CN113062744B - 富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法及盾构施工方法 - Google Patents

Abstract

一种富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法及盾构施工方法，改良方法包括获取降水井位置，计算降水井降水影响范围，根据降水井与掌子面之间的距离初步确定渣土改良方案：若距离在降水影响范围内，采用水、膨润土、泡沫混合液的渣土改良方案，若距离在降水影响范围以外，采用水、泡沫混合液的渣土改良方案；在降水影响范围以外的盾构施工中监测渣土中细颗粒的含量，当渣土内细颗粒含量高于40％时，调整渣土改良方案为采用水、泡沫的混合液的改良方案，当渣土内细颗粒含量低于40％时，继续采用水、膨润土、泡沫的混合液的渣土改良方案。通过本发明，可减少土体喷涌现象；降低刀盘扭矩；防止渣土结成泥饼；有利于顺利排土；使渣土具有较好的土压平衡效果。

Description

富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法及盾构施工方法

技术领域

本发明涉及轨道施工技术领域，具体地说，涉及一种富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法及盾构施工方法。

背景技术

盾构法已成为国内外常用的市政轨道交通施工方法，土压平衡盾构机较为常用，土压平衡盾构的施工原理是通过开挖土体与掌子面土体形成平衡以保证掌子面稳定，进而持续掘进施工。地铁盾构隧道的工程实践表明，土压平衡式盾构施工成功的关键就是要将从开挖面上切削下来的土体在压力仓内调整成一种比较理想的状态，使土体的性质满足一定的基本条件后，盾构开挖和排土才能顺利地进行。

当开挖土的状态不能满足这一要求时，就会给施工带来困难，这种施工困难主要表现为刀具磨耗严重、刀盘及压力仓的结饼和闭塞、土压平衡很难建立、螺旋排土器出口处的喷涌、电流消耗过大和发生卡机事件等问题。

富水砂卵层的盾构施工常常面临扭矩偏大、刀盘易磨损、出土口喷涌等施工难题，经常导致工程事故的发生，给整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命。

渣土改良是盾构施工的重要工序，即通过向掌子面的土体注入改良材料来改善土体性能，从而提高施工安全和效率。渣土改良就是通过盾构配置的专用装置向刀盘面、土舱内或螺旋输送机内注入水、泡沫、膨润土、高分子聚合物等添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土舱搅拌装置或者螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土渣混合，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。

而针对富水砂卵层的盾构施工中的渣土改良，由于其中的细颗粒含量会随着端头降水井的降水影响范围而变化，所以在盾构施工中仅仅采用一种渣土改良方案是不能实时的适应盾构施工要求的，而截至目前，暂未有较好的解决方案。

发明内容

就富水砂卵石地层这种特殊地质，针对盾构始发前降水、区间换刀降水过程中，随着降水量、降水时间的逐步增加，容易导致地层中细颗粒含量减少，而在盾构掘进段落受降水影响较小，地层中细颗粒被水带走的机会大大减小，甚至没有受到干扰。根据此两种不同情况，来初步确定渣土改良方式，过程以颗粒分析实验详细判断，具体指导渣土改良，防控一些风险，从而降低施工投入，加快施工进度。

本发明所采用的技术方案如下：

一种富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法，包括：

获取降水井位置，计算降水井降水影响范围，根据降水井与掌子面之间的距离初步确定渣土改良方案：

若所述距离在降水影响范围内，采用水、膨润土、泡沫的混合液的渣土改良方案，

若所述距离在降水影响范围以外，采用水、泡沫的混合液的渣土改良方案；

在降水影响范围以外的盾构施工中监测渣土中细颗粒的含量，当渣土内细颗粒含量高于40％时，调整渣土改良方案为采用水、泡沫的混合液的改良方案，当渣土内细颗粒含量低于40％时，继续采用水、膨润土、泡沫的混合液的渣土改良方案。

可选的，确定所述降水影响范围的公式为：

其中：

R——以降水井为中心的降水影响半径；

S_w——水位降深；

H——含水层厚度；

K——渗透系数。

可选的，所述水、膨润土、泡沫的混合液的渣土改良方案的相关参数包括：

泡沫参数：

原液比为2.5％～3.5％；

混合液流量为20～25L/min；

空气流量为120～150L/min；

水参数：

土舱加水量1.5～2.5m³/环；

膨润土参数：

刀盘注入膨润土量为5～8m³/环。

可选的，所述水、泡沫的混合液的改良方案的相关参数包括：

泡沫参数：

原液比为2％～3％；

混合液流量为20～25L/min；

空气流量为120～150L/min；

水参数：

刀盘冲水量为6～8m³/环：

土舱加水量为2～4m³/环。

可选的，还控制渣温不高于35°。

可选的，所述膨润土的稠度在35s。所述膨润土的稠度是指膨润土与水按一定比例混合的混合液通过稠度测定仪的时间。

可选的，所述细颗粒为粒径小于等于0.075mm的颗粒。

本发明还提供一种富水砂卵石地层盾构掘进方法，包括以下步骤：

获取初始端降水井位置，计算初始端降水井降水影响范围，在初始端降水井的降水影响范围内采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案，并进行盾构施工；

当盾构施工至掌子面超出初始端降水井的降水影响范围，监测土体的细颗粒含量，若高于40％，则采用水、泡沫的混合液的改良方案，若低于40％，则依然采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案；

当盾构施工至掌子面进入换刀降水井的降水影响范围，采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案；

当盾构施工至掌子面超出换刀降水井的降水影响范围，监测土体的细颗粒含量，若高于40％，则采用水、泡沫的混合液的改良方案，若低于40％，则依然采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案；

当盾构施工至掌子面进入结束端降水井的降水影响范围，采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案，直至盾构施工结束。

本发明具有以下有意效果：

⑴提高土舱内渣土的抗渗透能力，避免开挖面因排水固结而造成较大的地表沉降或坍塌事故，也可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；

⑵降低土舱内渣土以及开挖面土体的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨损，降低刀盘扭矩，提高盾构机掘进效率；

⑶降低土舱内渣土以及开挖面土体的黏聚力，提高土舱内渣土的可塑性，防止渣土粘附在刀盘上结成泥饼；

⑷提高土舱内渣土的和易性，使切削下来的渣土顺利快速进入土舱并利于螺旋输送机顺利排土；

⑸使渣土具有较好的土压平衡效果，使盾构机前方土压计反映的土压数值更加准确，利于稳定开挖面控制地表沉降；

⑹冷却降低刀盘刀具的工作温度。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明实施例的渣土改良方法的流程示意图；

图2是表示本发明实施例的盾构掘进方法的流程示意图；

图3是表示本发明实施例的在降水影响范围内的土样筛分试验的曲线一；

图4是表示本发明实施例的在降水影响范围内的土样筛分试验的曲线二；

图5是表示本发明实施例的在降水影响范围内的土样筛分试验的曲线三。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

本实施例提供一种富水砂卵石地层盾构渣土改良方法，包括：

S1，获取降水井位置，计算降水井降水影响范围，根据降水井与掌子面之间的距离，确定渣土改良方案。

其中，确定降水影响范围的公式为：

其中：

R——以降水井为中心的降水影响半径；

S_w——水位降深(m)；

H——含水层厚度(m)；

K——渗透系数(m/d)。

第一种情况，在降水影响范围内，采用水、膨润土、泡沫的混合液的渣土改良方案。

第二种情况，在降水影响范围以外，采用水、泡沫的混合液的渣土改良方案。

针对第一种情况，受降水井降水影响，降水井降水过程中砂卵石地层中细颗粒被水带走较多，在受降水井降水影响的范围内，掘进时细颗粒含量少，水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案能够通过膨润土使土体的内摩擦角变小，提高土体的流动性和止水性。

其中，泡沫是发泡剂(表面活性剂)和压缩空气经过发泡装置产生的，作为主要成分的发泡剂是由聚合而成的长链分子构成的，含有憎水基和亲水基，当发泡剂加入液体中，其吸附在固体—液体、液体—气体及液体—液体分界面上。

当水的表面覆盖一层表面活性剂时，其憎水基与空气接触，从而减小了水的表面张力，表面张力的减小增加了润滑作用；由于结合水的流动使得原先被结合水束缚的土颗粒可以自由流动；表面活性剂吸附在土体内的微小裂缝的表面，增加裂缝的深度，减弱微小裂缝愈合的能力，增强扩散能力，并使得土颗粒带有相同的电荷而相互排斥而分开，防止土粒粘附，粘土进入泡沫后快速絮结成小片状，并失去自粘能力，并在絮结物表面电荷的斥力下无法进一步抱结成团块。

加入泡沫的混合土体的密实度有较大的变化，泡沫置换了渣土中的一部分土颗粒和水分，使得混合土体密度减小，提高了土的止水性，可以有效地防止螺旋输送机泥水喷涌，同时一定程度上减小了颗粒之间的接触，起到一定的润滑作用，降低了接触面的粗糙度，使摩擦系数降低，减少土壤在刀盘、螺旋输送机、运输带的磨损，使土体易于分离、运输，同时降低磨损成本。

膨润土主要是由蒙脱石类矿物组成的非金属黏土类矿物，蒙脱石含量占到30％～80％，蒙脱石是含水的层状铝硅酸盐，其晶体结构由2个硅氧四面体晶片中夹一个铝(镁)氧八面体晶片组成，属2：1型层状硅酸盐矿物，晶层中存在极弱的钠离子键，钠离子本身半径小，离子价低，水很容易进入单位晶层间，引起晶格膨胀，吸水后形成一道不透水的防渗层；钠离子连接各层薄片，同时挤占与之接触的土颗粒之间的孔隙，在“阻塞”和“架桥"效应的作用下，积聚于土壤与泥水的接触表面，形成一个低渗透性的薄膜，从而可以将过量的地下水压力转化为土颗粒和土颗粒之间的有效应力，这对稳定地层防止推进中的地面塌陷至关重要。

下面通过降水影响范围内的土体筛分实验，以及渗透系数、坍落度及搅拌机功率来确定膨润土、泡沫的相关参数。

针对在降水影响范围内的土样进行筛分试验，得到如图3至5的实验曲线，结合实验曲线的分析结果如下：

(1)1#试验

取土样进行筛分试验，通过试验结果得到，土样中粒径大于20mm的颗粒含量为60％，粒径小于0.075mm的粉粘粒含量为2.24％，且小于0.075mm粒径的土样遇水成泥，大于0.075mm粒径土样为砂卵石。绘制级配曲线得到该土样的不均匀系数Cu＝226.31，曲率系数为Cc＝3.16。

由上述结果可以看出，此位置处土体级配非常差，土体非常不均匀，缺少细颗粒，同时土体粘粒含量少，在盾构掘进过程中透水性非常好，因此有必要增加粘粒含量(即添加膨润土)，减小其透水性，同时由于砂卵石含量高，通过加入泡沫减小其摩阻力。

(2)2#试验

取土样进行筛分试验，通过试验结果得到，土样中粒径大于20mm的颗粒含量为74.6％，粒径小于0.075mm的粉粘粒含量为2.85％，且小于0.075mm粒径的土样遇水成泥，大于0.075mm粒径土样为砂卵石。绘制级配曲线得到该土样的不均匀系数Cu＝306.8，曲率系数为Cc＝69.3。

由上述结果可以看出，此位置处土体级配非常差，土体非常不均匀，缺少细颗粒，同时土体粘粒含量少，在盾构掘进过程中透水性非常好，因此有必要增加粘粒含量，减小其透水性，同时由于砂卵石含量高，通过加入泡沫减小其摩阻力。

(3)3#试验

取土样进行筛分试验，通过试验结果得到，土样中粒径大于20mm的颗粒含量为72.1％，粒径小于0.075mm的粉粘粒含量为2.4％，且小于0.075mm粒径的土样遇水成泥，大于0.075mm粒径土样为砂卵石。绘制级配曲线得到该土样的不均匀系数Cu＝374，曲率系数为Cc＝57.6。

由上述结果可以看出，此位置处土体级配非常差，土体非常不均匀，缺少细颗粒，同时土体粘粒含量少，在盾构掘进过程中透水性非常好，因此有必要增加粘粒含量，减小其透水性，同时由于砂卵石含量高，通过加入泡沫减小其摩阻力。

本实施例选取膨润土掺入参数和泡沫添加参数组合，分析多因素耦合作用对改良渣土性能增强作用。

(1)分析渗透系数、坍落度及搅拌机功率与膨润土泥浆用量的关系，找到膨润土泥浆最优用量。

(2)分析渗透系数、坍落度及搅拌机功率与泡沫注入率的关系，确定改良后的渣土的流塑性是否满足盾构施工要求。

(3)分析渗透系数、坍落度及搅拌机功率与泡沫剂用量和膨润土用量的关系曲线，确定最合适的添加剂用量范围。

在富水砂卵石层泡沫的体积浓度取3％～4％，膨润土泥浆配置质量比为1:7。分别按2％、4％、6％不同的外参比加入泡沫，按外参比6％、8％、10％加入膨润土泥浆，取9组试样，分别做坍落度试验、大型直剪试验及渗透试验，获得表1的水、膨润土、泡沫的混合液的渣土改良方案的具体参数。

表1

其中原液比是指发泡剂占混合液的比例是2.5％～3.5％。

针对第二种情况，在降水影响范围以外，则监测渣土中细颗粒的含量，当渣土内细颗粒含量高于40％时，调整渣土改良方案，不再使用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案，而是采用水、泡沫的混合液的改良方案，表2为水、泡沫的混合液的改良方案的具体参数。

因为在温度45°以上的环境内，渣土容易板结形成泥饼，并造成推力扭矩增大，速度降低，卵石破碎率增大，渣温升高等一系列恶化现象，因此，优选为控制渣温不高于35°

表2

S2，在降水影响范围以外的盾构施工中监测渣土中细颗粒的含量，当渣土内细颗粒含量高于40％时，调整渣土改良方案为采用水、泡沫的混合液的改良方案，当渣土内细颗粒含量低于40％时，继续采用水、膨润土、泡沫的混合液的渣土改良方案。

本发明还提供一种富水砂卵石地层盾构掘进方法，包括以下步骤：

获取初始端降水井位置，计算初始端降水井降水影响范围，在初始端降水井的降水影响范围内采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案，并进行盾构施工；

T1，当盾构施工至掌子面超出初始端降水井的降水影响范围，监测土体的细颗粒含量，若高于40％，则采用水、泡沫的混合液的改良方案，若低于40％，则依然采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案；

T2，当盾构施工至掌子面进入换刀降水井的降水影响范围，采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案；

T3，当盾构施工至掌子面超出换刀降水井的降水影响范围，监测土体的细颗粒含量，若高于40％，则采用水、泡沫的混合液的改良方案，若低于40％，则依然采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案；

T4，当盾构施工至掌子面进入结束端降水井的降水影响范围，采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案，直至盾构施工结束。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法，其特征在于，包括：

获取降水井位置，计算降水井降水影响范围，根据降水井与掌子面之间的距离初步确定渣土改良方案：

若所述距离在降水影响范围内，采用水、膨润土、泡沫的混合液的渣土改良方案，其中，确定水、膨润土、泡沫的相关参数的方法，包括：

取降水影响范围内的土样进行筛分试验，得到土样中粒径大于20mm的颗粒含量，粒径小于0.075mm的粉钻粒含量，大于0.075mm粒径土样含量，绘制级配曲线得到该土样的不均匀系数Cu，曲率系数Cc；

分析确定在盾构掘进过程中的透水性；

选取膨润土掺入参数和泡沫添加参数组合，分析多因素耦合作用对改良渣土性能增强作用：

(1)分析渗透系数、坍落度及搅拌机功率与膨润土泥浆用量的关系，找到膨润土泥浆最优用量；

(2)分析渗透系数、坍落度及搅拌机功率与泡沫注入率的关系，确定改良后的渣土的流塑性是否满足盾构施工要求；

(3)分析渗透系数、坍落度及搅拌机功率与泡沫剂用量和膨润土用量的关系曲线，确定最合适的添加剂用量范围；

在富水砂卵石层泡沫的体积浓度取3％～4％，膨润土泥浆配置质量比为1:7，分别按2％、4％、6％不同的外参比加入泡沫，按外参比6％、8％、10％加入膨润土泥浆，取9组试样，分别做坍落度试验、大型直剪试验及渗透试验，获得水、膨润土、泡沫的混合液的渣土改良方案的具体参数；

若所述距离在降水影响范围以外，采用水、泡沫的混合液的渣土改良方案；

在降水影响范围以外的盾构施工中监测渣土中细颗粒的含量，当渣土内细颗粒含量高于40％时，调整渣土改良方案为采用水、泡沫的混合液的改良方案，当渣土内细颗粒含量低于40％时，继续采用水、膨润土、泡沫的混合液的渣土改良方案。

2.根据权利要求1所述的富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法，其特征在于，

确定所述降水影响范围的公式为：

其中：

R——以降水井为中心的降水影响半径；

S w——水位降深；

H——含水层厚度；

K——渗透系数。

3.根据权利要求1所述的富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法，其特征在于，

所述水、膨润土、泡沫的混合液的渣土改良方案的相关参数包括：

泡沫参数：

原液比为2.5％～3.5％；

混合液流量为20～25L/min；

空气流量为120～150L/min；

水参数：

土舱加水量1.5～2.5m 3/环；

膨润土参数：

刀盘注入膨润土量为5～8m 3/环。

4.根据权利要求1所述的富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法，其特征在于，

所述水、泡沫的混合液的改良方案的相关参数包括：

原液比为2％～3％；

刀盘冲水量为6～8m 3/环：

土舱加水量为2～4m 3/环。

5.根据权利要求1所述的富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法，其特征在于，

还控制渣温不高于35°。

6.根据权利要求1所述的富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法，其特征在于，

所述膨润土的稠度在35s。

7.根据权利要求1所述的富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法，其特征在于，

所述细颗粒为粒径小于等于0.075mm的颗粒。

8.根据权利要求1所述的富水砂卵石地层盾构施工渣土改良方法，其特征在于，

包括富水砂卵石地层盾构掘进方法，所述富水砂卵石地层盾构掘进方法包括以下步骤：

获取初始端降水井位置，计算初始端降水井降水影响范围，在初始端降水井的降水影响范围内采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案，并进行盾构施工；

当盾构施工至掌子面超出初始端降水井的降水影响范围，监测土体的细颗粒含量，若高于40％，则采用水、泡沫的混合液的改良方案，若低于40％，则依然采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案；

当盾构施工至掌子面进入换刀降水井的降水影响范围，采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案；

当盾构施工至掌子面超出换刀降水井的降水影响范围，监测土体的细颗粒含量，若高于40％，则采用水、泡沫的混合液的改良方案，若低于40％，则依然采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案；

当盾构施工至掌子面进入结束端降水井的降水影响范围，采用水、膨润土、泡沫的混合液的改良方案，直至盾构施工结束。

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