CN108495912A - 用于在隧道建造的机械化挖掘存在下调节土壤的发泡添加剂 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于通过隧道掘进机机械化挖掘的液体发泡添加剂，其包含5‑40重量％的一种或多种表面活性剂、0.01‑5重量％的一种或多种生物聚合物和55‑94.09重量％的水。
Description
本发明涉及用于调节隧道掘进机挖掘的土壤的发泡添加剂。所述添加剂可归类为易生物降解的，且其特征在于所产生的泡沫具有长半衰期，这导致更持久的土壤调节和更好的隧道掌子面稳定性。即使在盐水存在下，本发明所述的添加剂也具有高稳定性。
现有技术
目前，隧道可通过两项主要的技术挖掘：
·使用炸药(传统方法)；
·使用机械设备。
第一种方法涉及周期性应用下文所述的操作，其允许掘进隧道：
1)使用大型机械在隧道掌子面钻出一系列孔并填充炸药；孔的布置和炸药的量以使得拆除岩石的所需部分而不损坏其作为支撑挖掘的天然支撑的部分的方式校正；
2)用推土机和卡车将挖出的材料(称为“泥土”)移走；
3)挖掘由拱肋和喷射混凝土支撑。
该方法基于清除岩石的正确部分，以便在挖掘周围重新分配称为“拱效应”的力，这部分地辅助了钢筋和喷射混凝土的固结作用。
第二种建造技术可分为两个主要类别：部分掌子面系统和全掌子面系统(其涉及同时挖掘整个隧道直径)。在第一种情况下，操作按照已经描述的采用掘进机和破岩机(而不是炸药)的传统方法进行，从而逐渐形成隧道的形状，随后用钢筋混凝土衬砌。在第二种情况下，掘进采用称为隧道掘进机(TBM，也称为“隧道全断面掘进机”)的复杂机器进行，该机器除了实施掌子面的挖掘、支撑和防止塌陷之外，还带走泥土(通过螺旋输送机和输送带)，并且放置由预制钢筋混凝土段组成的最终隧道衬砌。这种机器可以挖掘几乎所有类型的地质材料，包括致密岩(硬岩TBM)、裂隙岩(单盾或双盾TBM)、松散土和地下含水层(EPB—土压平衡机)。
TBM由如下组成：
1)头部，即与隧道掌子面直接接触的前部，其用于挖掘、支撑掌子面、将泥土收集并输送至撤离系统；
2)用于将泥土运输出隧道的系统(如输送带)；
3)位于刀盘和泥土输送系统之间且将挖掘材料收集于其中的挖掘室；材料从螺旋输送机或螺旋钻上的室中排出，并放置在辊式输送机上；
4)隧道衬砌系统。
刀盘配备有不同的工具，且根据待挖掘的地质进行设计。这些工具通常具有三种不同的类型：刀具(cutter)、刮刀(scraper)和松土机。
在TBM中，掘进可在挖掘室持续且完全充满经适当调节的挖掘材料下进行，以保证土壤压力在隧道掌子面上均匀、均一地分布，并防止一次行程和下一次行程之间的压力降低。在一些情况下，取决于地质和水力条件，可使用空的或部分空的挖掘室掘进。在EPB-TBM中，通常的做法是在TBM的不同部分—隧道掌子面、挖掘室和螺旋输送机中向挖掘的土壤或岩石施加调节剂。
已知的稳定剂包括膨润土和聚合物悬浮液。其在一些土壤中可能造成问题，因为其显著增加了土壤的含水量，从而产生难以取出的非常液态的体系。此外，一些土壤(如粘土)可能变粘，难以除去刀盘堵塞点，从而导致效率大幅下降。
在该技术的最新发展中，已提出了聚合物泡沫。其具有显著的优势，即其大大降低了进入土壤中的水。标准的发泡剂配制剂包含发泡剂和稳定剂。
因此，在操作中，将泡沫在挖掘界面处直接注入刀盘中。
EP 1027528公开了一种钻孔方法，其中注入到隧道掌子面中的含水材料的组合物由分子量为2-8百万的聚氧化乙烯和含硫酸根的阴离子表面活性剂组成。
EP 0070074描述了一种发泡添加剂，其由烷基多糖表面活性剂和硫酸盐或磺酸盐和/或羧酸盐助表面活性剂组成。
US 5851960公开了一种挖掘方法，其使用由再水合粘土、水和发泡表面活性剂组成的钻井液。
US 6172010公开了一种由表面活性剂和聚合物组成的含水发泡添加剂，所述聚合物的特征在于具有相反电荷以获得稳定的泡沫。
US 6802673描述了一种含水发泡添加剂，其由阴离子表面活性剂和β-萘磺酸盐甲醛缩合物组成。
US4442018公开了由丙烯酸聚合物、C12-C14和C16醇、C4和C5醇、月桂基硫酸钠或α-烯烃磺酸盐和水组成的用于在水相中产生稳定泡沫的添加剂的组合物。
发明描述
本发明涉及一种新型发泡添加剂，其设计成以0.1-4重量％的百分比添加至水溶液中，能够产生泡沫以注入隧道掌子面。将所述泡沫用于掌子面上以软化土壤并允许更快地取出，并且在调节室中维持隧道掌子面的稳定性。
产生的泡沫的高稳定性(以半衰期表示)使得挖掘室中的调节保持更长的时间。
本发明的添加剂(呈水溶液形式)可归类为易生物降解的，其包含至少一种百分比为5-40重量％的表面活性剂，和至少一种百分比为0.01-5重量％的生物聚合物。水的重量百分比可为55-94.09重量％。所述表面活性剂可为阴离子的、阳离子的或非离子的，优选为阴离子的。优选的阴离子表面活性剂为烷基硫酸盐和烷基杂硫酸盐(heterosulphate)，特别是钠盐。作为阴离子表面活性剂，特别优选的是具有C10-C14烷基链且乙氧基化数为1-9的烷基乙氧基硫酸盐。
术语“生物聚合物”是指由于微生物如细菌、真菌或海藻的作用而可降解的聚合物。其主要为水溶性多糖，其能够在4-12的pH范围内提高含水体系的粘度。优选的生物聚合物为黄原胶和瓜耳胶。
根据OECD 301指南，本发明的发泡添加剂可归类为易生物降解的。
本发明发泡添加剂的特征在于高稳定性，即使在盐水存在下。
所述发泡添加剂还可包含其他用于处理特定问题(例如由于粘土导致的堵塞、防止装在刀盘上的刀具高消耗，或者减少挖掘土壤中存在的水中的可溶性盐的量)的化合物。
本发明的另一目的是使用所述添加剂来产生能够调节挖掘土壤的泡沫。所述添加剂优选以0.1-4.0重量％的百分比添加至泵入泡沫产生器的水中。
本发明添加剂的特征和优点将在下文实施例中更具体地描述。成分的百分比以重量表示。
实施例1
发泡添加剂具有以下组成：
表1：样品的组成
评估通过向5000g水中加入2重量％发泡添加剂制备的水溶液产生的泡沫的稳定性。稳定性以半衰期表示，其表示泡沫重量减半所需的时间。所述测试通过评估在250ml圆筒中释放达到泡沫一半重量/体积的水的时间来进行。
泡沫由产生器形成，该产生器在恒定气流下将液体流输送到玻璃球混合机中。
表2：半衰期
| 半衰期(秒) | |
| 样品1 | 540 |
| 样品2 | 730 |
| 样品3 | 1800 |
| 样品4 | 690 |
表2中列出的数据表明，当生物聚合物的剂量增加时，泡沫稳定性提高。根据OECD301，样品4的生物降解结果使得该产品被归类为易于生物降解的，其在28天后具有84％的值。
实施例2
发泡添加剂具有表1中报告的组成。
用于评估调节稳定性的聚集体为具有明确定义的粒度分布曲线(0.06-0.25mm)的标准石英。
用于调节基质的泡沫是通过从用65g水和0.65g发泡添加剂制备的水溶液出发以2000rpm机器混合产生的。
评估涉及将用表1中报告的发泡添加剂产生的泡沫添加至三个1000g标准石英样品中，并将混合物在Hobart混合机中以标准速率均化3分钟。基质调节以粘度值表示，所述粘度用Brookfield DV-I Prime粘度计，使用锭子D和5rpm速率测定。在混合后0分钟和60分钟评估调节基质的粘度。60分钟后获得的值与最初数据相比的差值越小，则表明由所用的泡沫获得的调节就越好。
结果列于表3中：
表3：调节石英的粘度
在单独加入水下进行的测试得到了无粘性的基质；粘度测量无意义。
表3中列出的数据表明，当使用具有长半衰期的泡沫时，土壤调节的稳定性得以改善。
实施例3
发泡添加剂具有以下组成：
表4：样品的组成
评估通过向5000g水中加入2重量％发泡添加剂制备的水溶液产生的泡沫的稳定性。稳定性以半衰期表示，其表示泡沫重量减半所需的时间。所述测试通过评估在250ml圆筒中释放达到泡沫一半重量/体积的水的时间来进行。
泡沫通过使用恒定气流由产生器形成。
表5：半衰期
| 半衰期(秒) | |
| 样品5 | 480 |
| 样品6 | 530 |
| 样品7 | 560 |
表5中列出的数据表明，当生物聚合物的剂量增加时，泡沫的稳定性提高。
实施例4
发泡添加剂具有以下组成：
表6：样品的组成
评估通过向5000g水中加入2重量％发泡添加剂制备的水溶液产生的泡沫的稳定性。稳定性以半衰期表示，其表示泡沫重量减半所需的时间。所述测试通过评估在250ml圆筒中释放达到泡沫一半重量/体积的水的时间来进行。
泡沫由产生器形成，该产生器在恒定气流下将液体流输送到玻璃球混合机中。
表7：半衰期
| 半衰期(秒) | |
| 样品8 | 600 |
| 样品9 | 7200 |
| 样品10 | 450 |
| 样品11 | 860 |
| 样品12 | 650 |
表7中列出的数据表明，当添加剂中生物聚合物的剂量增加时，泡沫的稳定性提高。
实施例5
发泡添加剂具有以下组成：
表8：样品的组成
评估通过向5000g盐水中添加2重量％发泡添加剂制备的水溶液产生的泡沫的稳定性。所用盐水的特征是具有2％的氯化钠浓度。稳定性以半衰期表示，其表示泡沫重量减半所需的时间。所述测试通过评估在250ml圆筒中释放达到泡沫一半重量/体积的水的时间来进行。
泡沫由产生器形成，该产生器在恒定气流下将液体流输送到玻璃球混合机中。
表9：半衰期
| 半衰期(秒) | |
| 样品13 | 510 |
| 样品14 | 650 |
| 样品15 | 1720 |
表9中列出的数据表明，当添加剂中生物聚合物的量增加时，由盐水溶液产生的泡沫的稳定性提高。
实施例6
发泡添加剂具有以下组成：
表10：样品的组成
评估通过向5000g盐水中添加2重量％发泡添加剂制备的水溶液产生的泡沫的稳定性。稳定性以半衰期表示，其表示泡沫重量减半所需的时间。所述测试通过评估在250ml圆筒中释放达到泡沫一半重量/体积的水的时间来进行。
泡沫由产生器形成，该产生器在恒定气流下将液体流输送到玻璃球混合机中。
表11：半衰期
| 半衰期(秒) | |
| 样品13 | 450 |
| 样品16 | 560 |
表11中列出的数据表明，当使用特征在于乙氧基化数为7的烷基醚硫酸钠作为表面活性剂时，得到了稳定的泡沫。
Claims (10)
1.一种用于通过隧道掘进机机械化挖掘的液体发泡添加剂，其包含5-40重量％的一种或多种表面活性剂、0.01-5重量％的一种或多种生物聚合物和55-94.09重量％的水。
2.根据权利要求1所述的发泡添加剂，其中所述表面活性剂为阴离子的、阳离子的、非离子的或两性的。
3.根据权利要求2所述的发泡添加剂，其中所述表面活性剂为阴离子的。
4.根据权利要求3所述的发泡添加剂，其中所述阴离子表面活性剂为烷基乙氧基硫酸盐或月桂基聚氧乙烯醚硫酸盐。
5.根据权利要求4所述的添加剂，其中所述阴离子表面活性剂为具有C10-C14烷基链且乙氧基化数为1-9的烷基乙氧基硫酸盐。
6.根据权利要求5所述的发泡添加剂，其中所述盐为钠盐。
7.根据权利要求1-6中一项或多项所述的发泡添加剂，其中所述生物聚合物为多糖。
8.根据权利要求7所述的发泡添加剂，其中所述生物聚合物为黄原胶或瓜耳胶。
9.根据权利要求1-8所述的添加剂用于产生能够调节挖掘土壤的泡沫的用途。
10.根据权利要求9所述的用途，其中将所述添加剂以0.1-4.0重量％的百分比添加至泵入泡沫产生器的水中。
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