CN106032755A - 复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，包括：步骤一：分析复合地层掌子面的土层种类及组成比例；步骤二：确定单一土层添加剂种类及配比；以及步骤三：确定复合地层添加剂种类及配比，在步骤三中，如果复合地层中全部单一土层的添加剂种类均相同，则复合地层的添加剂种类与单一土层的添加剂种类相同，如果复合地层中至少一个单一土层的添加剂种类与其它单一土层的添加剂种类不同，则根据掌子面土体中细颗粒含量来确定复合地层的添加剂种类。

Description

复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，根据开挖断面的土层构成来确定添加剂种类及配比。

背景技术

土压平衡盾构机传统上主要适用于粉土、淤泥质粉土、黏土等黏稠土层的施工。这些土层往往可以通过少量土体改良或不需土体改良就能满足盾构施工要求。土体改良需要使用添加剂。随着土压平衡盾构机和土体改良技术的进步，其应用的土层范围不断扩大，如砂层、圆砾层、卵石层、漂石层、残积层、风化岩层等。确定用于这些土层的添加剂往往是比较困难的。特别是对于由不同土层形成的复合地层(如掌子面是粘土和砂的复合地层)，更是难以确定添加剂及配比，容易造成添加剂种类选择不当及配比的不确定性，导致复合地层往往难以达到盾构施工所需的土体性能，造成许多施工问题，如掌子面动态土压平衡状态难以建立、刀具异常磨损及磨损过快、“结饼”和成拱闭塞等等，严重时甚至发生地面沉降、塌陷、拖延工期、盾构机损坏等施工事故。

关于由一种土层形成的单一地层盾构施工添加剂选择及配比，在授权公告号为CN02359925B、授权公告日为2012年12月26日、发明名称为“成套土压平衡盾构施工土体改良试验方法”的中国专利中，提出了一种土压平衡盾构施工土体改良试验方法，能够对单一地层确定添加剂及配比。但是，上述专利不能对复合地层进行添加剂种类选择及配比。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，从而改善复合地层土压平衡盾构施工土体改良效果，提高盾构施工效率。

为了实现上述目的，本发明提供一种复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，包括：

步骤一：分析复合地层掌子面的土层种类及组成比例；

步骤二：确定单一土层添加剂种类及配比；以及

步骤三：确定复合地层添加剂种类及配比，

在步骤三中，如果复合地层中全部单一土层的添加剂种类均相同，则复合地层的添加剂种类与单一土层的添加剂种类相同，如果复合地层中至少一个单一土层的添加剂种类与其它单一土层的添加剂种类不同，则根据掌子面土体中细颗粒含量来确定复合地层的添加剂种类，这是因为渣土的塑流性与土体中的细颗粒含量密切相关。

本发明的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，如果掌子面土体中粒径小于等于0.075mm的细颗粒含量小于30％，则复合地层的添加剂种类是泡沫和泥浆。

本发明的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，如果掌子面土体中粒径小于等于0.075mm的细颗粒含量大于等于30％，则复合地层的添加剂种类是泡沫。

本发明的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，如果复合地层中全部单一土层的添加剂种类均相同，则复合地层的添加剂配比计算如下，

当复合地层的添加剂为泡沫时，添加剂配比的计算公式是式1：

AIR_f＝FIR₁×ω₁+FIR₂×ω₂+……+FIR_n×ω_n (1)

当复合地层的添加剂为泡沫和泥浆时，添加剂配比的计算公式是式2：

AIR_f＝FIR₁×ω₁+FIR₂×ω₂+……+FIR_n×ω_n

AIR_s＝SIR₁×ω₁+SIR₂×ω₂+……+SIR_n×ω_n (2)

在式1和式2中，

AIR_f是复合地层的泡沫注入比，

n是复合地层掌子面的土层种类的数量，

FIR_n是第n种土层的泡沫注入比，

ω_n是第n种土层占整个掌子面的体积百分含量，

AIR_s是复合地层的泥浆注入比，

SIR_n是第n种土层的泥浆注入比。

本发明的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，如果复合地层中至少一个单一土层的添加剂种类与其它单一土层的添加剂种类不同，则复合地层的添加剂配比计算如下，

当复合地层的添加剂为泡沫和泥浆时，添加剂配比的计算公式是式3：

AIR_f＝(FIR₁₁×ω₁₁+...+FIR_p1×ω_p1)+(FIR₁₂×ω₁₂+...+FIR_q2×ω_q2) (3)

AIR_s＝SIR₁₁×ω₁₁+SIR₂₁×ω₂₁+……+SIR_p1×ω_p1

当复合地层的添加剂为泡沫时，添加剂配比的计算公式是式4，其中，为了保证整个掌子面注入的添加剂体积不变，在添加剂为泡沫和泥浆的土层中，取消泥浆，同时增加相同体积的泡沫：

AIR_f＝[(SIR₁₁+FIR₁₁)×ω₁₁+...+(SIR_p1+FIR_p1)×ω_p1)] (4)

+(FIR₁₂×ω₁₂+...+FIR_q2×ω_q2)

在式3和式4中，

p是掌子面范围内添加剂为泡沫和泥浆的土层的数量，

q是掌子面范围内添加剂为泡沫的土层的数量，p+q＝n，

FIR_p1是第p种土层的泡沫注入比，

SIR_p1是第p种土层的泥浆注入比，

ω_p1是第p种土层占整个掌子面的体积百分含量，

FIR_q2是第q种土层的泡沫注入比，

ω_q2是第q种土层占整个掌子面的体积百分含量。

本发明的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，在步骤一中，对掌子面土层取样，对土样进行室内物理性能试验，确定不同土层种类、细颗粒成分含量、含水量参数，绘制掌子面地质剖面图，确定掌子面复合土层的分布，计算不同土层所占掌子面的体积比例。

本发明的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，根据掌子面不同土层组成比例选择合适的添加剂种类，优化土压平衡盾构施工添加剂配比，从而改善复合地层土压平衡盾构施工土体改良效果。本发明的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，能够为复合地层盾构施工添加剂使用提供依据，保证盾构安全，经济、快速施工，并且能够准确确定复合地层添加剂种类及配比，方案科学合理，试验效果显著，为土压平衡盾构在复合地层的施工中有效、经济地使用添加剂改良土体提供评价和计算方法。

附图说明

图1是复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法的流程图。

图2是砂的级配曲线。

图3是复合地层地质剖面图。

图4是复合地层盾构施工掌子面土层组成比例图。

具体实施方式

以下以一个例子来说明本发明的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法的具体实施方式，其步骤如下。

步骤一：分析复合地层掌子面的土层种类及组成比例

首先进行试验土样的取样。试验土样取自盾构所穿越的地层。在这个例子中，掌子面范围内存在两种土层，粉质粘土层和砂层。其中，粉质粘土的塑性指数为10.3，液性指数是0.35；砂的级配曲线如图2所示，粒径大于0.25mm的颗粒含量大于50％，为中砂。从图2中可以看出，粒径小于等于0.075mm的颗粒含量大约为4％，几乎不存在。

通过钻井勘探，得到地质剖面图如图3所示，掌子面土层组成比例如图4所示。通过计算可以得到，中砂占掌子面体积的百分含量为45％，粉质粘土占掌子面体积的百分含量为55％。

步骤二：确定单一土层添加剂种类及配比

根据中国专利CN02359925B“成套土压平衡盾构施工土体改良试验方法”来确定在步骤一中所确定的每个土层(即，粉质粘土层和砂层)的添加剂种类及配比。这种方法包括两方面试验，一是添加剂试验，二是改良土体试验。粉质粘土使用的添加剂为泡沫，中砂使用的添加剂为泡沫和膨润土泥浆。通过泡沫试验和泥浆试验得到：泡沫浓度为4％时，泡沫的稳定性较好，发泡倍率合适，较为理想；钠基膨润土泥浆的浓度为10％时，性能最佳。改良土体试验通过坍落度试验、搅拌试验、LCNC磨擦试验和盾构模型试验来优化添加剂配比，得到粉质粘土的最佳添加剂配比为泡沫注入比为30％；中砂的最佳添加剂配比为泡沫注入比为10％左右，泥浆注入比为10％。

步骤三：确定复合地层添加剂种类及配比

3.1添加剂种类选择

由步骤二可知，掌子面范围内的两种土层使用的添加剂种类不一致，需要结合整个掌子面土体中细颗粒含量的多少来综合分析决定添加剂种类。由步骤一可知，中砂细颗粒成分占4％，粉质粘土的细颗粒成分为100％，因此，掌子面土体内细颗粒成分含量为56.8％(100％×55％+4％×45％＝56.8％)，远大于30％，因此添加剂为泡沫。

3.2添加剂配比

因为掌子面土体内细颗粒成分(粒径≤0.075mm)为56.8％，则添加剂配比计算公式为式(4)，计算结果为(其中，p＝1，q＝1)：

AIR_f＝[(SIR₁₁+FIR₁₁)×ω₁₁+...+(SIR_p1+FIR_p1)×ω_p1)]+(FIR₁₂×ω₁₂+...+FIR_q2×ω_q2)

＝(10+10)×45％+30×55％

＝25.5％

由此可见，在这个例子中，复合地层的添加剂为泡沫，最佳泡沫注入比为25.5％。

Claims (6)

1.一种复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，包括：

步骤一：分析复合地层掌子面的土层种类及组成比例；

步骤二：确定单一土层添加剂种类及配比；以及

步骤三：确定复合地层添加剂种类及配比，

在步骤三中，如果复合地层中全部单一土层的添加剂种类均相同，则复合地层的添加剂种类与单一土层的添加剂种类相同，如果复合地层中至少一个单一土层的添加剂种类与其它单一土层的添加剂种类不同，则根据掌子面土体中细颗粒含量来确定复合地层的添加剂种类。

2.根据权利要求1所述的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，其特征在于，如果掌子面土体中粒径小于等于0.075mm的细颗粒含量小于30％，则复合地层的添加剂种类是泡沫和泥浆。

3.根据权利要求1所述的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，其特征在于，如果掌子面土体中粒径小于等于0.075mm的细颗粒含量大于等于30％，则复合地层的添加剂种类是泡沫。

4.根据权利要求1所述的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，其特征在于，如果复合地层中全部单一土层的添加剂种类均相同，则复合地层的添加剂配比计算如下，

当复合地层的添加剂为泡沫时，添加剂配比的计算公式是式1：

AIR_f＝FIR₁×ω₁+FIR₂×ω₂+……+FIR_n×ω_n (1)

当复合地层的添加剂为泡沫和泥浆时，添加剂配比的计算公式是式2：

AIR_f＝FIR₁×ω₁+FIR₂×ω₂+……+FIR_n×ω_n

AIR_s＝SIR₁×ω₁+SIR₂×ω₂+……+SIR_n×ω_n (2)

在式1和式2中，

AIR_f是复合地层的泡沫注入比，

n是复合地层掌子面的土层种类的数量，

FIR_n是第n种土层的泡沫注入比，

ω_n是第n种土层占整个掌子面的体积百分含量，

AIR_s是复合地层的泥浆注入比，

SIR_n是第n种土层的泥浆注入比。

5.根据权利要求4所述的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，其特征在于，如果复合地层中至少一个单一土层的添加剂种类与其它单一土层的添加剂种类不同，则复合地层的添加剂配比计算如下，

当复合地层的添加剂为泡沫和泥浆时，添加剂配比的计算公式是式3：

AIR_f＝(FIR₁₁×ω₁₁+...+FIR_p1×ω_p1)+(FIR₁₂×ω₁₂+...+FIR_q2×ω_q2)

AIR_s＝SIR₁₁×ω₁₁+SIR₂₁×ω₂₁+……+SIR_p1×ω_p1 (3)

当复合地层的添加剂为泡沫时，添加剂配比的计算公式是式4，其中，为了保证整个掌子面注入的添加剂体积不变，在添加剂为泡沫和泥浆的土层中，取消泥浆，同时增加相同体积的泡沫：

AIR_f＝[(SIR₁₁+FIR₁₁)×ω₁₁+...+(SIR_p1+FIR_p1)×ω_p1)]

+(FIR₁₂×ω₁₂+...+FIR_q2×ω_q2) (4)

在式3和式4中，

p是掌子面范围内添加剂为泡沫和泥浆的土层的数量，

q是掌子面范围内添加剂为泡沫的土层的数量，p+q＝n，

FIR_p1是第p种土层的泡沫注入比，

SIR_p1是第p种土层的泥浆注入比，

ω_p1是第p种土层占整个掌子面的体积百分含量，

FIR_q2是第q种土层的泡沫注入比，

ω_q2是第q种土层占整个掌子面的体积百分含量。

6.根据权利要求1所述的复合地层土压平衡盾构施工添加剂选择及配比方法，其特征在于，在步骤一中，对掌子面土层取样，对土样进行室内物理性能试验，确定不同土层种类、细颗粒成分含量、含水量参数，绘制掌子面地质剖面图，确定掌子面复合土层的分布，计算不同土层所占掌子面的体积比例。