CN113389556A - 一种复合地层泥水盾构泥浆高效循环配比 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了泥岩圆砾复合地层泥水平衡盾构泥浆外加剂选择及配比、配比方法及模拟装置。该泥浆主要由膨润土、水及外加剂三者组成，膨水比0.15：1～0.3:1，甲基硅酸钾浓度范围4.1％～7.5％。确定方法科学、可行性高。模拟装置包括环流系统、掘进系统及加压系统，掘进系统主要由气缸、电动机、减速机、刀盘及有机玻璃筒组成；加压系统主要为空气压缩机及油水分离器；循环系统主要为泥浆储备池及泥浆泵组成。该装置可控制不同地层条件、改变注浆压力、注浆速度泥、浆外加剂等测定泥浆的基本性能参数，拟解决现场实际问题,并且能够更加直观的观察泥膜的形成及泥膜质量。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，主要为一种泥岩圆砾复合地层泥水盾构外加剂的选择及外加剂最优范围。根据开挖面土层的基本性质，拟解决实际施工过程中弃浆量大及环流效率低等问题。
背景技术
泥水盾构具有优良的压力控制模式和广泛的土层适应性等优点，作为一种新型的盾构技术被广泛应用。对于特殊地层及精细沉降等施工难度高的项目，泥水盾构非常受欢迎。泥浆作为泥水平衡盾构机的重要组成部分，有着泥水平衡盾构机的“血液”的美誉,在施工中起到至关重要的作用。在施工过程中，经常通过对泥浆的改良及优化，以确保施工正常进行。
目前，对于泥水盾构机掘进泥岩圆砾地层时主要有以下几个问题：1.由于泥岩的特殊性质，即遇水崩解，在施工中会使得开挖面失稳，存在安全隐患；2.泥岩主要由粘土矿物组成如高岭石、蒙脱石，掘进过程中泥浆粘度会不断增加，影响泥浆流动性，导致环流系统出现问题；3.弃浆量大，需要重新配置新的泥浆，造成不可避免的的环境问题的同时带来巨大的经济损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种泥岩圆砾复合地层泥浆高效循环配比，通过对外加剂的选择及添加，拟解决泥水盾构机在泥岩复合地层掘进过程中，泥浆流动性差、弃浆量大等实际施工问题。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：本发明一方面提供泥岩圆砾复合地层泥水盾构泥浆所需外加剂，通过自制的模拟泥水盾构掘进土层设备，对加入不同外加剂的泥浆进行试验，可得出不同外加剂出浆粘度及出浆比重。最终确定甲基硅酸钾和氯化钾能够有效的降低泥水盾构机泥浆的出浆粘度及出浆比重。
进一步，将泥岩圆砾复合地层按照不同比例进行划分。定义复合比
式中h为泥岩层厚度，d为盾构机开挖直径，λ设计值分别为0.25,0.5,0.75,1。从而求得不同圆砾与泥岩复合比情况下添加剂的质量范围和泥浆出浆比重与添加剂质量的拟合公式。
表1出浆比重与添加剂质量关系
通过表1，可得当圆砾和泥岩处于上述某一复合比时，添加剂的质量与泥浆出浆的比重，在满足施工现场要求的情况下，选择添加剂质量。在质量方面，既要满足高效，又要满足经济。表2为不同复合比情况下，添加剂的最优浓度范围。
在施工现场，泥浆主要由膨润土与水组成，泥浆的膨水比可根据现场实际施工情况确定，这里仅提供泥浆的基本参数。泥浆参数为：粘度18-25秒；进浆比重：1.05～1.25；出浆比重在1.1～1.4；含砂率：小于4％；失水量300ml/30min；PH值8-9；泥膜厚度小于1mm。
表2添加剂最优浓度
对于外加剂而言，进一步，还包括降失水剂、消泡剂、稳定剂、氧化剂等一种或几种。
另一方面，提供了上述泥岩圆砾复合地层泥水盾构机泥浆外加剂选择及最优范围的确定方法。具体步骤如下：
1.调查工程地质条件和施工条件；
2.根据现场地质条件，选定施工地层，根据施工方案明确泥水盾构掘进半径、掘进速度等基本参数，以及选定泥岩圆砾的比例。根据勘察报告得出的泥岩与圆砾特征描述表，参考泥水盾构施工规范，明确在泥岩圆砾地层泥浆参数指标相应的控制范围；
3.设计模拟泥水盾构掘进泥岩圆砾地层及成膜设备；
4.确定泥浆的各项性能指标；
5.进行泥浆添加剂的对比小样基本性试验；
6.形成不同比例的配比方案；
7.通过自制设备进行试验，测量最终出浆比重值；
8.根据方案进行试验，满足相关要求最终确定最优的方案；
9.配置新泥浆。
进一步，其中步骤9，配置新鲜泥浆的具体方法：
步骤一，备料并称取各种材料；
步骤二，将膨润土倒入清水中搅拌至分散均匀；
步骤三，将添加剂倒入膨润土泥浆中，继续搅拌使外加剂充分水化；
步骤四，混合搅拌均匀，测定泥浆性能指标；
在步骤四中，泥浆测定性能包括：泥浆比重测试、泥浆粘度测试、泥浆含砂率测定、PH值测定。
另一方面，本发明提供了模拟泥水盾构掘进泥岩圆砾地层及成膜设备，模拟装置包括模拟泥浆环流部分、加压部分及开挖面掘进部分。由1电机；2气缸；3进气口塞；4气塞；5传动轴；6刀盘；7有机玻璃筒；8上、下密封盖；9出浆口止水阀；10泥浆储备桶；11泥浆泵；12出水口止水阀；13入浆转接口；14出浆转接口；15入浆口塞；16底座组成。为了保证气密性上下密封盖均套有密封圈，且由4根拉筋连接，拉筋两头由螺母固定。为保证装置的气密性，上下密封盖与有机玻璃桶之间由橡胶圈紧密接触。
在开挖面掘进部分，主要由1电机带动5转动轴在空压机向2气缸里充气的情况下推动6刀盘往前掘进；打开4气塞后使气缸放气，使得刀盘向上运动。
泥浆环流部分主要为，提前向10泥浆储备筒放入制备好的新泥浆，由泥浆泵经由15 入浆口送入7有机玻璃筒内，在经由9出浆口流入10泥浆储备筒中完成一次环流。泥浆泵与入浆口之间由止水阀及泥浆流速计连接，可调节不同流速。
加压部分，由3进气口与空压机相连，经由油水分离器，留至有机玻璃桶内。为掘进部位提供气压使成膜迅速。
本发明的有益效果体现在：
1.提供了一种解决泥水盾构掘进特殊地层(如泥岩等粘土岩石)时，泥浆添加剂选择及最优范围。
2.本发明提供了在研究泥水盾构泥浆配比时提供了新的思路及相关设备。提供了简单可行的复杂地层泥水盾构泥浆配置模拟装置，可以控制不同地层条件、注浆压力、注浆量、掘进速度、刀盘开口率等进行泥水盾构泥浆配比及成膜效果的研究。模拟施工现场地质条件，通过本发明装置选择能在此地层形成致密泥膜及通过添加外加剂解决现场实际施工问题的泥浆配比、注浆压力及注浆量。为施工现场泥浆参数的选择提供依据，有较强的工程适用性和应用前景。也可以对不同的泥浆配比、性能参数及注浆参数进行单因素或正交试验分析，进行泥浆性能、注浆参数等对泥水盾构隧道泥膜形成效果进行定性和定量的科学研究。
3.本发明提供了泥岩地层泥水盾构机掘进工程中泥浆添加剂的选择，申请人通过具体施工项目进行了实际实施，在对施工没有较大影响的施工地段，确保安全有序施工的前提下，保证不影响泥水盾构掘进过程中开挖面的稳定性，最重要的是提高了泥水盾构机泥浆循环系统的循环效率，做到了高效环流。同时有效控制了由于泥岩地层特殊性带来地层沉降问题。
附图说明
图1本发明的确定方法流程图。
图2自制模拟泥水盾构泥浆优化设备图。
具体实施方法
以下通过实例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施仅仅是示例性的，仅能用来解释和说明发明的技术方案，而不能解释为本发明技术方案的限制。
在泥岩地层使用泥水盾构机施工时，造成泥浆流动性差，弃浆量大等情况。我们往往采用向泥浆中加入添加剂的方法改变泥浆的性能。事实上，提高流动性、减小弃浆量的过程主要是泥浆添加剂与泥岩地层反应和影响的过程。
一种复合地层泥水盾构泥浆，进浆比重：1.05～1.25；出浆比重在1.1～1.4；含砂率：小于4％；失水量300ml/30min；PH值8-9；泥膜厚度小于1mm。膨水比0.15：1～0.3:1，甲基硅酸钾浓度范围4.1％～7.5％。
膨水比的确定需要结合现场工程实际情况确定，需要根据不同情况，结合滤水量进行分析。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.泥岩圆砾复合地层泥水盾构掘进过程中泥浆，其特征在于：该泥浆主要有膨润土、水和外加剂组成；外加剂主要为甲基硅酸钾，对于不同泥岩圆砾复合地层而言，复合比不同甲基硅酸钾添加量及膨水比不同。膨水比0.15：1～0.3:1，甲基硅酸钾浓度范围4.1％～7.5％，泥浆参数为：粘度：19-25s；比重：1.03-1.1；含砂率：小于4％；失水量：小于30ml/30min；pH值为8-9；泥皮厚度小于1mm。
2.如权利要求书1所述的泥岩地区泥水盾构掘进过程中泥浆，其特征在于，还包括降失水剂、消泡剂、稳定剂、氧化剂等一种或几种。
3.如权利要求1-2任一项所述的泥岩圆砾复合地层泥水盾构机泥浆配比的确定方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，调查工程地质条件和施工条件；
步骤二，根据现场地质条件，选定施工地层，根据施工方案明确泥水盾构掘进半径、掘进速度等基本参数，以及选定泥岩圆砾的比例。根据勘察报告得出的泥岩与圆砾特征描述表，参考泥水盾构施工规范，明确在泥岩圆砾地层泥浆参数指标相应的控制范围；
步骤三，设计模拟泥水盾构掘进泥岩圆砾地层及成膜设备；
步骤四，确定泥浆的各项性能指标；
步骤五，进行泥浆添加剂的对比小样基本性试验；
步骤六，形成不同比例的配比方案；
步骤七，通过自制设备进行试验，测量最终出浆比重值；
步骤八，根据方案进行试验，满足相关要求最终确定最优的方案；
步骤九，配置新泥浆。
4.如权利要求3所述的模拟装置，其特征在于所述的模拟装置包括模拟泥浆环流部分、加压部分及开挖面掘进部分，由1动力系统；2气缸；3进气口塞；4气塞；5转动轴；6刀盘；7有机玻璃筒；8上、下密封法兰；9出浆口止水阀；10泥浆储备筒；11泥浆泵；12出水口止水阀；13入浆转接口；14出浆转接口；15入浆口塞；16底座组成。
5.如权利要求3所述的模拟装置，掘进系统中1动力系统包括电机、减速器、调频器三部分，电机与减速机通过四根螺丝连接，动力系统与气缸连接为保证气缸的气密性，由橡胶圈连接。
6.如权利要求5所述，在空压机向2气缸里加压的情况下，1电机带动5转动轴，使得动6刀盘往前掘进；打开4气塞后使气缸放气，使得刀盘向上运动。
7.如权利要求6所述，提前向10泥浆储备筒放入制备好的新泥浆，由泥浆泵经由15入浆口送入7有机玻璃筒内，在经由9出浆口流入10泥浆储备筒中完成一次环流。
8.如权利要求4所述，3进气口与空压机和油水分离器相连，为掘进部位提供不同压力的气压，并使成膜迅速。
9.如权利要求3所述的泥水盾构泥浆配比的确定方法，其特征在于，泥水盾构掘进地层为泥岩圆砾复合地层；定义复合比
式中h为泥岩层厚度，d为盾构机开挖直径，λ设计值分别为0.25、0.5、0.75、1，得到不同复合比情况下加入甲基硅酸钾最优浓度范围，控制范围如表1所示。
表1不同复合比情况下加入甲基硅酸钾最优浓度范围
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