CN112028553A - 一种工程隧道和地铁掘进用材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程隧道和地铁掘进用材料及其制备方法，属于工程隧道和地铁施工技术领域。工程隧道和地铁掘进用材料按重量份计包括以下组分：水泥200～400份、膨润土200～400份、蒙脱土50～60份、粗砂50‑60份、腐殖酸树脂50‑60份、封漏剂50‑60份、硅酸盐矿物20‑30份、胶结剂20～30份、润滑剂30～40份、抑制剂30‑40份和降滤失剂30～40份。本发明提供的一种工程隧道和地铁掘进用材料，通过添加封漏剂、降滤失剂、润滑剂与胶结剂配合使用，能够在复杂的地质条件下的地铁暗挖工程，达到快速有效止水，加固土层，减少坍塌和漏水现象，改善开挖环境的效果；通过添加聚苯乙烯纳米复合粒子使开挖能够顺利施工，减少了对坏境的污染，适用性强。

Description

一种工程隧道和地铁掘进用材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及工程隧道和地铁施工技术领域，更具体地说是涉及一种工程隧道和地铁掘进用材料及其制备方法。

背景技术

随着国民经济的持续增长以及城市规模的不断扩大，至今已有北京、上海、广州等十多个城市陆续修建地铁和轻轨线路。隧道是地铁工程最主要的组成部分，隧道盾构法施工具有施工速度快、工期短、洞体工程质量易控制、质量比较稳定且防渗水性能良好、施工安全系数高、对周边建筑物影响极小、基本不影响地面交通、适合地层范围广、地质情况复杂的施工作业环境等优点。随着我国各大城市地铁建设热情的高涨，隧道盾构施工方法在地铁建设中被广泛推广应用。

由于工程的特殊性，地铁隧道混凝土处于潮湿和地下水流经的环境中，不仅面临着比地面更严重的碳化环境和地下水的压力渗透作用，还受到地下水中存在的各种腐蚀性介质的侵蚀，同时还受荷载、列车振动、杂散电流等影响，很大程度上加剧了对混凝土的侵蚀作用。因此，相对于其它建设工程，地铁隧道混凝土由于遭受侵蚀而导致混凝土耐久性劣化的问题显得尤为突出，并且直接关系到地铁混凝土结构的安全和使用年限目前。

目前，在需要程隧道和地铁施工中，施工难题主要是漏水和坍塌，在施工过程中很容易使管片发生上浮而影响施工；并且该种砂土地层内盾构掘进的同时会有上方土层的塌落，使地表沉降增大而增加了盾构施工难度。此外，目前我国通常采用超前注浆方式，对开挖掌子面进行加固，来改善不良的地质条件，在注浆浆液的选择方面，通常采用单液水泥浆注浆、化学浆液注浆、双浆液注浆等。但传统的单一浆液注浆往往达不到快速止水，改善工作面地质环境的效果。

因此，针对现有技术中存在的缺陷，提供一种具有止水加固的工程隧道和地铁掘进用材料及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种工程隧道和地铁掘进用材料，通过添加封漏剂、降滤失剂、润滑剂与胶结剂配合使用，能够在复杂的地质条件下的地铁暗挖工程，达到快速有效止水，加固土层，减少坍塌和漏水现象，改善开挖环境的效果；通过添加聚苯乙烯纳米复合粒子使开挖能够顺利施工，减少了对坏境的污染，适用性强；水溶性碳水化合物、乙基撑双三甲基氯化铵和油酸山梨醇酯能够有效抑制页岩气页岩的水化膨胀，明显降低页岩膨胀率；通过磺化褐煤、改性淀粉和改性纤维的吸附基团和膨润土以及润滑剂上的羟基、羧基进行氢键的吸附形成一层水化膜，从而降低滤失量，进而防止漏水和坍塌。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种工程隧道和地铁掘进用材料，所述工程隧道和地铁掘进用材料按重量份计包括以下组分：水泥200～400份、膨润土200～400份、蒙脱土50～ 60份、粗砂50-60份、腐殖酸树脂50-60份、封漏剂50-60份、硅酸盐矿物 20-30份、胶结剂20～30份、润滑剂30～40份、抑制剂30-40份和降滤失剂 30～40份。

采用上述方案的技术效果是：通过添加封漏剂、降滤失剂、润滑剂与胶结剂配合使用，能够在复杂的地质条件下的地铁暗挖工程，达到快速有效止水，加固土层，减少坍塌和漏水现象，改善开挖环境的效果；通过添加聚苯乙烯纳米复合粒子使开挖能够顺利施工，减少了对坏境的污染，适用性强。

此外，由于膨润土表面侵润了一层润滑剂，配制成注浆浆液后，一部分润滑剂分散在水中，能够粘附于膨润土表面使膨润土和水泥也具有一定润滑性，在施工过程中可有效降低阻力，缩短施工周期；由于被浸润的膨润土和水泥表面形成了润滑膜，从而使膨润土表面光滑，彼此聚结成块的几率降低。

优选地，所述工程隧道和地铁掘进用材料按重量份计包括以下组分：水泥300份、膨润土300份、蒙脱土55份、粗砂55份、腐殖酸树脂55份、封漏剂55份、硅酸盐矿物25份、胶结剂25份、润滑剂35份、抑制剂35份和降滤失剂35份。

采用上述方案的技术效果是：在上述重量份配比下，所述工程隧道和地铁掘进用材料的性能最好。

优选地，所述封漏剂由桥堵剂和封堵剂任意比例混合。

优选地，所述桥堵剂由渗滤材料、结构材料和填充材料的混合物，所述封堵剂选自阳离子乳化沥青或改性沥青中的一种或两种的混合。

采用上述技术方案的技术效果是：本发明利用桥堵剂与粘结剂配合使用，使具有良好的高失水作用和聚凝作用，形成强度很高的堵塞物，从而堵住漏失通道，将其与其它堵漏材料复配后，可增强其堵漏能力此外，阳离子乳化沥青或改性沥青为微米级的带正电的沥青微粒，其极易吸附在带负电的岩石颗粒上，其微粒及阳离子页岩抑制剂可以进入微裂缝中，产生粘附及相互聚集，大大提高软弱破碎岩层的胶结防塌能力，桥堵剂与封堵剂共同作用，提高对施工过程中的堵漏强度，具有广谱、快速堵漏效果，堵塞稳定性好，实现对易漏地层的快速封堵。

优选地，所述润滑剂由植物沥青、聚苯乙烯纳米复合粒子和月桂醇聚乙烯醚混合制备而成。进一步地，所述植物沥青、所述聚苯乙烯纳米复合粒子和所述月桂醇聚乙烯醚的重量比为(2-3)：(4-5)：(1-2)

采用上述方案的技术效果是：聚苯乙烯纳米复合粒子提高了润滑剂在高温下的减磨抗磨性能，使得润滑剂在高温下仍能够维持良好的润滑效果，在摩擦力小的情况下也能够支持垂直于基础面的负荷，承载能力强。

优选地，所述聚苯乙烯纳米复合粒子由以下方法制备而成：

将苯乙烯、纳米二氧化硅、交联剂、乳化剂和水混合并搅拌，得到第一混合物，在惰性气氛下继续搅拌得到中间乳化物，随后加热所述中间乳化物至85-90℃，再加入引发剂，保温并搅拌5-6h，得到粒径为60-80nm的聚苯乙烯纳米复合乳液；对所述聚苯乙烯纳米复合乳液依次进行颗粒化处理，得到聚苯乙烯纳米复合粒子；

其中，所述苯乙烯、所述纳米二氧化硅、所述交联剂、所述乳化剂、所述引发剂和所述水的质量比为1：(0.08-0.12)：(0.06-0.08)：(0.02-0.04)： (0.009-0.012)：(6-8)。

采用上述技术方案的技术下效果是：采用苯乙烯单体与纳米二氧化硅聚合的方法制备得到了聚苯乙烯纳米复合粒子，该聚苯乙烯纳米复合粒子粒径分布为40-90nm，粒子尺寸小，比表面积大，表面能高，当存在于机械与壁之间时，容易吸附于金属以及壁岩石表面，将两摩擦副之间的静摩擦状态转变为滚动摩擦状态，大幅降低了摩擦系数。

优选地，所述抑制剂选自氯化钾、硫酸钾、甲酸钾、氯化铵、水溶性碳水化合物、乙基撑双三甲基氯化铵和油酸山梨醇酯中一种或几种的混合。

采用上述技术方案的技术效果是：氯化钾、硫酸钾、甲酸钾通过其提供的钾离子达到抑制强水敏性地层的水化膨胀；水溶性碳水化合物、乙基撑双三甲基氯化铵和油酸山梨醇酯能够有效抑制页岩气页岩的水化膨胀，明显降低页岩膨胀率，防止施工时坍塌现象等。

优选地，所述水溶性碳水化合物选自单糖和低聚糖中的一种或两种的混合。

采用上述方法的技术效果是：通过添加水溶性碳水化合物，具有极好的页岩抑制性能。

优选地，所述降滤失剂选自改性褐煤、改性淀粉和改性纤维素中的一种或几种的混合。

采用上述方案的技术效果是：所述改性褐煤为磺化褐煤，磺化褐煤是一种多官能团的阴离子型大分子，改性淀粉和改性纤维均含有吸附基团，吸附基团能和膨润土以及润滑剂上的羟基、羧基进行氢键的吸附形成一层水化膜，从而降低滤失量。通过添加降滤失剂，使其在壁上形成低渗透率，薄而致密的滤饼，起到降低滤失量的作用。

优选地，所述改性纤维为低粘聚阴离子纤维、中粘聚阴离子纤维或羧甲基纤维素钠。

优选地，所述改性淀粉为羧甲基淀粉、羟甲基淀粉或磺乙基淀粉。

本发明还提供了上述的工程隧道和地铁掘进用材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按重量份称取水泥、膨润土、蒙脱土、粗砂、腐殖酸树脂、封漏剂和硅酸盐矿物依次加入混拌机中，在搅拌速率为800-1500rpm下，搅拌0.5-2h，搅拌均匀后得到预混物；

(2)向预混物中均匀喷洒由胶结剂、水溶性碳水化合物、润滑剂、抑制剂和降滤失剂组成的混合物，喷洒完毕后继续搅拌30-40min，得到工程隧道和地铁掘进用材料。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下几点：

(1)本发明提供的工程隧道和地铁掘进用材料，利用桥堵剂与粘结剂配合使用，使具有良好的高失水作用和聚凝作用，形成强度很高的堵塞物，从而堵住漏失通道，将其与其它堵漏材料复配后，可增强其堵漏能力此外，阳离子乳化沥青或改性沥青为微米级的带正电的沥青微粒，其极易吸附在带负电的岩石颗粒上，其微粒及阳离子页岩抑制剂可以进入微裂缝中，产生粘附及相互聚集，大大提高软弱破碎岩层的胶结防塌能力，桥堵剂与封堵剂共同作用，提高对施工过程中的堵漏强度，具有广谱、快速堵漏效果，堵塞稳定性好，实现对易漏地层的快速封堵。

(2)本发明提供的工程隧道和地铁掘进用材料，添加的硅酸盐矿物被膨润土所吸附，可包被岩屑等有害固体物质，具有良好的包被抑制和携砂效果，且与粗砂、腐殖酸树脂和封漏剂配合使用，不仅可以调节注浆浆液的流变性能，增强粘土的携砂携岩能力，而且也可以增强其抑制性，从而阻止了施工过程的坍塌现象的发展，保障了施工的安全进行。

(3)聚苯乙烯纳米复合粒子，由于膨润土表面侵润了一层润滑剂，配制成注浆浆液后，一部分润滑剂分散在水中，能够粘附于膨润土表面使膨润土和水泥也具有一定润滑性，在施工过程中可有效降低阻力，缩短施工周期；由于被浸润的膨润土和水泥表面形成了润滑膜，从而使膨润土表面光滑，彼此聚结成块的几率降低。

(4)本发明提供的工程隧道和地铁掘进用材料，通过添加抑制剂，其中氯化钾、硫酸钾、甲酸钾通过其提供的钾离子达到抑制强水敏性地层的水化膨胀；水溶性碳水化合物、乙基撑双三甲基氯化铵和油酸山梨醇酯能够有效抑制页岩气页岩的水化膨胀，明显降低页岩膨胀率，防止施工过程发生坍塌、漏水等。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中涉及原料均为市售渠道获得，例如氯化钾、硫酸钾、甲酸钾、氯化铵、单糖/低聚多糖、乙基撑双三甲基氯化铵、油酸山梨醇酯、低粘聚阴离子纤维、中粘聚阴离子纤维、羧甲基纤维素钠、羧甲基淀粉、羟甲基淀粉、磺乙基淀粉和磺化褐煤均为本领域技术人员常规使用试剂。对其品牌来源不做要求，在此不再赘述。

实施例1

本实施例提供一种工程隧道和地铁掘进用材料，按重量份计包括以下组分：水泥400份、膨润土200份、蒙脱土60份、粗砂60份、腐殖酸树脂60 份、封漏剂50份、硅酸盐矿物20份、胶结剂20份、润滑剂30份、抑制剂 40份和降滤失剂40份。

其中，润滑剂由植物沥青、聚苯乙烯纳米复合粒子、石墨粉和月桂醇聚乙烯醚混合制备而成，植物沥青、聚苯乙烯纳米复合粒子和所述月桂醇聚乙烯醚的重量比为3：4：2。抑制剂选自氯化钾、硫酸钾、甲酸钾和氯化铵等比例的混合物。滤失剂选自磺化褐煤、羧甲基淀粉和低粘聚阴离子纤维等比例的混合物。

实施例2

本实施例提供一种工程隧道和地铁掘进用材料，按重量份计包括以下组分：水泥200份、膨润土400份、蒙脱土50份、粗砂60份、腐殖酸树脂50 份、封漏剂60份、硅酸盐矿物30份、胶结剂30份、润滑剂40份、抑制剂 30份和降滤失剂30份。

其中，润滑剂由植物沥青、聚苯乙烯纳米复合粒子、石墨粉和月桂醇聚乙烯醚混合制备而成，植物沥青、聚苯乙烯纳米复合粒子和所述月桂醇聚乙烯醚的重量比为2：5：1。抑制剂选自氯化钾、硫酸钾、甲酸钾、氯化铵、单糖、乙基撑双三甲基氯化铵和油酸山梨醇酯等比例的混合物。滤失剂选自磺化褐煤、羟甲基淀粉和中粘聚阴离子纤维等比例的混合物。

实施例3

本实施例提供一种工程隧道和地铁掘进用材料，按重量份计包括以下组分：所述工程隧道和地铁掘进用材料按重量份计包括以下组分：水泥300份、膨润土300份、蒙脱土55份、粗砂55份、腐殖酸树脂55份、封漏剂55份、硅酸盐矿物25份、胶结剂25份、润滑剂35份、抑制剂35份和降滤失剂35 份。

其中，润滑剂由植物沥青、聚苯乙烯纳米复合粒子、石墨粉和月桂醇聚乙烯醚混合制备而成，植物沥青、聚苯乙烯纳米复合粒子和所述月桂醇聚乙烯醚的重量比为2.5：4.5：1.5。抑制剂选自低聚多糖、乙基撑双三甲基氯化铵和油酸山梨醇酯等比例的混合物。滤失剂选自磺化褐煤、磺乙基淀粉和羧甲基纤维素钠等比例的混合物。

实施例1-3中聚苯乙烯纳米复合粒子由以下方法制备而成：

将苯乙烯、纳米二氧化硅、交联剂、乳化剂和水混合并搅拌，得到第一混合物，在惰性气氛下继续搅拌得到中间乳化物，随后加热所述中间乳化物至85-90℃，再加入引发剂，保温并搅拌5-6h，得到粒径为60-80nm的聚苯乙烯纳米复合乳液；对所述聚苯乙烯纳米复合乳液依次进行颗粒化处理，得到聚苯乙烯纳米复合粒子；其中，苯乙烯、纳米二氧化硅、交联剂、乳化剂、引发剂和水的质量比为1：(0.08-0.12)：(0.06-0.08)：(0.02-0.04)：(0.009-0.012)： (6-8)。

本领域技术人员可根据实际需要调整上述制备过程中的条件参数值。

实施例1-3的工程隧道和地铁掘进用材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按重量份称取水泥、膨润土、蒙脱土、粗砂、腐殖酸树脂、封漏剂和硅酸盐矿物依次加入混拌机中，在搅拌速率为800-1500rpm下，搅拌0.5-2h，搅拌均匀后得到预混物；

(2)向预混物中均匀喷洒由胶结剂、水溶性碳水化合物、润滑剂、抑制剂和降滤失剂组成的混合物，喷洒完毕后继续搅拌30-40min，得到工程隧道和地铁掘进用材料。

本领域技术人员可根据实际需要调整上述制备过程中的条件参数值。

对比例1

本对比例采用的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，原料中不添加堵漏剂。

工程隧道和地铁掘进用材料的相关性能测试。

将实施例1-3以及对比例1-2的工程隧道和地铁掘进用材料用0.5-2倍体积的水配制成注浆浆液，盾构结构同步注浆的注浆浆液，当盾片脱离盾尾后, 在土体与管片之间会形成一道宽度为140mm左右的环行空隙，同步注浆的目的是为了尽快填充环形间隙使管片尽早支撑地层，防止地面变形过大而危及周围环境安全，同时作为管片外防水和结构加强层，利用本领域技术人员常规检测方法测定注浆浆液的性能，结果见表1所示。

表1施例1-3以及对比例1-2的注浆浆液的性能结果表

由表1中数据可知，实施例1-3公开的工程隧道和地铁掘进用材料的注浆浆液相比于对比例1，浆液凝胶时间短，浆液固结体强度大，浆液倾析率低，注浆浆液的性能更加优异。本发明提供的一种工程隧道和地铁掘进用材料，不仅可以调节注浆浆液的流变性能，增强粘土的携砂携岩能力，而且也可以增强其抑制性，从而阻止了壁的坍塌，保障了施工施工的安全进行；通过润滑剂和降滤失剂在提高了泥浆高温下的减磨抗磨性能和失水性能，使施工能够顺利进行。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，

而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种工程隧道和地铁掘进用材料，其特征在于，所述工程隧道和地铁掘进用材料按重量份计包括以下组分：水泥200～400份、膨润土200～400份、蒙脱土50～60份、粗砂50-60份、腐殖酸树脂50-60份、封漏剂50-60份、硅酸盐矿物20-30份、胶结剂20～30份、润滑剂30～40份、抑制剂30-40份和降滤失剂30～40份。

2.根据权利要求1所述的一种工程隧道和地铁掘进用材料，其特征在于，所述工程隧道和地铁掘进用材料按重量份计包括以下组分：水泥300份、膨润土300份、蒙脱土55份、粗砂55份、腐殖酸树脂55份、封漏剂55份、硅酸盐矿物22份、胶结剂25份、润滑剂35份、抑制剂35份和降滤失剂35份。

3.根据权利要求1或2所述的一种工程隧道和地铁掘进用材料，其特征在于，所述封漏剂由桥堵剂和封堵剂任意比例混合。

4.根据权利要求3所述的一种工程隧道和地铁掘进用材料，其特征在于，所述桥堵剂由渗滤材料、结构材料和填充材料的混合物，所述封堵剂选自阳离子乳化沥青或改性沥青中的一种或两种的混合。

5.根据权利要求1或2所述的一种工程隧道和地铁掘进用材料，其特征在于，所述润滑剂由植物沥青、聚苯乙烯纳米复合粒子和月桂醇聚乙烯醚混合制备而成。

6.根据权利要求1或2所述的一种工程隧道和地铁掘进用材料，其特征在于，所述抑制剂选自氯化钾、硫酸钾、甲酸钾、氯化铵、水溶性碳水化合物、乙基撑双三甲基氯化铵和油酸山梨醇酯中一种或几种的混合。

7.根据权利要求1或2所述的一种工程隧道和地铁掘进用材料，其特征在于，所述降滤失剂选自改性褐煤、改性淀粉和改性纤维素中的一种或几种的混合。

8.根据权利要求7所述的一种工程隧道和地铁掘进用材料，其特征在于，所述改性纤维为低粘聚阴离子纤维、中粘聚阴离子纤维或羧甲基纤维素钠。

9.根据权利要求7所述的一种工程隧道和地铁掘进用材料，其特征在于，所述改性淀粉为羧甲基淀粉、羟甲基淀粉或磺乙基淀粉。

10.一种权利要求1-9任一项所述的工程隧道和地铁掘进用材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按重量份称取水泥、膨润土、蒙脱土、粗砂、腐殖酸树脂、封漏剂和硅酸盐矿物依次加入混拌机中，在搅拌速率为800-1500rpm下，搅拌0.5-2h，搅拌均匀后得到预混物；

(2)向预混物中依次添加胶结剂、润滑剂、抑制剂和降滤失剂组成，继续搅拌30-40min，得到工程隧道和地铁掘进用材料。