CN1308570C - 隧道钻孔方法及其中所用的水性泡沫物 - Google Patents

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Abstract

一种使用土压力平衡盾构式隧道钻孔机的隧道钻孔方法，该钻孔机具有一切割头，一用于钻孔中去除土壤的挖掘腔和从该腔运走所述土壤的输送机构；其中在切割头向被钻孔的地层喷入一种发泡水溶液，其特征在于：(a)该水溶液包含两种基本成分，它们是：(i)含有硫酸盐或磺酸盐的阴离子表面活性剂，和(ii)β-萘磺酸盐-甲醛缩合物；其中(b)至少在挖掘腔和输送机中的一个向钻孔中被除去的土壤加入第二种水溶液，该溶液基本上含有高分子量聚环氧乙烷和可选择的硫酸盐或磺酸盐阴离子表面活性剂。该方法允许土壤从切割头被去除到挖掘腔和从挖掘腔排出该机器。该方法对含高比例泥土和水的胶粘土壤特别有效。

Description

隧道钻孔方法及其中所用的水性泡沫物
技术领域
本发明涉及隧道钻孔及其中使用的合成物。
背景技术
土压力平衡盾构式隧道钻孔机(EPBS)，因其具有许多优点，如在多种地层中钻孔的性能，正日益频繁地被使用在非岩石地层隧道的钻孔。EPBS包括一旋转的切割头，其被安装在一相似直径的圆柱形盾构上，其旋转轴线与盾构的纵轴共线。该盾构内包含有向切割头送料的机构和运走土壤的机构。土壤于是通过切割头中的孔随即到达位于切割头后的的挖掘腔，并于此被输送机，通常是一螺旋式输送机运走。
EPBS在具有良好的塑性特性的粘土中能很好的操作，但对其它土壤例如浓稠的胶粘土壤并非如此有效。解决这一问题的办法之一就是在切割头中加入水性发泡材料，以使土壤清除变得容易些。在公开出版号为WO99/18330的PCT中可以找到这种方法的一个例子。
理想情况下，切割头中的土壤可以通过喷入发泡材料使其有足够塑性，以使其通过切割头进入挖掘腔。在这一点上，土壤应能适于被输送机处理，但情况并非总是如此。例如，含有高比例泥土和水的地层土壤产生的问题是，土壤呈现很强的流动性，这不仅使其从挖掘腔被有效除去变得困难，而且还导致土壤流出盾构后部的挖掘腔。
发明内容
已经发现，使用一种包括发泡剂的改进方法来有效地除去这种土壤是可能的。所以，本发明提供一种使用一土压力平衡盾构式隧道钻孔机的隧道钻孔方法，该钻孔机具有一切割头，一用于钻孔中去除土壤的挖掘腔和从该腔运走所述土壤的输送机构，其中在切割头向被钻孔的地层喷入一种发泡水溶液，其特征在于：
(a)该水溶液包含两种基本成分，它们是：(i)含有硫酸盐或磺酸盐的阴离子表面活性剂，和(ii)β-萘磺酸盐-甲醛缩合物；其中
(b)至少在挖掘腔和输送机中的一个，向钻孔中被除去的土壤中，加入第二种水溶液，该溶液主要含有高分子量聚环氧乙烷和可选择的硫酸盐或磺酸盐阴离子表面活性剂。
上述(a)中描述的水溶液后面将被称为“第一种水溶液”。
具体实施方式
本发明基于这样的发现，即在隧道开凿条件下，β-萘磺酸盐-甲醛缩合物(后称其公知缩写“BNS”)和聚乙二醇起反应，反应方式的精确性质虽不为所知，但导致它们共存介质的硬化。结果，含有二者的土壤变得流动性较小，就比较适合输送机运走。
所述阴离子表面活性剂，是第一种水溶液的基本成分和第二种水溶液的可选择成分，可以从本领域已知的含硫酸盐或磺酸盐的表面活性剂中选择。一种特别最佳的型式是聚亚烷基烷基醚硫酸盐，其聚环氧烷链具有2-3环氧烷(alkylene oxide)单元的平均链长。典型的商业材料包括Toho化学工业公司的Alscope(商标)系列。
其它特别最佳的型式包括单异丙醇铵十二烷基醇硫酸盐(商业可购得的，如“Sulfetal”(商标)Cjot 160，α-烯烃磺酸盐(CAS登记注册号68439-57-6)，商业可购得的，如“Rhodocal”(商标)A-246-L，和C8-22脂肪醇硫酸盐和C8-22脂肪醇醚硫酸盐，所述脂肪醇最好是十二烷醇，所述醚是1-3环氧烷单元的环氧烷(最好是环氧乙烷)链形成的醚，并且成盐阳离子最好从碱金属，镁和烷醇胺中选择。
本发明有效的BNS可以从适用的大量此类商业材料中选择。BNS大量使用在建筑工业，被喻为混凝土的万能增塑剂。商业可购得材料的例子包括RHEOBULD(商标)1100和RHEOBUILD 5500。
聚环氧乙烷(PEO)是商业上公知的物质，其合适的材料可从大量的适用材料中选择。典型的例子是“联合碳化物(Union Carbide)”的“Polyox”(商标)材料。所述“高分子量”意为材料的平均重量分子量从100000到8000000。最佳的分子范围是2000000-5000000。
除这两种基本成分外，可以向第一种水溶液加入本领域已知的发挥特殊的专门作用的其它材料，例如，杀虫剂和复合剂。在某些情况下，泡沫稳定剂，特别是有长酯酸链的胺类，也是有效的。这些附加的材料可以按本领域认可的数量使用。当使用聚亚烷基烷基醚硫酸盐表面活性剂时，一种有效的添加剂材料是尿素，加入发泡溶液的重量比范围是0.03-0.8％，最好是0.06-0.25％。
在制备第一种水溶液(作为切割头处发泡和添加剂)时，表面活性剂对BNS的百分比(固体重量)可以从1∶99-99∶1变化，较佳地是90∶10-10∶90，最佳地是70∶30-30∶70。(当然可以在不同的溶液中独立地加入这两种基本成分，但这只增加操作问题而不提高性能)。为最方便操作，这两种成分溶于水形成适合进一步稀释、发泡和喷射的浓缩物。典型地，该浓缩物包括5-40％，最好是8-20％，重量比的固体表面活性剂和缩合物。为了在切割头喷射，用水稀释该浓缩物，使其占最终的第一种水溶液重量比的1-20％，最好是2-6％，然后再被常规方法发泡，产生泡沫的体积是发泡前第一种水溶液体积的2-15倍，最好是8-12倍。喷射的泡沫体积是每立方米土壤10-1000L，最好是200-600L。
本发明另外还提供一种如上定义的可发泡液体浓缩物。
本发明另外还提供如上定义的泡沫物。
在制备第二种水溶液时，聚环氧乙烷溶于水的重量比范围是0.5-2.0％，最好是0.8-1.2％。如果第二种水溶液使用含硫酸盐或磺酸盐的阴离子表面活性剂，其对第二种溶液的重量比范围为5-40％，最好是8-20％。含硫酸盐或磺酸盐的阴离子表面活性剂的存在能有助于土壤从挖掘腔去除。当第二种水溶液使用表面活性剂时，其在加入挖掘腔和/或输送机前使用常规方法发泡。
除基本的聚环氧乙烷和可选择的阴离子表面活性剂外，第二种水溶液还可包含已知数量的本领域认可的材料，以实现特殊功能。例如杀虫剂和消泡剂。
使用时，第一种水溶液通过常规方法发泡，然后经切割头的端口喷入被钻孔的地层。土壤通过切割头的端口移入挖掘腔。向挖掘腔内加入第二种水溶液，如果该溶液包含硫酸盐或磺酸盐的阴离子表面活性剂，该溶液被发泡。土壤然后被输送机运出挖掘腔以待处理。正如前面提到的，除了或者代替向挖出腔内加入第二种水溶液，也可向输送机加入第二种水溶液。
已经发现，本发明的方法对处理含有高比例泥土和水的土壤非常有效。新加坡的土壤即可作为一例，在那里用已有技术为地下铁道进行隧道钻孔，已被证明是困难的。本发明的方法对这样的土壤使用良好，提供经济有效的钻孔和处理方法。
另外本发明还提供在使用土压力平衡盾构式钻孔机进行隧道钻孔时，如上定义的泡沫物和如上定义的第二种水溶液的组合使用。
本发明将通过下列非限制性实施例被进一步说明。
实施例一
说明发明效果的实施例。
样土取自“新加坡地下铁道(Singapore Metro)建筑工地(一种重的、多水的粘土)，按英国标准BS1377第2部分进行锥形渗透实验，这种实验给出受试材料的塑性或流动性指标，锥的渗透越深，试样的塑性或流动性越强。三种试样(试样1，2和3)按如下处理：
试样1：不处理。
试样2：土壤中加入0.08％土壤重量比的阴离子表面活性剂(“Sulfetal”(商标)Cjot 160)和0.04％的BNS(“Rheobuild”(商标)5500)。
试样3：同试样2，但再加入0.01％的聚环氧乙烷(“Polyox”(商标)WSR-301)。
该锥形渗透实验给出如下结果：
试样1：13.7mm，试样2：20.7mm，试样3：17.5mm
实际上，试样1非常硬，试样2中两种添加剂的加入使试样变得流畅和容易流动。试样3中加入聚环氧乙烷，使试样又变硬，但不象原来那么硬。
实施例二
使用发泡成分的实施例。
再实验三种试样，这次按德国标准DIN 18 555进行扩展实验。该实验包括将试样置于桌面之上，然后使桌面下跌和受撞击。受撞击后试样的扩散程度是试样流动性的量度-扩散越大，试样流动性越好。三种试样在下跌前按如下处理：
试样1：不处理。
试样2：用α-链烯烃磺酸盐表面活性剂(“Rhodocal”(商标)A-246-L)和BNS(“Rheobuild”5500)的发泡水溶液混合物处理，结果向样土加入0.08％重量比的表面活性剂和0.04％的BNS。
试样3：同试样2，但还加入0.01％重量比的聚环氧乙烷(“Polyox”WSR-301)。
结果如下：
试样1：10.2cm，试样2：15cm，试样3：12.2cm。
如实施例1，表面活性剂和BNS的加入使试样的较具流动性，再加入聚环氧乙烷又使材料变硬，但与原来的硬度不同。
在工地，这意味着隧道钻孔机切割头处的材料可被变得流畅，结果能较容易地通过切割头进入挖掘腔，然后可被硬化，更易从挖掘腔去除。

Claims (13)

1、一种使用土压力平衡盾构式隧道钻孔机的隧道钻孔方法，该钻孔机具有一切割头，一用于钻孔中去除土壤的挖掘腔和从该腔运走所述土壤的输送机构；其中在切割头向被钻孔的地层喷入第一种发泡水溶液，其特征在于：
(a)该第一种水溶液包含两种基本成分，它们是：(i)含有硫酸盐或磺酸盐的阴离子表面活性剂，和(ii)β-萘磺酸盐-甲醛缩合物；其中
(b)至少在挖掘腔和输送机中的一个，向钻孔中被去除的土壤中，加入第二种水溶液，该溶液含有高分子量聚环氧乙烷。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述第二种水溶液还含有含硫酸盐或磺酸盐的阴离子表面活性剂。
3、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述阴离子表面活性剂是从下列中选择的：聚亚烷基烷基醚硫酸盐，其具有2-3环氧烷单元的聚环氧烷平均链长，单异丙醇铵十二烷基醇硫酸盐，α-烯烃磺酸盐和C8-22脂肪醇硫酸盐和C8-22脂肪醇醚硫酸盐，所述醚是由1-3环氧烷单元的环氧烷链形成的醚。
4、根据权利要求1-3中任一个的方法，其特征在于：在第二种水溶液中的聚环氧烷具有100,000-2,000,000的重均分子量。
5、根据权利要求1-3中任一个的方法，其特征在于：在第一种水溶液中的阴离子表面活性剂对β-萘磺酸盐-甲醛缩合物的百分比比率，以固体重量计，是1∶99-99∶1。
6、根据权利要求1-3中任一个的方法，其特征在于：在第一种水溶液中的阴离子表面活性剂对β-萘磺酸盐-甲醛缩合物的百分比比率，以固体重量计，是90∶10-10∶90。
7、根据权利要求1-3中任一个的方法，其特征在于：在第一种水溶液中的阴离子表面活性剂对β-萘磺酸盐-甲醛缩合物的百分比比率，以固体重量计，是70∶30-30∶70。
8、根据权利要求1-3中任一个的方法，其特征在于：所述第一种水溶液作为一种含有5-40重量％的阴离子表面活性剂和β-萘磺酸盐-甲醛缩合物的浓缩物使用，被稀释后其占最终水溶液的1-20％，该溶液被发泡，产生泡沫的体积是发泡前第一种水溶液体积的2-15倍。
9、根据权利要求8的方法，其特征在于：喷射的泡沫体积是每立方米土壤10-1000L。
10、在权利要求1的方法中使用的可发泡液体的浓缩物，由溶解在水中的含硫酸盐或磺酸盐的阴离子表面活性剂和β-萘磺酸盐-甲醛缩合物组成，在该浓缩物中表面活性剂对缩合物的固体重量百分比比率是1∶99-99∶1，并且该浓缩物含有5-40重量％的表面活性剂和缩合物。
11、一种水性泡沫物，是一种液体的泡沫产品，该液体是1-20重量％的权利要求10所述浓缩物的水溶液，该泡沫的体积是该水溶液体积的2-15倍。
12、根据权利要求11的泡沫物在使用土压力平衡盾构式隧道钻孔机进行隧道钻孔中的应用，该泡沫物与第二种水溶液相结合，该水溶液含有高分子量聚环氧乙烷。
13、根据权利要求12的应用，其特征在于：所述第二种水溶液还含有含硫酸盐或磺酸盐的阴离子表面活性剂。
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