CN115724622A

CN115724622A - 一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂及其固化方法

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Publication number: CN115724622A
Application number: CN202211682138.5A
Authority: CN
Inventors: 马勇鹏; 何佳; 李书敏; 张爽爽; 曾宪成; 刘剑飞; 司昌威; 付传松
Original assignee: Henan Ruishida Separation Equipment Technology Co ltd
Current assignee: Henan Ruishida Separation Equipment Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-27
Filing date: 2022-12-27
Publication date: 2023-03-03

Abstract

本发明的目的在于提供一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂及其固化方法，属于大型市政建设工程盾构渣土处理技术领域。复合固化药剂由固化药剂和激活剂组成，渣土、固化药剂和激活剂的质量分数依次为100%、1.0%~5.0%、1.2%~6%；固化药剂的组份及质量分数为固结剂46.2%~57%，促凝剂14.3%~23.1%，增强剂28.6%~30.8%。本发明主要解决了现有盾构渣土固化处理技术存在的固化剂用量大、成本高、固化时间长及干化土浸出液碱度高的技术问题。

Description

一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂及其固化方法

技术领域

本发明属于大型市政建设工程盾构渣土处理技术领域，具体涉及一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂及其固化方法。

背景技术

盾构渣土是各类建（构）筑物、管网、地铁、隧道等工程施工中采用盾构施工工艺所产生的弃土，包括地铁工程项目中隧道盾构产出的土体、土渣或泥浆等。

基于盾构施工具有安全性好、机械化程度高、掘进速度快、对环境扰动小、地层适应性广等特点，因此盾构法已广泛应用于城市地铁和隧道建设中。目前地铁及隧道等大型市政交通建设中常用方法主要是泥水平衡和土压平衡盾构法。

为确保土压盾构掘进顺利，目前主要是向掘削渣土中注入水、泡沫、膨润土和粘土稳定剂等改良剂，以确保渣土具有良好流塑性。由此造成了盾构渣土具有含水率高、渗透性差、压缩性高等特点，环保处置难度增大。鉴于盾构施工产生的渣土掺有土壤改良泡沫剂、矿物类膨润土以及注浆产生的浆液，此类渣土多为粉质粘土、泥质粉砂、淤泥质粘土和含水稀泥浆等一种或多种弃土的混合物，如未经妥善处理，既无法外运，也不能堆填、填埋及综合再利用处置，堆填时也易造成滑坡等安全危害。

目前泥质盾构渣土快速无害化达标处理已成为大型市政工程施工中重要的环保技术难题，是制约地铁和隧道等大型工程施工安全高效化和绿色环保化的瓶颈。亟需研发新型快速处理技术，保障渣土处理后安全快速转运和堆填及综合再利用处置。实现地铁和隧道等大型市政工程施工绿色、清洁生产。

中国发明专利CN113402216A公开了一种盾构渣土固化剂及其资源化利用方法，固化剂的成分及质量比例为：水泥:氧化钙:硫酸钙:聚丙烯酸钠为（8~15）:（4~10）:（4~10）:（1~4）。其利用聚丙烯酸钠高分子聚合物吸水性强的特点快速吸收渣土水分，聚丙烯酸钠生成的粘性物质将渣土颗粒集聚成团，该盾构渣土固化剂具有早期强度明显的效果，固化后的干化土由盾构渣土的流塑态转变为可塑态，便于运输，解决了地铁项目因渣土存放池满载而停工的困境，而且养护7d后干化土的力学性能满足路基填料要求。但该法所用强碱性固化药剂即石灰的数量较大（1%~1.6%），使用高分子聚丙烯酸钠吸水剂效果好，但该药剂售价较高，加之用量多导致整体固化成本升高，且对干化土的水稳定性未作深入研究。

中国发明专利CN111943620A公开了一种泥浆固化剂及其应用，所述泥浆固化剂成分组成及重量配比为：铝酸盐水泥15~20份，生石灰13~19份，膨润土15~20份，脱硫石膏47~54份。以及所述泥浆固化剂在泥浆处理中的用途。其通过复合高吸水性材料和无机水硬性材料制备了一种能与水快速发生反应且显著提高泥浆处理后的干化土强度的绿色固化药剂，大大提高了施工效率，简化施工工艺，且干化土可用于修筑施工便道。但该工艺存在复合固化剂用量大（为泥浆质量分数的4.5%~30%），且其中生石灰属于强碱性物质（质量分数高达13%）、干化土静置侯凝时间较长（24~72h）的缺陷，不适用于大城市中地铁盾构施工泥质渣土现场快速处理和及时外运的实际工况需求。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的缺点，提供一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂及其固化方法，解决了现有盾构渣土固化处理技术存在的固化剂用量大、成本高、固化时间长及干化土浸出液碱度高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂，所述复合固化药剂由固化药剂和激活剂组成，渣土、固化药剂和激活剂的质量分数依次为100%、1.0%~5.0%、1.2%~6%；

所述固化药剂的组份及质量分数为固结剂46.2%~57%，促凝剂14.3%~23.1%，增强剂28.6%~30.8%。

作为本发明的一种改进，所述固结剂为PO42.5R普通硅酸盐水泥、PC32.5R复合硅酸盐水泥、PS32.5R矿渣水泥、PF32.5R粉煤灰水泥的任一种或两种以上的混合物。

作为本发明的一种改进，所属促凝剂为石灰、氧化镁、碳酸钠的任一种或两种以上的混合物。

作为本发明的一种改进，所述增强剂为石膏、磷石膏、硫酸钙的任一种或两种以上的混合物。

作为本发明的一种改进，所述激活剂为硫酸铝钾、氯化铵、氯化铁、硫酸铝的任一种或两种以上的混合物。

一种利用上述复合固化药剂进行的盾构渣土固化方法，具体包括以下步骤：首先在盾构渣土固化反应系统中根据盾构渣土和固化药剂的质量分数加入固化药剂，控制搅拌速度为19.5r/min~31r/min，搅拌反应3min~5min；然后根据盾构渣土和激活剂的质量分数加入激活剂，搅拌2min~3min后形成干化土；最终将干化土侯凝4h~8h后，进行外运，堆放贮存。

本发明的有益效果为：

1、本发明盾构泥质渣土复合固化药剂在处理盾构泥质渣土时，具有药剂用量小、成本低、侯凝时间短及效率高等优点。整个工艺过程简单，本发明既可以实现盾构施工渣土现场（原位固化）处理，也可以进行场站集中处理。

2、盾构渣土固化处理后，干化土呈可塑和硬塑态，且主要技术指标均达到湖南省地方标准《盾构渣土处理技术标准》（DB.J43/T515-2020），干化土浸出液各项指标均达到国家标准《污水综合排放标准》（GB8978-1996）1级标准技术要求，其力学性能和水稳定性能好，解决了泥质盾构渣土处理不达标、含水高、强度低等无法外运和堆填等技术难题，实现了干化土及时外运，安全堆填、填埋和资源再利用处置。

3、本发明不仅适用于处理泥质土压盾构渣土，而且还适用于处理含水率范围为25.0%~70.0%、透水性小的泥水盾构渣土，同时还可以处理河道淤泥、顶管高含水泥浆等，应用范围广范。

综上所述，本发明充分利用复合固化药剂中的固结剂、促凝剂、增强剂和激活剂与泥质盾构渣土在固结干化系统快速搅拌均质条件下通过发生水化、置换、离子交换等一系列化学反应，快速形成牢固的含有水化硅酸钙、氢氧化钙、硫酸钙、碳酸钙、硅酸铁和针状钙矾石(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O)等多结晶凝胶聚集体，且彼此交织、填充在盾构渣土孔隙中，形成密实的且具有三维立体新的化学结构体-干化土，即通过固结剂促进渣土颗粒聚合，促凝剂进一步构建渣土颗粒骨架结构，增强剂提高渣土固化后的干化土强度，激活剂既能强化多结晶凝胶聚集体形成，又能协同调理渣土酸碱性的反应机理，快速提高干化土的力学、水稳和耐久性能。干化土在4h～8h内由软塑态、流塑态转变为可塑态或硬塑态，且土体松散。便于盾构渣土现场（原位）固化施工、干化土外运堆填或填埋，干化土浸出液污染物指标均达到国家《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级标准技术要求，实现土压盾构泥质渣土固结稳定化处理和安全处置。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例一：

本实施例所用盾构渣土来源为中部某城市地铁土压平衡盾构施工现场，渣土为泥质粉砂岩地质结构，含水率为25.0%。固化药剂:激活剂:盾构渣土的质量分数比为1%:1.5%:100%，其中，固化药剂的组份及质量分数为固结剂46.2%，促凝剂23.1%，增强剂30.7%。根据上述配方设计，本盾构渣土固化方法，包括以下步骤：（1）首先采用挖掘机计量投加一定质量的泥质盾构渣土于盾构渣土固化反应系统的固化反应罐中，其中，盾构渣土固化反应系统为现有已知设备；（2）边搅拌边加入上述固化药剂，根据盾构渣土和固化药剂的上述质量分数加入固化药剂，控制搅拌速度为19.5r/mi，搅拌反应3min；（3）然后根据盾构渣土和激活剂的上述质量分数加入激活剂，搅拌2min后形成干化土；（4）干化土静置侯凝4h。测定浸出液污染物指标，7天后测定干化土无侧限抗压强度。该盾构渣土含水率、干化土无侧限抗压强度及固化土浸出液的主要指标分析见表1《三个实施例盾构渣土主要物性指标分析结果》和表2《三个实施例干化土力学性能和浸出液污染物指标分析结果》。

实施例二：

本实施例所用盾构渣土来源为中南部某城市地铁土压平衡盾构施工现场，盾构渣土为粘泥质地质结构，含水率为62.0%。固化药剂:激活剂:盾构渣土的质量分数比为5%:6.0%:100%，其中，固化药剂的组份及质量分数为固结剂50%，促凝剂20%，增强剂30%。根据上述配方设计，本盾构渣土固化方法，包括以下步骤：（1）首先采用挖掘机计量投加一定质量的泥质盾构渣土于盾构渣土固化反应系统的固化反应罐中；（2）边搅拌边加入上述固化药剂，根据盾构渣土和固化药剂的上述质量分数加入固化药剂，控制搅拌速度为31r/mi，搅拌反应5min；（3）然后根据盾构渣土和激活剂的上述质量分数加入激活剂，搅拌3min后形成干化土；（4）干化土静置侯凝8h。测定浸出液污染物指标，7天后测定干化土无侧限抗压强度。该盾构渣土含水率、干化土无侧限抗压强度及固化土浸出液的主要指标分析见表1《三个实施例盾构渣土主要物性指标分析结果》和表2《三个实施例干化土力学性能和浸出液污染物指标分析结果》。

实施例三：

本实施例所用盾构渣土来源为西部某城市地铁土压平衡盾构施工现场，盾构渣土为粘泥质地质结构，含水率为70.0%。复合固化药剂:激活剂:盾构渣土的质量分数比为3%:4%:100%。根据上述配方设计，本盾构渣土固化方法，包括以下步骤：（1）首先采用挖掘机计量投加一定质量的泥质盾构渣土于盾构渣土固化反应系统的固化反应罐中；（2）边搅拌边加入上述固化药剂，根据盾构渣土和固化药剂的上述质量分数加入固化药剂，控制搅拌速度为25r/mi，搅拌反应4min；（3）然后根据盾构渣土和激活剂的上述质量分数加入激活剂，搅拌2.5min后形成干化土；（4）干化土静置侯凝6h。测定浸出液污染物指标，7天后测定干化土无侧限抗压强度。该盾构渣土含水率、干化土无侧限抗压强度及固化土浸出液的主要指标分析见表1《三个实施例盾构渣土主要物性指标分析结果》和表2《三个实施例干化土力学性能和浸出液污染物指标分析结果》。

表1 三个实施例盾构渣土主要物性指标分析结果

表2 三个实施例干化土力学性能和浸出液污染物指标分析结果

表1数据表明，实施例一、实施例二和实施例三的土压平衡盾构渣土的地质构造组成差异较大，渣土外观均表现为流塑和软塑状态，含水率依次为25.0%、62.0%、70.0%，实施例一和实施例三中渣土浸出液中的pH和COD_Cr两个主要技术指标均超出国家《污水综合排放标准》（GB8978-1996）的一级排放标准，需采用固化技术进行无害化处理，才能进行外运堆填、实现安全处置。

表2数据表明，不同地质构造和不同含水率的土压盾构泥质渣土均可采用本发明的复合固化药剂和固化方法进行无害化处理，处理后的干化土呈可塑和硬塑态，其主要技术指标均达到湖南省地方标准《盾构渣土处理技术标准》（DB.J43/T515-2020），干化土浸出液主要污染物指标达到国家《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级标准，无侧限抗压强度为>0.5MPa。表明干化土具有良好的力学性能和水稳性能。既能实现原位快速固化处理、及时外运，也能实现堆填和作公路素土再利用等安全处理。

以上是对本发明所提供的一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂及其固化方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的技术原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂，其特征在于：所述复合固化药剂由固化药剂和激活剂组成，渣土、固化药剂和激活剂的质量分数依次为100%、1.0%~5.0%、1.2%~6%；

2.根据权利要求1所述的一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂，其特征在于：所述固结剂为PO42.5R普通硅酸盐水泥、PC32.5R复合硅酸盐水泥、PS32.5R矿渣水泥、PF32.5R粉煤灰水泥的任一种或两种以上的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂，其特征在于：所属促凝剂为石灰、氧化镁、碳酸钠的任一种或两种以上的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂，其特征在于：所述增强剂为石膏、磷石膏、硫酸钙的任一种或两种以上的混合物。

5.根据权利要求1所述的一种土压盾构泥质渣土复合固化药剂，其特征在于：所述激活剂为硫酸铝钾、氯化铵、氯化铁、硫酸铝的任一种或两种以上的混合物。

6.一种利用权利要求1至5之一所述的复合固化药剂进行的盾构渣土固化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：首先在盾构渣土固化反应系统中根据盾构渣土和固化药剂的质量分数加入固化药剂，控制搅拌速度为19r/min~31r/min，搅拌反应3min~5min；然后根据盾构渣土和激活剂的质量分数加入激活剂，搅拌2min~3min后形成干化土；最终将干化土侯凝4h~8h后，进行外运，堆放贮存。