成，且载体为水。

优选地，所述刀盘面板加注通道的数量是3路或4路。

优选地，所述土仓内的加注通道数量是1路或2路。

优选地，所述孔位为土仓上半仓孔位。

优选地，还可以在螺旋机内采用聚合物加注系统向渣土加注所述低掺量聚合物。

优选地，所述低掺量高分子聚合物的聚合物掺量：3～5‰，地层注入率：20％～30％。

优选地，所述高浓度泡沫的泡沫浓度：4～5％；地层注入率(FIR)：50％～60％；泡沫膨胀率(FER)：1：12～1：14。

本发明提供了一种全断面极硬辉绿岩地层盾构掘进用渣土改良方法，该方法具有以下有益效果：1.封闭开挖面和拱部地层，减少脱空坍塌，控制沉降；2.提高渣土的止水性，降低开挖面透水性，减少地下水对开挖面和拱部地层的冲蚀影响，保持开挖面自稳性；3.增加渣土可排性，减少粘附，防止结泥饼，降低刀盘开挖扭矩和螺旋输送机扭矩。该方法改善了盾构掘进参数，提高了掘进效率，并且改善了渣土的不良状态，提高其流动性，以利于建立土压平衡效果。

具体实施方式

在本发明一宽泛实施例中，一种富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，通过刀盘面板加注通道和盾构刀盘前方各辐臂上的孔位，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注高浓度泡沫，与此同时通过土仓内的加注通道和孔位，采用聚合物加注系统向渣土加注低掺量高分子聚合物进行复合加注。

渣土改良材料一般有表面活性剂类(如泡沫剂)、矿物类(如粘土或膨润土)、高分子类(如聚合物)和其他复合添加材料。其加注位置一般为分布在刀盘面板、土仓隔板和螺旋机筒体上的注入孔，其材料选取和加注方法应根据掘进地层的特征和盾构设备能力和配置特点进行综合考虑，一般对于复杂地层宜采取复合添加，多途径注入的原则，即选取两种以上添加剂材料，在刀盘、土仓和螺旋机处选择合适的孔位，按照合理的分配路径，依照各自添加系统和途径，同时组合注入，以取得较好的改良效果。

盾构掘进渣土改良用高分子聚合物添加剂材料分为不溶性和水溶性两大类。

不溶性聚合物主要为：高吸水性树脂类(SuperAbsorbentPolymer，简称SAP)，也称超强高分子吸水材料，高吸水性聚合物，根据原料来源主要分为淀粉类、纤维素类、合成聚合物类(聚丙烯酸类、聚乙烯醇类、聚氧乙烯类)三大类。盾构施工渣土改良时常用聚丙烯酸盐。此类高分子具有高吸水性，加压保水性、增稠性等特性，吸水后，体积可膨胀至数十至数千倍，其吸水机理主要为物理吸附(毛细管的吸附原理，有压力时水会流出)和化学吸附(通过化学键的方式把水和亲水性物质结合在一起成为一个整体。加压也不能把水放出)。

水溶性聚合物：也称水溶性高分子材料，主要分为三类：天然水溶性高分子，主要有淀粉类，海藻类等；半合成水溶性高分子，主要有改性纤维素(CMC等)、改性淀粉；合成水溶性高分子，主要有聚合类树脂(聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇、聚氧化乙烯等)，缩合类树脂(环氧树脂、聚氨酯树脂等)。盾构施工渣土改良时常用聚丙烯酰胺(PAM)。水溶性聚合物中的亲水基团不仅使其具有水溶性，而且还具有化学反应功能，以及分散、絮凝、增粘、减阻、粘合、成膜、成胶、螯合等多种物理功能。具有水溶性、分散作用、絮凝作用、增粘性、减阻作用、流变性、悬浮作用等。

当聚合物溶液加入土体中时，聚合物因吸水而膨胀，使土体变得干燥，防止喷涌的发生；可以连接土体中的微小颗粒，增强开挖面水土的粘性，降低土体渗透性；改善渣土流塑性，润滑土体并助于在螺旋输送机中形成土塞效应；减低土体与刀盘刀具的粘着力。

盾构用高分子聚合物是一种在现场配制而成均质的具有一定粘度的可流动液体，经管道输送到刀盘、土仓、螺旋输送机内，从而增加碴土的粘滞性，改善刀盘的工作环境，增加土仓的密封和便于碴土的运输。

高分子聚合物注入土体后，可产生以下作用：使盾构前方土体均匀；加大土的坍落度；降低土的透水性，起到隔水的作用；降低刀盘扭矩，减少机具磨损；减少土的粘性，防止“泥饼”现象。为解决砂性土的塑流，改变土的成分，以保证土的流动性和减少土的透水性，使开挖面保持稳定。

高分子聚合物用于盾构渣土改良的作用：

(1)良好的抑制地层粘土分散能力，有利于盾构粘土层时开挖面的稳定。

(2)高分子聚合物所形成的网架结构，在盾构开挖砂土、砂卵层时可稳定土层结构，抑制砂土、砂卵层分散流动，该体系有利于泥饼的形成，有利于巩固隧道砂土层分散流动。

(3)高分子聚合物具有抗无机盐污染能力，在高矿化度的水型中应用也具有良好的稳定性。

(4)高分子聚合物具有选择性絮凝作用，通过高聚物自身的交联特性可以将粉砂性土体的小颗粒聚结成较大颗粒，对于高含水地层可以起到堵水的效果。

(5)能够有效地缓解盾构掘进中的喷涌现象，保持渣土良好的流塑性。

所述低掺量高分子聚合物采用水溶性的聚丙烯酰胺类颗粒。

泡沫是由多种表面活性剂、稳定剂、强化剂和渗透剂等复配而成的，载体为水。作为发泡液主要成分的表面活性剂，是由聚合而成的长链分子构成的，含有憎水基和亲水基，可以起到渗透、乳化、发泡、减摩等作用效果。在工作过程中与水混合，通过压缩空气，经泡沫发生装置，使液体膨胀产生泡沫，注入到盾构刀盘、土仓和螺旋输送机内，以进一步改善开挖面土体的物理和力学性质，增加其塑性流动性和止水性，防止切削土砂粘附在刀盘及螺旋输送机内，避免闭塞现象，减轻机械负荷，降低刀盘扭矩和推力，起到土体改良的作用。

泡沫是典型的气－液二相系，其90％以上为空气，10％为泡沫剂溶液；而泡沫剂溶液90％～99％为水，其余为泡沫剂原液。

(1)表面张力减小。水的表面覆盖了一层表面活性剂，其憎水基与空气接触，从而减小水的表面张力。

(2)吸附性。当表面活性剂加入液体中，它可以吸附在固体－液体，液体－气体和不同液体的分界面上，形成定向排列，形成吸附膜。

(3)润滑作用。表面张力的减小增加了润滑作用。由于结合水的流动使原来被结合水束缚的土颗粒能自由流动。

(4)静电排斥作用。使得由静电力结合的土粒分开。表面活性剂吸附在土体内微小裂缝的表面，增加裂缝的深度，减弱微小裂缝的愈合能力，增强扩散能力，并使得土颗粒带有相同的电荷而相互排斥。

(5)加入泡沫的混合土体的密实度有较大变化，泡沫置换了渣土中的部分颗粒和水分，使得混合土体密度减小，减小了颗粒之间的接触，气泡起到了一定的润滑作用，降低了接触面的粗糙度，减小了内摩阻力。同时提高了土体的止水性，降低了土体的渗透性。

(6)泡沫混合土体具有一定的弹性、强度和刚度，有助于维持土仓必要的土压力，并使其均匀变化。

泡沫在渣土改良中的作用：

(1)使开挖面土体的强度和刚度得到加强，利于建立土压，维护开挖面稳定性，控制地层沉降。

(2)泡沫有良好的润滑性能和一定的强度、弹性，可降低仓内土体的内摩擦角，改善土仓内土体的流塑性，利于稳定土压，实现土压平衡，维护开挖面稳定；利于提高开挖土体的流动性，增加渣土的可排性，使土仓和螺旋排土通畅；防止“闭塞”现象发生；泡沫具有压缩性，可提高改良后的开挖土的压缩性，抑制“泥饼”问题的发生，降低刀盘和螺旋输送机的扭矩，改善掘进参数；吸附在颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒与刀盘系统的直接摩擦，利于减少刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损，冷却刀具。

(3)泡沫能置换土颗粒间隙中的水，利于降低渣土的渗透性，提高其止水性，减小地下水流失，减少喷涌。

(4)在松散的砂卵石地层中，可填充和置换砂石颗粒间隙，增加颗粒之间的粘聚力，改善土体的受力状况，使土体传力均匀，利于调整土仓压力，保证稳定掘进，同时因其良好的扩散性和渗透性，在刀盘的搅拌下迅速渗透到渣土中，包裹砂卵石颗粒，降低了土体的密实度，改善土体的流塑性，降低开挖扭矩。

所述高浓度泡沫的添加剂由表面活性剂、稳定剂、强化剂和渗透剂复配而成，且载体为水。

所述刀盘面板加注通道的数量是3路或4路。

所述土仓内的加注通道数量是1路或2路。

所述孔位为土仓上半仓孔位。

还可以在螺旋机内采用聚合物加注系统向渣土加注所述低掺量聚合物。

经现场定期试验验证，确定在富水风化不均板岩交互地层中，因其地下水丰富，故在刀盘前方加注高浓度泡沫，并适当提高泡沫膨胀率，增强泡沫稳定性，延迟消散；在土仓加注低掺量高分子聚合物。

与掘进速度和实际地层特征相匹配的添加泡沫掺量配比如下：

泡沫浓度：4～5％；地层注入率(FIR)：50％～60％；泡沫膨胀率(FER)：1：12～1：14。

泡沫浓度：5％；地层注入率(FIR)：60％；泡沫膨胀率(FER)：1：14。

聚合物掺量：3‰，地层注入率：20％。

聚合物掺量：5‰，地层注入率：30％。

泡沫和低掺量高分子聚合物同时复合加注。即在刀盘前方各辐臂上的注入孔加注高浓度泡沫剂，采用泡沫拌合和发生系统，选择3～4路通道加注；同时在土仓内选择合理孔位加注低掺量的聚合物，采用聚合物加注系统，选择1～2路加注通道，可选择上半仓孔位。根据实际地层特征，强富水地层时，可辅助选择在螺旋机内加注1路聚合物。可根据实际地层特征，适时调整加注通道的具体分配，以求复合加注的最佳改良效果。

通过刀盘前方添加高浓度泡沫改良土体，进入土仓的渣土流塑性明显提高，刀盘扭矩和推力下降至合理区间，掘进参数得到大幅改善，开挖面崩解脱空减少，地层沉降可控。渣土温度降低，刀盘及螺旋粘结减少，刀具磨损量下降。通过土仓和螺旋输送机同步复合添加高分子聚合物，土压平衡效果易于建立，仓内渣土的流塑性和止水性提高，利于保压封水，控制沉降，同时减少螺旋喷涌。总体改善了渣土状态和施工参数，增强了施工连续性，提高了掘进效率。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，通过刀盘面板加注通道和盾构刀盘前方各辐臂上的孔位，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注高浓度泡沫，与此同时通过土仓内的加注通道和孔位，采用聚合物加注系统向渣土加注低掺量高分子聚合物进行复合加注。

2.如权利要求1所述的富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，所述低掺量高分子聚合物采用水溶性的聚丙烯酰胺类颗粒。

3.如权利要求1所述的富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，所述高浓度泡沫的添加剂由表面活性剂、稳定剂、强化剂和渗透剂复配而成，且载体为水。

4.如权利要求1所述的富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，所述刀盘面板加注通道的数量是3路或4路。

5.如权利要求1所述的富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，所述土仓内的加注通道数量是1路或2路。

6.如权利要求1所述的富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，所述孔位为土仓上半仓孔位。

7.如权利要求1所述的富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，还可以在螺旋机内采用聚合物加注系统向渣土加注所述低掺量聚合物。

8.如权利要求2所述的富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，所述低掺量高分子聚合物的聚合物掺量：3～5‰，地层注入率：20％～30％。

9.如权利要求3所述的富水风化不均板岩交互地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，所述高浓度泡沫的泡沫浓度：4～5％；地层注入率(FIR)：50％～60％；泡沫膨胀率(FER)：1:12～1:14。