一种富水辉绿岩与板岩不规律互侵岩盾构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辉绿岩与板岩不规律互侵岩盾构用渣土改良方法。
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、基底下伏地层为富水板岩与辉绿岩交互侵入的复合岩层，在地层竖向断面和沿隧道纵向地层分布上，岩层整体性和均匀性差，辉绿岩侵入不规律，中风化辉绿岩饱和单轴抗压强度140MPa，富含石英岩脉及金属矿物，属于极硬岩，岩石强度高，掘进困难，刀具极易磨损；板岩为强、中风化，饱和单轴抗压强度小于30MPa，为较软岩。
因此开挖地层呈现软硬岩交互侵入的复合地层状态，软硬分布不均，硬岩侵入不规律，可开挖级别和开挖性状无规律，不均一，岩层破碎，不同岩性界面和不同风化程度统一岩层界面之间裂隙非常发育，同一刀盘切削断面，岩体强度不均，掌子面不平整，呈软弱互层的特殊复合地层。开挖面岩层破碎，节理明显，稳定性差，易坍塌或形成脱空区，
地层全程富水，尤其是两地层交互地带，岩石侵入极不规律，地层破碎，整体性差，为透水带，良好的裂隙通透性，使地下水补给迅速，瞬时出水量大，开挖面岩层裂隙间股状持续明流众多，岩层裂隙发育，透水性好；补给充沛，补给速度快，有承压性，为强富水地层。盾构机敞开掘进模式下，停机期间，舱内水压上升快，表现出高承压性。螺旋输送机喷涌严重，螺旋出土口石渣喷洒沉积严重，管片拼装区积水积渣量大，每环掘进时间内，人工抽排和清理工作量大，单环工作时间长，推进速度和施工效率极低。
富水板岩与辉绿岩不规律互侵复合地层的不良作用为：岩体非常破碎，掌子面不平整，刀具受力不均，刀差匹配适应性差，刀盘、刀具和螺旋叶片冲击和摩擦作用大，异常磨损严重，开仓换刀频繁，刀具消耗量大。岩层裂隙发育，相互交错分布，板岩遇水易软化崩解，使得开挖面和刀盘上方出现崩塌区、脱空区及涌水通道，地面沉降控制难度大，易坍塌，易突涌，安全风险大。岩层界面风化节理非常明显，裂隙水呈股状外流，带承压性，补给迅速，螺旋喷涌严重，易发生突涌，为强富水地层。软硬岩交互分布，且硬岩强度高，开挖掘进困难，掘进速度慢，加上喷涌严重，积水积渣量大，耗时耗工，掘进效率低。开仓查刀、换刀的频率大，严重时每环开仓；因全程富水，喷涌严重，开仓及开仓换刀难度大，开仓查刀和换刀的时间长；刀具异常磨损严重，刀盘牛扭矩高，推力高，刀盘易陷困，无法启动，出现被迫停机处理的施工风险。地层均一性差，交互性状明显，盾构开挖掘进参数和掘进姿态控制困难。
因此希望有一种富水辉绿岩与板岩不规律互侵岩盾构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辉绿岩与板岩不规律互侵岩盾构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辉绿岩与板岩不规律互侵岩盾构用渣土改良方法，通过刀盘面板加注通道和盾构刀盘前方各辐臂上的孔位，采用聚合物加注系统向渣土加注高掺量高分子聚合物，与此同时通过土仓内的加注通道和孔位，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注中浓度泡沫进行复合加注。
优选地，所述高掺量高分子聚合物采用水溶性的聚丙烯酰胺类颗粒。
优选地，所述中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，所述刀盘面板加注通道的数量是2路或3路。
优选地，所述土仓内的加注通道数量是2路。
优选地，当富水辉绿岩与板岩不规律互侵岩为强富水辉绿岩地层时，可辅助选择在螺旋机内采用聚合物加注系统向渣土加注高掺量高分子聚合物。
优选地，当富水辉绿岩与板岩不规律互侵岩中板岩含量大时，所述刀盘面板加注通道的数量是1路或2路，所述土仓内的加注通道数量是3路。
优选地，所述高掺量高分子聚合物的聚合物掺量：8～10‰，地层注入率：40～45％。
优选地，所述中浓度泡沫的泡沫浓度：3％；地层注入率(FIR)：40～50％；泡沫膨胀率(FER)：1：10～1：12。
本发明提供了一种富水辉绿岩与板岩不规律互侵岩盾构用渣土改良方法，该方法减少螺旋喷涌、地层突涌风险；提高渣土流塑性，增加渣土可排性；降低刀盘扭矩、减少困机风险；降低刀具磨损，提高掘进效率。
通过良好的渣土改良，提高渣土的止水性，降低开挖面透水性，封闭开挖面裂隙和透水通道，增加渣土粘稠度与和易性，在添加剂浆液与渣土混合搅拌后，提高对渣土的包裹携带能力，进而达到弱化渣土的离析，改善渣土水、石分离的性状，改善渣土流塑性，减少螺旋喷涌和作业区石屑喷洒，提高作业效率。降低渣土内摩擦角，润滑开挖面岩层，润滑和冷却刀盘面板和刀具，缓解冲击，以降低刀盘开挖扭矩和刀具磨损，从而降低开仓换刀频率，提高掘进效率。板岩较多地段，降低渣土摩租力和粘着力，提高渣土流动性、和易性和可排性，利于螺旋输送机排渣，减少渣土沉积固结，减少泥饼形成，利于有效降低刀盘和螺旋输送机扭矩。整体上改善盾构掘进参数，提高掘进效率。
具体实施方式
在本发明一宽泛实施例中，一种富水辉绿岩与板岩不规律互侵岩盾构用渣土改良方法，通过刀盘面板加注通道和盾构刀盘前方各辐臂上的孔位，采用聚合物加注系统向渣土加注高掺量高分子聚合物，与此同时通过土仓内的加注通道和孔位，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注中浓度泡沫进行复合加注。
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。
盾构掘进渣土改良用高分子聚合物添加剂材料分为不溶性和水溶性两大类。
不溶性聚合物主要为：高吸水性树脂类(SuperAbsorbentPolymer，简称SAP)，也称超强高分子吸水材料，高吸水性聚合物，根据原料来源主要分为淀粉类、纤维素类、合成聚合物类(聚丙烯酸类、聚乙烯醇类、聚氧乙烯类)三大类。盾构施工渣土改良时常用聚丙烯酸盐。此类高分子具有高吸水性，加压保水性、增稠性等特性，吸水后，体积可膨胀至数十至数千倍，其吸水机理主要为物理吸附(毛细管的吸附原理，有压力时水会流出)和化学吸附(通过化学键的方式把水和亲水性物质结合在一起成为一个整体。加压也不能把水放出)。
水溶性聚合物：也称水溶性高分子材料，主要分为三类：天然水溶性高分子，主要有淀粉类，海藻类等；半合成水溶性高分子，主要有改性纤维素(CMC等)、改性淀粉；合成水溶性高分子，主要有聚合类树脂(聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇、聚氧化乙烯等)，缩合类树脂(环氧树脂、聚氨酯树脂等)。盾构施工渣土改良时常用聚丙烯酰胺(PAM)。水溶性聚合物中的亲水基团不仅使其具有水溶性，而且还具有化学反应功能，以及分散、絮凝、增粘、减阻、粘合、成膜、成胶、螯合等多种物理功能。具有水溶性、分散作用、絮凝作用、增粘性、减阻作用、流变性、悬浮作用等。
当聚合物溶液加入土体中时，聚合物因吸水而膨胀，使土体变得干燥，防止喷涌的发生；可以连接土体中的微小颗粒，增强开挖面水土的粘性，降低土体渗透性；改善渣土流塑性，润滑土体并助于在螺旋输送机中形成土塞效应；减低土体与刀盘刀具的粘着力。
盾构用高分子聚合物是一种在现场配制而成均质的具有一定粘度的可流动液体，经管道输送到刀盘、土仓、螺旋输送机内，从而增加碴土的粘滞性，改善刀盘的工作环境，增加土仓的密封和便于碴土的运输。
高分子聚合物注入土体后，可产生以下作用：使盾构前方土体均匀；加大土的坍落度；降低土的透水性，起到隔水的作用；降低刀盘扭矩，减少机具磨损；减少土的粘性，防止“泥饼”现象。为解决砂性土的塑流，改变土的成分，以保证土的流动性和减少土的透水性，使开挖面保持稳定。
高分子聚合物用于盾构渣土改良的作用：
(1)良好的抑制地层粘土分散能力，有利于盾构粘土层时开挖面的稳定。
(2)高分子聚合物所形成的网架结构，在盾构开挖砂土、砂卵层时可稳定土层结构，抑制砂土、砂卵层分散流动，该体系有利于泥饼的形成，有利于巩固隧道砂土层分散流动。
(3)高分子聚合物具有抗无机盐污染能力，在高矿化度的水型中应用也具有良好的稳定性。
(4)高分子聚合物具有选择性絮凝作用，通过高聚物自身的交联特性可以将粉砂性土体的小颗粒聚结成较大颗粒，对于高含水地层可以起到堵水的效果。
(5)能够有效地缓解盾构掘进中的喷涌现象，保持渣土良好的流塑性。
所述高掺量高分子聚合物采用水溶性的聚丙烯酰胺类颗粒。
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。
所述中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。
所述刀盘面板加注通道的数量是2路或3路。
所述土仓内的加注通道数量是2路。
当富水辉绿岩与板岩不规律互侵岩为强富水辉绿岩地层时，可辅助选择在螺旋机内采用聚合物加注系统向渣土加注高掺量高分子聚合物。
当富水辉绿岩与板岩不规律互侵岩中板岩含量大时，所述刀盘面板加注通道的数量是1路或2路，所述土仓内的加注通道数量是3路。
经现场定期试验验证，确定在富水全断面极硬辉绿岩地层中，在刀盘前方加注高掺量高分子聚合物，在土仓内加注中浓度泡沫。
与掘进速度和实际地层特征相匹配的添加配比如下：
泡沫浓度：3％；地层注入率(FIR)：40～50％；泡沫膨胀率(FER)：1：10～1：12。
泡沫浓度：3％；地层注入率(FIR)：50％；泡沫膨胀率(FER)：1：12。
聚合物掺量：8‰，地层注入率：40％
聚合物掺量：10‰，地层注入率：45％。
高分子聚合物和泡沫同时复合加注，以聚合物为主，泡沫为辅。即在刀盘前方各辐臂上合理孔位注入孔加注高掺量高分子聚合物，采用聚合物加注系统，刀盘面板选择2～3路通道加注。同时在土仓内选择合理孔位加注中浓度泡沫，加注采用泡沫拌合和发生系统，选择2路通道加注。根据实际地层特征，强富水地层时，可辅助选择在螺旋机内加注1路聚合物；板岩含量大时，可调整1路聚合物通道改注泡沫。应根据实际地层特征，适时调整加注通道的具体分配，以求复合加注的最佳改良效果。
通过刀盘前方添加高掺量高分子聚合物，提高了开挖面岩层的止水性，较有效地封堵了基岩裂隙水，改善了进入土仓的渣土的稠度和和易性，降低了以硬岩石屑为主的渣土的离析、沉淀，改善了渣土流塑性、可排性和携带输送能力，能够通过皮带输送机顺利排渣，降低了螺旋喷涌和操作区石屑喷洒的现象，提高了作业效率，改善了作业环境。岩石破碎地段，利于稳定掌子面，保压防坍。同时仓内辅助加注泡沫，共同降低了渣土内摩擦力，对刀盘、刀具和螺旋叶片进行了润滑和冷却，降低了其磨损程度，减少了开仓换刀频率，提高了掘进工效。改良渣体流动性，在板岩含量增加时，利于减弱渣土粘聚性，改善流塑性，提高可排性，减少渣土沉积固结，减少泥饼形成，利于有效降低刀盘和螺旋输送机扭矩。通过复合添加改良，总体改善了渣土状态和施工参数，增强了施工连续性，提高了掘进效率。
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。