CN107459324B - 一种盾构用防地层沉降壳体填充材料及其制备方法 - Google Patents

一种盾构用防地层沉降壳体填充材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种盾构用防地层沉降壳体填充材料及其制备方法，由材料A和材料B混合而成，其中，材料A由以下组分组成：膨润土25%‑30%，增稠剂3%‑5%，胶体稳定剂3%‑5%，防水剂1%‑6%，余量为水；材料B由以下组分组成：水玻璃45%‑55%，余量为水；材料A和材料B的体积比为1：0.8‑1.2。本发明的填充材料中，材料A和材料B可等体积泵送，且材料A和材料B相遇混合后，可快速粘稠化，且粘稠度高、具有一定的支撑强度，所以，即使将材料A和材料B分别泵送至盾构壳体外，仍可以有效填充盾构壳体上方的间隙，并可以有效防止地层沉降。

Description

一种盾构用防地层沉降壳体填充材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及地下工程盾构施工领域，具体涉及一种盾构用防地层沉降壳体填充材料及其制备方法。
背景技术
随着地铁建设的不断发展，盾构法隧道施工被越来越广泛的应用，地层沉降是盾构法施工无法避免的难题，地面沉降量过大会造成地面坍塌、建筑物坍塌等事故。由于刀盘超挖造成的土体与盾构壳体之间的间隙是地层沉降的最主要原因，因此需要往间隙中填充壳体填充材料来防止地层沉降。壳体填充材料作为防止地层沉降的一种重要材料，其研究正受到越来越多的关注，市面上的填充材料大多采用水泥浆和水玻璃等，这两种材料快速凝固后不再具有可塑性，容易造成盾构卡死，延误工期。而且这两种材料的抗沉陷性能较弱，容易对盾体造成损伤，增加施工成本。
现有技术中虽然已经有一种盾构壁后充填注浆方式，将以黏土矿物为主要成分的A液和少量以水玻璃为主要成分的B液混合均匀后注入衬砌管片与地层间的空隙中，该种浆液中的A液和B液混合后不会凝固，可防止盾构卡死的现象。A液和B液的体积比为50-100:1，B液的使用量较小，只能将两溶液混合均匀后注浆，而无法采用A液和B液交替注浆的方式。但是A液和B液混合均匀后的填充材料具有非常高的粘度，大大增大了泵送的难度，而且混合浆液粘度较高时，虽然可以实现较高的承载强度，但是由于浆液的流动性降低，降低了填充的均匀程度。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种盾构用防地层沉降壳体填充材料及其制备方法。在盾构掘进的过程中，使用该材料可有效防止地层沉降，大大降低盾构卡死的风险，为施工人员提供一个安全的施工环境，同时降低工程造价，加快施工进度，具有良好的经济和社会效益。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种盾构用防地层沉降壳体填充材料，有材料A和材料B混合而成，其中，
材料A由以下组分组成：膨润土25％-30％，增稠剂3％-5％，胶体稳定剂3％-5％，防水剂1％-6％，余量为水；
材料B由以下组分组成：水玻璃45％-55％，余量为水；
材料A和材料B的体积比为1：0.8-1.2。
优选的，材料A由以下组分组成：膨润土25％-27％，增稠剂3％-4％，胶体稳定剂3％-4％，防水剂1％-6％，余量为水；
材料B由以下组分组成：水玻璃45％-50％，余量为水；
材料A和材料B的体积比为1:1。
进一步优选的，材料A由以下组分组成：膨润土26％，增稠剂4％，胶体稳定剂4％，防水剂3％，余量为水；
材料B由以下组分组成：水玻璃50％，余量为水；
材料A和材料B的体积比为1:1。
优选的，所述增稠剂为羟乙基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、石蜡树脂、聚丙烯酸、聚氨酯、淀粉中的一种、两种或多种组合。
优选的，所述胶体稳定剂为缓凝剂、防止剂、阻锈剂、防冻剂和泵送剂中的一种、两种或多种的组合。
优选的，所述防水剂为高级脂肪酸防水剂、混凝土防水剂、有机硅防水剂中的一种、两种或多种的组合。
上述盾构用防地层沉降壳体填充材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将膨润土与水混合均匀，然后向其中依次加入胶体稳定剂和增稠剂，不停搅拌至全部组分溶解完全，得到材料A；
2)将水玻璃和水按比例混合均匀，得到材料B；
3)将材料A和材料B混合，得到填充材料。
具体使用时，分别利用盾构机的柱塞泵A和柱塞泵B将等体积的材料A和材料B泵送至盾构壳体外侧，泵送结束后，采用清洗水对管道进行清洗。
本发明的有益效果为：
1)本发明的填充材料是一种具有变化性但不可硬化的可塑性粘土材料，可起到承压和润滑的作用，大大降低盾构卡死的风险，降低施工成本。
2)本发明的填充材料中，材料A和材料B可等体积泵送，且材料A和材料B相遇混合后，可快速粘稠化，且粘稠度高、具有一定的支撑强度，所以，即使将材料A和材料B分别泵送至盾构壳体外，仍可以有效填充盾构壳体上方的间隙，并可以有效防止地层沉降。
3)本发明的填充材料具有良好的抗稀释性和挡水性，可以有效防止地下水渗入盾构和隧道内部，为施工工人提供一个安全的施工环境；
4)本填充材料具有较高的抗沉陷性，可有效防止岩体下沉，减少对盾构壳体所造成损伤；
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
术语解释部分：
膨润土，是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，具有强的吸湿性和膨胀性，在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状，这种介质溶液具有一定的黏滞性、触变性和润滑性，作为主体部分与水玻璃混合能够形成具有变化性但不可硬化的可塑性粘土材料。
增稠剂，是指用于提高产品的黏度或稠度的高分子材料，具有用量小、增稠明显、使用方便等特点。
胶体稳定剂，是指用于帮助材料A和材料B之间形成化学粘合的助剂，可以提高填充材料的粘合性和润湿性，用于调整并维持填充材料的填充性能。
防水剂，是指用于抗渗防水的材料，可以改善填充材料的和易性和抗渗功能。
水玻璃，为硅酸钠的水溶液，是一种矿黏合剂。
实施例1
按照以下比例配制材料A和材料B，并将其混合得到盾构用壳体填充材料：
材料A：膨润土：25％，胶体稳定剂：3％，增稠剂：3％，防水剂1％，水：66％。
材料B：水玻璃：50％，水：50％。
所述胶体稳定剂为缓凝剂；
增稠剂为聚丙烯酰胺；
防水剂为有机硅防水剂。
先将膨润土和水按比例均匀混合，并不断搅拌，待其混合均匀后向其中依次加入胶体稳定剂、增稠剂和防水剂，期间不断搅拌得到材料A。将水玻璃和水按比例均匀混合得到材料B，两种材料按1：1比例混合，得到填充材料。
使用时，分别将等体积的材料A和材料B泵送至盾构壳体外侧混合，获得具有良好粘度和支撑强度的填充材料。
实施例2
按照以下比例配制材料A和材料B，并将其混合得到盾构用壳体填充材料：
材料A：膨润土：26％，胶体稳定剂：4％，增稠剂：4％，防水剂：3％，水：63％。
材料B：水玻璃：50％，水：50％。
所述胶体稳定剂为缓凝剂；
增稠剂为聚丙烯酰胺；
防水剂为有机硅防水剂。
先将膨润土和水按比例均匀混合，并不断搅拌，待其混合均匀后向其中依次加入胶体稳定剂、增稠剂和防水剂，期间不断搅拌得到材料A。将水玻璃和水按比例均匀混合得到材料B，两种材料按1：1比例混合，得到填充材料。
使用时，分别将等体积的材料A和材料B泵送至盾构壳体外侧混合，在极短的时间内即可获得具有良好粘度和支撑强度的填充材料。
实施例3
按照以下比例配制材料A和材料B，并将其混合得到盾构用壳体填充材料：
材料A：膨润土：25％，胶体稳定剂：5％，增稠剂：5％，防水剂：5％，水：60％。
材料B：水玻璃：50％，水：50％。
所述胶体稳定剂为缓凝剂；
增稠剂为聚丙烯酰胺；
防水剂为有机硅防水剂。
先将膨润土和水按比例均匀混合，并不断搅拌，待其混合均匀后向其中依次加入胶体稳定剂、增稠剂和防水剂，期间不断搅拌得到材料A。将水玻璃和水按比例均匀混合得到材料B，两种材料按1：1比例混合，得到填充材料。
使用时，分别将等体积的材料A和材料B泵送至盾构壳体外侧混合，在极短的时间内即可获得具有良好粘度和支撑强度的填充材料。
实施例4
按照以下比例配制材料A和材料B，并将其混合得到盾构用壳体填充材料：
材料A：膨润土：26％，胶体稳定剂：4％，增稠剂：4％，防水剂：3％，水：63％。
材料B：水玻璃：50％，水：50％。
所述胶体稳定剂为泵送剂；
增稠剂为聚丙烯酰胺；
防水剂为有机硅防水剂。
先将膨润土和水按比例均匀混合，并不断搅拌，待其混合均匀后向其中依次加入胶体稳定剂、增稠剂和防水剂，期间不断搅拌得到材料A。将水玻璃和水按比例均匀混合得到材料B，两种材料按1：1比例混合，得到填充材料。
使用时，分别将等体积的材料A和材料B泵送至盾构壳体外侧混合，在极短的时间内即可获得具有良好粘度和支撑强度的填充材料。
实施例5
按照以下比例配制材料A和材料B，并将其混合得到盾构用壳体填充材料：
材料A：膨润土：26％，胶体稳定剂：4％，增稠剂：4％，防水剂：3％，水：63％。
材料B：水玻璃：50％，水：50％。
所述胶体稳定剂为缓凝剂；
增稠剂为甲基纤维素；
防水剂为有机硅防水剂。
先将膨润土和水按比例均匀混合，并不断搅拌，待其混合均匀后向其中依次加入胶体稳定剂、增稠剂和防水剂，期间不断搅拌得到材料A。将水玻璃和水按比例均匀混合得到材料B，两种材料按1：1比例混合，得到填充材料。
使用时，分别将等体积的材料A和材料B泵送至盾构壳体外侧混合，在极短的时间内即可获得具有良好粘度和支撑强度的填充材料。
实施例6
按照以下比例配制材料A和材料B，并将其混合得到盾构用壳体填充材料：
材料A：膨润土：26％，胶体稳定剂：4％，增稠剂：4％，防水剂：3％，水：63％。
材料B：水玻璃：50％，水：50％。
所述胶体稳定剂为缓凝剂；
增稠剂为羟乙基纤维素；
防水剂为有机硅防水剂。
先将膨润土和水按比例均匀混合，并不断搅拌，待其混合均匀后向其中依次加入胶体稳定剂、增稠剂和防水剂，期间不断搅拌得到材料A。将水玻璃和水按比例均匀混合得到材料B，两种材料按1：1比例混合，得到填充材料。
使用时，分别将等体积的材料A和材料B泵送至盾构壳体外侧混合，在极短的时间内即可获得具有良好粘度和支撑强度的填充材料。
对比例7
按照以下比例配制材料A和材料B，并将其混合得到盾构用壳体填充材料：
材料A：膨润土：26％，胶体稳定剂：4％，增稠剂：4％，水：66％。
材料B：水玻璃：50％，防水剂：3％，水：47％。
所述胶体稳定剂为缓凝剂；
增稠剂为聚丙烯酰胺；
防水剂为有机硅防水剂。
先将膨润土和水按比例均匀混合，并不断搅拌，待其混合均匀后向其中依次加入胶体稳定剂、增稠剂和防水剂，期间不断搅拌得到材料A。将水玻璃和水按比例均匀混合得到材料B，两种材料按1：1比例混合，得到填充材料。
使用时，分别将等体积的材料A和材料B泵送至盾构壳体外侧混合，在极短的时间内即可获得具有良好粘度和支撑强度的填充材料。
对以上7个实施例得到的填充材料采用NDJ-8S数字粘度计测得的粘度数据见表1。
表1
材料A和材料B混合后15s的粘度(mPa﹒s)
实施例1 7940
实施例2 8459
实施例3 8159
实施例4 7459
实施例5 7759
实施例6 7959
实施例7 5459
可见，本发明中的材料A和材料B相遇混合后，15s之内就能达到极高的粘度，完全可以对盾构壳体上方的土体起到良好的支撑作用，同时，制备得到的填充材料不会凝固，解决了盾构容易卡死的问题。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种盾构用防地层沉降壳体填充材料，其特征在于：由材料A和材料B混合而成，其中，
材料A由以下组分组成：膨润土25％-30％，增稠剂3％-5％，胶体稳定剂3％-5％，防水剂1％-6％，余量为水；
材料B由以下组分组成：水玻璃45％-55％，余量为水；
材料A和材料B的体积比为1：0.8-1.2；
所述增稠剂为羟乙基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、石蜡树脂、聚丙烯酸、聚氨酯、淀粉中的一种或多种组合；
所述胶体稳定剂为缓凝剂、泵送剂中的一种或两种的组合；
所述防水剂为高级脂肪酸防水剂、混凝土防水剂、有机硅防水剂中的一种或多种的组合。
2.根据权利要求1所述的盾构用防地层沉降壳体填充材料，其特征在于：材料A由以下组分组成：膨润土25％-27％，增稠剂3％-4％，胶体稳定剂3％-4％，防水剂1％-6％，余量为水；
材料B由以下组分组成：水玻璃45％-50％，余量为水；
材料A和材料B的体积比为1:1。
3.根据权利要求2所述的盾构用防地层沉降壳体填充材料，其特征在于：膨润土26％，增稠剂4％，胶体稳定剂4％，防水剂3％，余量为水；
材料B由以下组分组成：水玻璃50％，余量为水；
材料A和材料B的体积比为1:1。
4.根据权利要求1-3任一所述的盾构用防地层沉降壳体填充材料，其特征在于：所述防水剂为有机硅防水剂。
5.权利要求1-3任一所述盾构用防地层沉降壳体填充材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将膨润土与水混合均匀，然后向其中依次加入胶体稳定剂和增稠剂，不停搅拌至全部组分溶解完全，得到材料A；
2)将水玻璃和水按比例混合均匀，得到材料B；
3)将材料A和材料B混合，得到填充材料。
6.权利要求1-3任一所述盾构用防地层沉降壳体填充材料在盾构填充中的应用。
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