一種富水砂層盾構(gòu)渣土改良施工系統(tǒng)和施工工法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種建筑施工領(lǐng)域的施工方法，尤其涉及一種富水砂層盾構(gòu)渣土改良 施工系統(tǒng)和施工工法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前盾構(gòu)機主要為土壓平衡式盾構(gòu)，其特點是用開挖出的土體作為支撐開挖面穩(wěn) 定的介質(zhì)，但要求作為支撐介質(zhì)的土體具有良好的塑性變形、軟稠度、內(nèi)摩擦角小及滲透率 小。由于一般土體不能完全滿足這些特性，所以要進行改良。如果采用單獨添加膨潤土或泡 沫的工法，土體改良效果差，掘進速度緩慢，工期長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種富水砂層盾構(gòu)渣土改良施工系統(tǒng)和施工 工法，克服了現(xiàn)有技術(shù)土體的觸變性能的缺點，具有最優(yōu)的土體塑流化改造效果，確保了盾 構(gòu)安全順暢掘進施工，縮短了工期。
[0004] 本發(fā)明所述工法適用范圍尤其適用于土壓平衡盾構(gòu)機在富含地下水砂層中掘進 時對砂性土體進行改良，以改善土體的物理性質(zhì)，保證盾構(gòu)施工順利進行。
[0005] 本發(fā)明所述技術(shù)方案基于以下工藝原理：
[0006] 土壓平衡盾構(gòu)施工中，在土倉內(nèi)形成良好塑流性的土體，是盾構(gòu)順利施工的重要 前提。砂性地層塑流性差、具有力學不穩(wěn)定性，為了使開挖土體具有良好的流動性，必須有 30%左右的微細顆粒，砂土地層中微細顆粒很難達到這個含量。因此，在盾構(gòu)機掘進時向開 挖面添加膨潤土泥漿，與開挖面切削下來的土體經(jīng)過充分攪拌，有效增加了砂地中的細顆 粒含量，改善砂土地層的物理性質(zhì)，形成具有較好塑流性和低透水性的混合土體，經(jīng)土倉內(nèi) 塑流狀態(tài)良好的土體向掌子面?zhèn)鬟f設(shè)定的平衡壓力，實現(xiàn)盾構(gòu)機始終在保持動態(tài)平衡的條 件下連續(xù)向前推進。同時，利用泡沫優(yōu)良的潤滑性能，可以有效降低刀盤扭矩，提高掘進速 度。另外，泡沫具有可壓縮性，對土壓的穩(wěn)定也具有積極的作用。
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0008] -種富水砂層盾構(gòu)渣土改良施工系統(tǒng)，包括膨潤土系統(tǒng)，泡沫注入系統(tǒng)、盾構(gòu)機渣 土改良系統(tǒng);所述膨潤土系統(tǒng)包括盾構(gòu)機膨潤土拌合系統(tǒng)和盾構(gòu)機膨潤土注入系統(tǒng)。
[0009] 所述盾構(gòu)機膨潤土拌合系統(tǒng)通過管道栗連接盾構(gòu)機的膨潤土存儲罐；
[0010] 所述盾構(gòu)機膨潤土注入系統(tǒng)包括電機帶動的膨潤土攪拌罐、并通過由泥漿栗控制 的出漿管與膨潤土發(fā)酵罐連接，所述膨潤土存儲罐與彭潤土發(fā)酵罐之間連接有由渣漿栗控 制的送漿管；
[0011]所述盾構(gòu)機膨潤土拌合系統(tǒng)置于地面，主要用于膨潤土漿液的拌合與發(fā)酵存儲， 拌合發(fā)酵完成后通過管道栗送到盾構(gòu)機的膨潤土存儲罐；
[0012]所述盾構(gòu)機膨潤土注入系統(tǒng)，包括存儲罐、注入栗、變頻器及管道;所述存儲罐內(nèi) 可設(shè)攪拌軸;所述注入栗用于膨潤土泥漿注入;所述變頻器用于根據(jù)渣土改良效果和掘進 速度及時調(diào)整注入栗轉(zhuǎn)速從而改變膨潤土注入量。
[0013] 所述泡沫注入系統(tǒng)包括泡沫發(fā)生器、空壓機、儲料罐和各種管道栗組成，主要用于 將泡沫劑與水混合后，用壓縮空氣將混合液體膨脹產(chǎn)生泡沫，通過刀盤和土倉內(nèi)的泡沫注 入口注入所述刀盤前方的掌子面和土倉內(nèi)。
[0014] 所述盾構(gòu)機渣土改良系統(tǒng)的盾構(gòu)機為公知的一種，如日立土壓平衡盾構(gòu)機，所述 系統(tǒng)通過采用膨潤土漿液和泡沫劑配合使用作為渣土改良劑，或，特殊情況下遇水囊、噴涌 等情況時采用高分子聚合物替代膨潤土作為渣土改良劑。
[0015] 所述盾構(gòu)機渣土改良系統(tǒng)還包括渣土改良劑注射管道分布，所述渣土改良劑由栗 送設(shè)備通過中心回轉(zhuǎn)軸連接刀盤注入到刀盤前方，所述刀盤輻條上均勻分布注射孔，包括 膨潤土注射管道的注射孔、泡沫劑注射管道注射孔。另外，在所述土倉內(nèi)還設(shè)有膨潤土漿料 或泡沫注入口，在系統(tǒng)的螺旋輸送機上設(shè)有泡沫注入口。
[0016] 通過所述渣土改良系統(tǒng)，創(chuàng)新點還表現(xiàn)在所述改良劑與渣土能拌和均勻。尤其是， 改良劑從刀盤前方面板上注射尤為重要。掘進過程中刀盤低速切削掌子面，與此同時改良 劑同步注射到掌子面上，這樣切削下來的渣土與改良劑混合的面積達到極值的概率最大。 擠壓到土倉里的渣土再通過刀盤的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)帶動攪拌土倉內(nèi)渣土，使改良劑與渣土進一步 混合。
[0017] 本發(fā)明上述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部件可以從市場獲得，但其部件之間的組合工藝順序是本 發(fā)明所特有的。
[0018] 事實上，富水砂層中渣土改良工藝復雜，要膨潤土漿液與泡沫劑合理搭配使用，如 何利用好刀盤前側(cè)的注射管道也非常重要。所述注射口到刀盤中心的距離都不相同，就是 說在刀盤旋轉(zhuǎn)時管道的注射軌跡不會重合，這樣既能保證改良劑注射均勻，又能將膨潤土 漿液與泡沫劑之間的相互影響降到最低。另外，根據(jù)地層變化，膨潤土注射管道可以隨時改 為高分子聚合物注射管道，防止噴涌情況的發(fā)生。
[0019] 基于上述渣土改良施工系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了所述施工系統(tǒng)的施工工法，包括以 下步驟：
[0020] (一)制作膨潤土漿液，膨潤土進行膨化，栗送運輸膨化的膨潤土；
[0021](二)運輸泡沫劑；
[0022](三)將步驟(一）、步驟(二)膨潤土和泡沫劑分別注入盾構(gòu)機，于所述土倉（17)內(nèi) 進行土體攪拌，進行土體改良。
[0023]根據(jù)富水砂層掘進中渣土改良所面臨的技術(shù)問題，本發(fā)明使用的渣土改良劑包括 膨潤土和泡沫劑;所述膨潤土為鈉基膨潤土，制成膨潤土漿液;所述膨潤土可以采用高分子 聚合物來代替，所述高分子聚合物為已知的一種盾構(gòu)用聚合物，如北京合東雙科技有限公 司生產(chǎn)的合東雙盾構(gòu)用聚合物;尤其是渣土局部有遇水囊、噴涌等情況時采用高分子聚合 物替代膨潤土作為渣土改良劑，渣土改良效果較好。
[0024] 所述膨潤土PH值7.5~10.0,粘度為2~10Pa · s;尤其適用于砂~砂(卵)爍石地層 制漿和輸送設(shè)備需較大的空間；
[0025] 所述泡沫劑PH值7.3~8.0,粘度:0.003~0.2Pa · s;粘土~砂(卵)爍石地層，特征 是輸送和使用便捷，消泡后渣土能恢復原來狀態(tài)；
[0026] 所述高分子聚合物PH值7.5~10.0,粘度:0.7~2.OPa · s;尤其適用于固結(jié)粘土~ 砂礫地層，特征是在粘性軟土層有時會因粘土變硬而出現(xiàn)堵塞。
[0027] 膨潤土漿液的水土比會直接影響到渣土改良的效果，同時還要考慮盾構(gòu)施工中渣 土改良的成本和膨潤土漿液的栗送性能。經(jīng)過大量試驗和施工生產(chǎn)中的試驗，膨潤土與水， 采用水土重量比為14:1的膨潤土，與渣土樣以體積比1:3的比率拌合，改良效果較好。本發(fā) 明泡沫注入系統(tǒng)中泡沫劑的應用：
[0028] 所述盾構(gòu)機配備有所述泡沫注入系統(tǒng)，所述泡沫發(fā)生器自動運行，獨立管路分別 把泡沫注入不同位置，如，以注入所述刀盤前部和土倉內(nèi)為主;所述管路上可設(shè)置一段是透 明，可供觀察。
[0029]在所述泡沫發(fā)生器工作的過程中，可以設(shè)定泡沫劑與水混合的比例，在正常掘進 狀態(tài)下，在許可的范圍內(nèi)均可，尤其泡沫劑與水混合的體積比取值優(yōu)選為3:100;當在扭矩 長時間過大，而單靠調(diào)整流量又難以降低扭矩或遇水囊、噴涌、流砂地層的情況下，上述泡 沫劑與水混合的體積比例取值優(yōu)選為6:100。
[0030] 所述泡沫注入系統(tǒng)有三種控制方式:分別為自動、半自動及手動。在正常掘進狀態(tài) 下，若使用自動狀態(tài)，泡沫的用量比較大;如在掘進過程中，要求盾構(gòu)駕駛員采取手動控制 方式，主要根據(jù)刀盤的扭矩、千斤頂?shù)捻斄σ约俺鐾恋那闆r三項參數(shù)來調(diào)整泡沫注入系統(tǒng) 的流量。當觀察到出土的含水量過高時，應馬上適當調(diào)整泡沫的注入量，如，在砂土地層中 的泡沫用量為40~50kg/環(huán)（1.2m)，在含有粉質(zhì)粘土薄夾層地段泡沫用量15~25kg/環(huán) (1.2m)〇
[0031] 當在遇水囊、噴涌、流砂地層時，使用高分子聚合物代替膨潤土，通過手動控制調(diào) 整泡沫濃度至6 :100，同時通過膨潤土注入系統(tǒng)往土倉內(nèi)注入聚合物對高含水量的渣土進 行改良。加大泡沫混合液濃度是為了提高發(fā)泡倍率，發(fā)泡倍率越高半衰期越長，穩(wěn)定性越 好，樣能更好地填充砂土間的孔隙，起到止水的作用。
[0032]所述高分子聚合物改良劑配合比，高分子聚合物(kg)l~3、水(L)1000 、渣土 (m3)7 的比例;所述聚合物先與水拌合，拌合均勻后通過膨潤土注入系統(tǒng)注入土倉。通過聚合物混 合液的的注入使流態(tài)的渣土到達理想狀態(tài)，渣土坍落度可達160~200mm，不離析，不泌水， 解決了螺旋機噴涌的問題。
[0033]當所述膨潤土漿液同泡沫劑配合使用時，膨潤土漿液與泡沫劑的比例根據(jù)實際情 況不同，如，根據(jù)平均土