CN109749748B - 一种富水圆砾地层盾构渣土改良方法及渣土改良剂 - Google Patents

一种富水圆砾地层盾构渣土改良方法及渣土改良剂 Download PDF

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本发明公开了一种渣土改良剂，包括A液和B液；其中，A液的组成及其重量份为：钠基膨润土0.25‑0.33份、羧甲基纤维素0.01‑0.015份、水1份；B液的组成及其重量份为：聚丙烯酰胺0.001‑0.003份、水1份。本发明还公开了一种采用该渣土改良剂对富水圆砾地层盾构渣土进行改良的方法。本发明渣土改良剂，按照A液30％体积注入比、B液7.5％体积注入比与现场富水圆砾地层所取土样搅拌混合后，坍落度能控制在20cm以内；在2.5bar(25m水头)水压下，改良土的渗透系数K达到1×10－7m/s，持续时间达到4h以上，小于喷涌的临界值1×10－5m/s，改良效果良好。

Description

一种富水圆砾地层盾构渣土改良方法及渣土改良剂
技术领域
本发明属于盾构施工渣土改良技术领域，尤其涉及一种富水圆砾地层盾构渣土改良方法及渣土改良剂。
背景技术
盾构机作为地铁施工中常用的机械，它的基本原理是通过对开挖面施加一定的压力来维持其稳定，根据其施加压力的方式不同，可分为泥水式盾构、土压平衡式盾构等。而土压平衡盾构适用于除高水压强渗透地层外的各种地层、掘进速度快、对环境影响小以及成本相对低廉,成为了绝大多数城市地铁建设的首选方式。
土压平衡式盾构机是把土仓内的渣土作为稳定开挖面的介质,因此，土仓内渣土的状态对于实际施工的效率、安全尤为重要。为了保证渣土具有良好的流塑性状态，需要对其加入一定的外加剂(泡沫剂、絮凝剂、分散剂等)进行改良，使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以达到安全、高效的施工目的。
富水圆砾地层在中国分布范围广泛，如长沙、南宁、西安、南昌、深圳等均有分布，该种地层含水量大、渗透系数大、土体松散无胶结、自稳能力差，是一种典型的力学不稳定地层。当土压平衡式盾构在该地层掘进时，土舱内的渣土很难达到良好的流塑性状态，因此渣土不能有效的在螺旋输送机处形成土塞。而水压很大，高压水会击穿土仓和螺旋输送机内的渣土，同时携带者大量的渣土从螺旋输送机口喷涌而出，形成喷涌。喷涌的发生对盾构施工人员和设备的危害极高，施工中需要停机，人工清理渣土，且耗时长。此外，喷涌发生时难以控制出渣量，很容易造成超方，水土流失严重，从而导致前方开挖面失稳，而产生较大的变形或而坍塌。特别的对于粗颗粒弱胶结地层，由于颗粒之间的空隙大，没有粘聚力，地层颗粒之间点对点传力，地层反应较灵敏，地层变形较快，对上层结构及通行安全影响较大。
目前解决喷涌的措施主要分为两方面：一是通过对盾构设备的升级改造，专利201420834450.6、专利201620477515.5等分别提出了一种具有双闸门的螺旋输送机、盾构防喷涌的保压泵装置；二是通过渣土改良技术，专利201410317338.X、专利201610910641.X、专利201710061986.7、专利201710595112.X等分别提出了针对富水砂层、砂卵石地层的盾构掘进施工的渣土改良方案。对于设备升级改造方面，在实际施工过程中，经常出现双闸门被石块卡住或者故障失效，使得双闸门无法及时关闭，给盾构施工带来巨大的风险。因此，设备上的升级改造可以做为紧急处理措施，在实际施工时主要还要依据渣土改良技术。在渣土改良技术方面，现有专利主要是针对富水砂层、砂卵石地层盾构正常掘进施工的安全风险进行控制，对于富水圆砾地层的改良技术和方案较少，特别对于盾构左右线上下重叠下穿既有线，同时对地层变形及稳定性提出了更高要求的情况下，缺乏相应的渣土改良技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种对渣土改良效果好的富水圆砾地层盾构渣土改良方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种渣土改良剂，包括A液和B液；
其中，A液的组成及其重量份为：钠基膨润土0.25-0.33份、羧甲基纤维素0.01-0.015份、水1份；
B液的组成及其重量份为：聚丙烯酰胺0.001-0.003份、水1份。
优选的，A液的组成及其重量份为：钠基膨润土0.33份、水1份、羧甲基纤维素0.015份；B液的组成及其重量份为：聚丙烯酰胺0.003份、水1份。
一种富水圆砾地层盾构渣土改良方法，使用上述渣土改良剂改良剂，首先通过膨润土管道将A液泵送至刀盘前方土仓内，然后再通过聚合物管道将B液泵送至土仓内，土仓内A液、B液与渣土混合搅拌，进行渣土改良；
盾构掘进过程中，如测得输出渣土坍落度值大于20cm，A液注入比(A液注入体积与土仓内渣土的体积比)为30％～40％，B液注入比(B液注入体积与土仓内渣土的体积比)为7.5％～10％；如测得输出渣土坍落度值小于15cm，A液注入比为20％～30％，B液注入比为5％～7.5％；如测得输出渣土坍落度值在15cm-20cm之间，则A液的注入比为30％，B液的注入比为7.5％。
进一步的，A液的制作过程如下：先将特定量的清水加入膨化池，打开搅拌装置，让水处于流动状态，再按照所给的质量比缓慢加入相应质量的钠基膨润土及羧甲基纤维素，持续搅拌15-20min，然后静置膨化20-24h，制得A液。
进一步的，B液的制作过程如下：先将特定量的清水加入聚合物搅拌箱，再按照所给的质量比缓慢加入相应质量的聚丙烯酰胺，持续搅续搅拌30min以上，直到聚丙烯酰胺颗粒溶解均匀为止，制得B液。
进一步的，在将A液通过膨润土管道泵送至刀盘前方土仓内之前，需要打开膨化池内的搅拌装置将膨化完成的A液搅拌5-10min，再将膨化池内膨化完成的A液泵入连接有膨润土管道的盾构膨润土罐内，盾构膨润土罐内持续搅拌，同时聚合物罐内搅拌装置打开搅拌。
本发明中钠基膨润土具有膨胀性、低渗性，羧甲基纤维素具有胶凝的作用，防治渣土分离的作用，聚丙烯酰胺具有絮凝作用可以改善渣土的流塑性状态，通过上述组分协调作用，能确保渣土具有低渗透性及良好的流塑性状态，可以有效抑制“喷涌”的发生，同时便于盾构出渣。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明的改良浆液配制简单，改良成本低，且所用材料化学稳定性良好，浆液pH值偏中性，对环境影响较小。
二、浆液配制及现场实施方式合理、高效，能有效避免浆液堵管、失效等问题，提高了改良效率。
三、对富水圆砾地层渣土改良效果良好，本发明所提供的材料能显著改善渣土的和易性，同时能有效降低土仓内渣土的渗透性，进而遏制喷涌的发生，确保施工的安全顺利。
四、本发明采用A液与B液进行渣土改良，A液和B液不同时添加，有效避免了因A液与B液提前混合致使泥浆絮凝沉淀，出现泥水分离现象，导致泥浆失效问题的产生。
本发明采用两种特定组分的A液和B液对富水圆砾地层的改良，现场坍落度试验及高水压渗透试验结果显示：按照A液30％体积注入比、B液7.5％体积注入比与现场(富水圆砾地层)所取土样搅拌混合后，坍落度能控制在20cm以内；在2.5bar(25m水头)水压下，改良土的渗透系数K达到1×10－7m/s，持续时间达到4h以上，小于喷涌的临界值1×10－5m/s(Wilms，1995)，改良效果良好。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。
现场测得输出渣土的坍落度介于15cm-20cm之间，因此采用A液30％体积注入比、B液7.5％体积注入比。
实施例1
一种渣土改良剂，包括A液和B液，(钠基膨润土、羧甲基纤维素、水)和B液(聚丙烯酞胺、水)，A液的组成及其重量份为：钠基膨润土0.25份、羧甲基纤维素0.01份、水1份；B液的组成及其重量份为：聚丙烯酰胺0.001份、水1份。按照A液30％体积注入比、B液7.5％体积注入比与现场(富水圆砾地层)所取土样搅拌混合后，该配合比下改良后渣土的渗透系数为9×10－7m/s，持续时间达到5.5h，坍落度值为19.4cm，满足抗渗性及流塑性要求。
实施例2
与实施例1所不同的是，A液的组成及其重量份为：钠基膨润土0.3份、羧甲基纤维素0.015份、水1份；B液的组成及其重量份为：聚丙烯酰胺0.002份、水1份。按照A液30％体积注入比、B液7.5％体积注入比与现场(富水圆砾地层)所取土样搅拌混合后，该配合比下改良后渣土的渗透系数为6.2×10－7m/s，持续时间达到4.5h，坍落度值为18.6cm，满足抗渗性及流塑性要求。
实施例3
与实施例1所不同的是，A液的组成及其重量份为：钠基膨润土0.33份、羧甲基纤维素0.015份、水1份；B液的组成及其重量份为：聚丙烯酰胺0.003份、水1份。按照A液30％体积注入比、B液7.5％体积注入比与现场(富水圆砾地层)所取土样搅拌混合后，该配合比下改良后渣土的渗透系数为2.1×10－7m/s，持续时间达到6h，坍落度值为17.5cm，满足抗渗性及流塑性要求。
对比例1
与实施例1所不同的是，A液的组成及其重量份为：钠基膨润土0.4份、羧甲基纤维素0.02份、水1份；B液的组成及其重量份为：聚丙烯酰胺0.004份、水1份。按照A液30％体积注入比、B液7.5％体积注入比与现场(富水圆砾地层)所取土样搅拌混合后，该配合比下改良后渣土的渗透系数为4.1×10－5m/s，持续时间为3h，坍落度值为24.5cm，不满足抗渗性及流塑性要求。
对比例2
与实施例1所不同的是，A液的组成及其重量份为：钠基膨润土0.2份、羧甲基纤维素0.03份、水1份；B液的组成及其重量份为：聚丙烯酰胺0.002份、水1份。按照A液30％体积注入比、B液7.5％体积注入比与现场(富水圆砾地层)所取土样搅拌混合后，该配合比下改良后渣土的渗透系数为1.4×10－5m/s，持续时间为4h，坍落度值为21.5cm，不满足抗渗性及流塑性要求。
对比例3
与实施例1所不同的是，A液的组成及其重量份为：钠基膨润土0.3份、羧甲基纤维素0.02份、水1份；B液的组成及其重量份为：聚丙烯酰胺0.001份、水1份。按照A液30％体积注入比、B液7.5％体积注入比与现场(富水圆砾地层)所取土样搅拌混合后，该配合比下改良后渣土的渗透系数为1.1×10－5m/s，持续时间为6h，坍落度值为20.3cm，不满足抗渗性及流塑性要求。
一种富水圆砾地层盾构渣土改良方法，使用实施例1-3中的渣土改良剂，包括如下步骤，1)浆材准备：由于本次渣改良分为A液和B液两种浆液，对于A液浆材须在使用前将钠基膨润土与羧甲基纤维素拌和均匀，B液浆材无需处理。2)浆液配制：对于A液，先将一定质量的清水加入膨化池，打开搅拌装置，让水处于流动状态，再按照所给的质量比缓慢加入相应质量的A液浆材，持续搅拌15-20min,然后静置膨化20-24h即可；对于B液，同样现将聚合物搅拌箱内注入一定质量的清水，再按照所给的质量比缓慢加入相应质量的聚丙烯酰胺，持续搅拌30min以上，直到聚丙烯酰胺颗粒溶解均匀为止。3)现场实施渣土改良：首先，在泵送前打开膨化池内的搅拌装置将膨化完成的A液搅拌5-10min，再将膨化池内膨化完成的A液泵入盾构膨润土罐内(罐内持续搅拌)，同时聚合物罐内搅拌装置打开，先将A液通过膨润土管道泵送至刀盘前方及土仓内，然后再将B液通过聚合物管道泵送值土仓内，土仓内A液、B液与渣土混合搅拌，进行渣土改良。
盾构掘进过程中，如测得输出渣土坍落度值大于20cm，A液注入比(A液注入体积与土仓内渣土的体积比)为30％～40％，B液注入比(B液注入体积与土仓内渣土的体积比)为7.5％～10％；如测得输出渣土坍落度值小于15cm，A液注入比为20％～30％，B液注入比为5％～7.5％；如测得输出渣土坍落度值在15cm-20cm之间，则A液的注入比为30％，B液的注入比为7.5％。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种富水圆砾地层盾构渣土改良方法，其特征在于：首先通过膨润土管道将A液泵送至刀盘前方土仓内，然后再通过聚合物管道将B液泵送至土仓内，土仓内A液、B液与渣土混合搅拌，进行渣土改良；
其中，A液的组成及其重量份为：钠基膨润土0.25-0.33份、羧甲基纤维素0.01-0.015份、水1份；
B液的组成及其重量份为：聚丙烯酰胺0.001-0.003份、水1份；
盾构掘进过程中，如测得输出渣土坍落度值大于20cm，A液注入比为30%～40%，B液注入比为7.5%～10%；如测得输出渣土坍落度值小于15cm，A液注入比为20%～30%，B液注入比为5%～7.5%；如测得输出渣土坍落度值在15cm-20cm之间，则A液的注入比为30%，B液的注入比为7.5%；其中，注入比指代体积注入比。
2.根据权利要求1所述的富水圆砾地层盾构渣土改良方法，其特征在于：A液的组成及其重量份为：钠基膨润土0.33份、水1份、羧甲基纤维素0.015份；B液的组成及其重量份为：聚丙烯酰胺0.003份、水1份。
3.根据权利要求1或2所述的富水圆砾地层盾构渣土改良方法，其特征在于：A液的制作过程如下：先将特定量的清水加入膨化池，打开搅拌装置，让水处于流动状态，再按照所给的质量比缓慢加入相应质量的钠基膨润土及羧甲基纤维素，持续搅拌15-20min，然后静置膨化20-24h，制得A液。
4.根据权利要求3所述的富水圆砾地层盾构渣土改良方法，其特征在于：B液的制作过程如下：先将特定量的清水加入聚合物搅拌箱，再按照所给的质量比缓慢加入相应质量的聚丙烯酰胺，持续搅续搅拌30min以上，直到聚丙烯酰胺颗粒溶解均匀为止，制得B液。
5.根据权利要求1或2所述的富水圆砾地层盾构渣土改良方法，其特征在于：在将A液通过膨润土管道泵送至刀盘前方土仓内之前，需要打开膨化池内的搅拌装置将膨化完成的A液搅拌5-10min，再将膨化池内膨化完成的A液泵入连接有膨润土管道的盾构膨润土罐内，盾构膨润土罐内持续搅拌，同时聚合物罐内搅拌装置打开搅拌。
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