一种富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法.pdf

本发明公开了一种富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，通过刀盘面板加注通道和刀盘前方各辐臂上的注入孔，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注高浓度泡沫。

1.  一种富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，通过刀盘面板加注通道和刀盘前方各辐臂上的注入孔，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注高浓度泡沫。

2.  如权利要求1所述的富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，所述高浓度泡沫的添加剂由表面活性剂、稳定剂、强化剂和渗透剂复配而成，且载体为水。

3.  如权利要求2所述的富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，所述高浓度泡沫的泡沫浓度：4-5％；地层注入率(FIR)：50-60％；泡沫膨胀率(FER)：1:14-1:16。

4.  如权利要求1所述的富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，所述刀盘面板加注通道的数量是3-5路。

5.  如权利要求1所述的富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法，其特征在于，所述注入孔的数量和位置，根据盾构开挖半径轨迹的远近和刀盘辐臂的角度均匀选择。

一种富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法
技术领域
本发明涉及盾构渣土改良技术领域，特别是涉及一种富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法。
背景技术
渣土改良是指为了使盾构刀盘切削形成的渣土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，通过盾构专用的添加装置向刀盘前方、土仓及螺旋输送机内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌及螺旋输送机旋转搅拌，使添加剂与渣土充分混合，以达到改善渣土性状，利于土压平衡盾构掘进控制的作用。
渣土改良的主要目的：
(1)使渣土具有良好的流塑性，利于土压平衡效果的实现，利于控制土压、稳定开挖面，控制地层沉降；
(2)使渣土具有良好的止水性，利于减低渣土的透水性，减少地层水土流失，降低渣土离析或螺旋机喷涌现象。
(3)使渣土具有良好的流动性、和易性和可排性，利于螺旋输送机排渣，减少渣土沉积固结，减少泥饼的形成。
(4)使渣土具有较低的摩租力和粘着力，利于有效降低刀盘和螺旋输送机扭矩，降低对刀具和螺旋的磨损，改善盾构掘进参数，提高掘进效率。
盾构隧道开挖范围及拱顶上覆地层为富水板岩与砂卵石交互地层时，该地层的主要地层特征为：拱部与拱顶上覆地层为砂卵石，下伏地层为强、中风化板岩。卵石层侵入开挖断面的厚度不均，两类地层呈复合地层性状。
上覆砂卵石地层中卵石含量高，石英岩卵石粒径20－80mm左右，含量50－70％，余为圆砾和中粗砂，饱和。卵石单轴抗压强度高，对盾构刀具磨损大；砂卵石层松散、稳定性差，掘进期间易受扰动，沉降不易控制，易松动坍塌；砂卵石层渗透系数高，呈饱和状态，透水性好、赋存水量大；砂卵石内摩擦角大，和易性和流动性差，摩阻力大，刀盘扭矩易增大。
下伏强风化板岩地层为开挖范围主要构成，底部局部为中风化板岩。强风化板岩为碎裂结构，薄层状构造，裂隙发育，岩芯呈碎片状、碎块状，浸水易软化崩解。中风化板岩薄层状结构，层理和节理裂隙较发育，矿物主要为云母、石英，局部夹石英岩脉，岩芯呈饼状、短柱状。由于板岩遇水易软化变形、崩解，强度和承载能力骤减，且该层节理裂隙发育，透水性较强，岩层孔隙水丰富，在刀盘开挖和搅动状态下，掌子面易崩解坍塌，出现脱空，在反复搅动下，遇水软化成泥浆状，粘着力强，刀盘扭矩大，刀盘和土仓易结泥饼，渣土流动性差，皮带排渣困难，易粘结，掉泥，掘进效率低，施工环境差。
在两类地层复合性状下，加之地下水丰富，该地层掘进的总体特征为：地层界面不稳定，临界面稳定性差，掌子面自稳能力差，易崩塌、脱空，以致地面沉降较大；刀盘和螺旋机扭矩大，排渣困难，易结泥饼；刀具磨损严重，开仓换刀条件差；总体掘进效率低，沉降控制难度大。
因此希望有一种富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法来克服或至少减轻上述的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法来克服现有技术中存在的上述问题。
为实现上述目的，本发明提供一种富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法，通过刀盘面板加注通道和刀盘前方各辐臂上的注入孔，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注高浓度泡沫。
优选地，所述高浓度泡沫的添加剂由表面活性剂、稳定剂、强化剂和渗透剂复配而成，且载体为水。
优选地，所述高浓度泡沫的泡沫浓度：4－5％；地层注入率(FIR)：50－60％；泡沫膨胀率(FER)：1：14－1：16。
优选地，所述刀盘面板加注通道的数量是3－5路。
优选地，所述注入孔的数量和位置，根据盾构开挖半径轨迹的远近和刀盘辐臂的角度均匀选择。
本发明提供了一种富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法，该方法具有以下有益效果：1.封闭开挖面和拱部地层，减少脱空坍塌，控制沉降；提高渣土的止水性，降低开挖面透水性，减少地下水对开挖面和拱部地层的冲蚀影响，保持开挖面自稳性；2.增加渣土可排性，减少粘附，防止结泥饼，降低刀盘开挖扭矩和螺旋输送机扭矩；3.实现对刀具、螺旋的润滑和冷却，减少砂卵石对刀具和螺旋的磨。该方法改善了盾构掘进参数，提高了掘进效率，并且改善了渣土的不良状态，提高其流动性，以利于建立土压平衡效果。
具体实施方式
在本发明一宽泛实施例中，一种富水板岩与砂卵石复合地层盾构掘进用渣土改良方法，通过刀盘面板加注通道和刀盘前方各辐臂上的注入孔，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注高浓度泡沫。
渣土改良材料一般有表面活性剂类(如泡沫剂)、矿物类(如粘土或膨润土)、高分子类(如聚合物)和其他复合添加材料。其加注位置一般为分布在刀盘面板、土仓隔板和螺旋机筒体上的注入孔，其材料选取和加注方法应根据掘进地层的特征和盾构设备能力和配置特点进行综合考虑，一般对于复杂地层宜采取复合添加，多途径注入的原则，即选取两种以上添加剂材料，在刀盘、土仓和螺旋机处选择合适的孔位，按照合理的分配路径，依照各自添加系统和途径，同时组合注入，以取得较好的改良效果。
高浓度泡沫是由多种表面活性剂、稳定剂、强化剂和渗透剂等复配而成的，载体为水。作为发泡液主要成分的表面活性剂，是由聚合而成的长链分子构成的，含有憎水基和亲水基，可以起到渗透、乳化、发泡、减摩等作用效果。在工作过程中与水混合，通过压缩空气，经泡沫发生装置，使液体膨胀产生泡沫，注入到盾构刀盘、土仓和螺旋输送机内，以进一步改善开挖面土体的物理和力学性质，增加其塑性流动性和止水性，防止切削土砂粘附在刀盘及螺旋输送机内，避免闭塞现象，减轻机械负荷，降低刀盘扭矩和推力，起到土体改良的作用。
泡沫是典型的气－液二相系，其90％以上为空气，10％为泡沫剂溶液；而泡沫剂溶液90％～99％为水，其余为泡沫剂原液。
(1)表面张力减小。水的表面覆盖了一层表面活性剂，其憎水基与空气接触，从而减小水的表面张力。
(2)吸附性。当表面活性剂加入液体中，它可以吸附在固体－液体，液体－气体和不同液体的分界面上，形成定向排列，形成吸附膜。
(3)润滑作用。表面张力的减小增加了润滑作用。由于结合水的流动使原来被结合水束缚的土颗粒能自由流动。
(4)静电排斥作用。使得由静电力结合的土粒分开。表面活性剂吸附在土体内微小裂缝的表面，增加裂缝的深度，减弱微小裂缝的愈合能力，增强扩散能力，并使得土颗粒带有相同的电荷而相互排斥。
(5)加入泡沫的混合土体的密实度有较大变化，泡沫置换了渣土中的部分颗粒和水分，使得混合土体密度减小，减小了颗粒之间的接触，气泡起到了一定的润滑作用，降低了接触面的粗糙度，减小了内摩阻力。同时提高了土体的止水性，降低了土体的渗透性。
(6)泡沫混合土体具有一定的弹性、强度和刚度，有助于维持土仓必要的土压力，并使其均匀变化。
泡沫在渣土改良中的作用
(1)使开挖面土体的强度和刚度得到加强，利于建立土压，维护开挖面稳定性，控制地层沉降。
(2)泡沫有良好的润滑性能和一定的强度、弹性，可降低仓内土体的内摩擦角，改善土仓内土体的流塑性，利于稳定土压，实现土压平衡，维护开挖面稳定；利于提高开挖土体的流动性，增加渣土的可排性，使土仓和螺旋排土通畅；防止“闭塞”现象发生；泡沫具有压缩性，可提高改良后的开挖土的压缩性，抑制“泥饼”问题的发生，降低刀盘和螺旋输送机的扭矩，改善掘进参数；吸附在颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒与刀盘系统的直接摩擦，利于减少刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损，冷却刀具。
(3)泡沫能置换土颗粒间隙中的水，利于降低渣土的渗透性，提高其止水性，减小地下水流失，减少喷涌。
(4)在松散的砂卵石地层中，可填充和置换砂石颗粒间隙，增加颗粒之间的粘聚力，改善土体的受力状况，使土体传力均匀，利于调整土仓压力，保证稳定掘进，同时因其良好的扩散性和渗透性，在刀盘的搅拌下迅速渗透到渣土中，包裹砂卵石颗粒，降低了土体的密实度，改善土体的流塑性，降低开挖扭矩。
经现场定期试验验证，确定在富水砂卵石与板岩复合地层中，因其地下水丰富，故采取高浓度泡沫，并适当提高泡沫膨胀率，增强泡沫稳定性，延迟消散为重要指标，与掘进速度和实际地层特征相匹配的添加泡沫掺量配比如下：
泡沫浓度：4％；地层注入率(FIR)：50％；泡沫膨胀率(FER)：1：14。
泡沫浓度：5％；地层注入率(FIR)：60％；泡沫膨胀率(FER)：1：16。
泡沫浓度：4.5％；地层注入率(FIR)：55％；泡沫膨胀率(FER)：1：15。
刀盘前方各辐臂上的注入孔，根据地层注入率，加注通道可选择3～5路，合理选择同时注入孔数和位置，按开挖半径轨迹的远近和辐臂角度均匀选择。
通过添加高浓度泡沫改良土体，渣土流塑性明显提高，刀盘扭矩和推力下降至合理区间，掘进参数得到大幅改善，增强了施工连续性，提高了掘进效率。开挖面崩解脱空减少，地层沉降可控。渣土温度降低，刀具磨损量下降。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。