一种富水砂层盾构渣土改良施工系统和施工工法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种建筑施工领域的施工方法，尤其涉及一种富水砂层盾构渣土改良 施工系统和施工工法。
【背景技术】
[0002] 目前盾构机主要为土压平衡式盾构，其特点是用开挖出的土体作为支撑开挖面稳 定的介质，但要求作为支撑介质的土体具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率 小。由于一般土体不能完全满足这些特性，所以要进行改良。如果采用单独添加膨润土或泡 沫的工法，土体改良效果差，掘进速度缓慢，工期长。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种富水砂层盾构渣土改良施工系统和施工 工法，克服了现有技术土体的触变性能的缺点，具有最优的土体塑流化改造效果，确保了盾 构安全顺畅掘进施工，缩短了工期。
[0004] 本发明所述工法适用范围尤其适用于土压平衡盾构机在富含地下水砂层中掘进 时对砂性土体进行改良，以改善土体的物理性质，保证盾构施工顺利进行。
[0005] 本发明所述技术方案基于以下工艺原理：
[0006] 土压平衡盾构施工中，在土仓内形成良好塑流性的土体，是盾构顺利施工的重要 前提。砂性地层塑流性差、具有力学不稳定性，为了使开挖土体具有良好的流动性，必须有 30%左右的微细颗粒，砂土地层中微细颗粒很难达到这个含量。因此，在盾构机掘进时向开 挖面添加膨润土泥浆，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，有效增加了砂地中的细颗 粒含量，改善砂土地层的物理性质，形成具有较好塑流性和低透水性的混合土体，经土仓内 塑流状态良好的土体向掌子面传递设定的平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条 件下连续向前推进。同时，利用泡沫优良的润滑性能，可以有效降低刀盘扭矩，提高掘进速 度。另外，泡沫具有可压缩性，对土压的稳定也具有积极的作用。
[0007] 本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：
[0008] -种富水砂层盾构渣土改良施工系统，包括膨润土系统，泡沫注入系统、盾构机渣 土改良系统;所述膨润土系统包括盾构机膨润土拌合系统和盾构机膨润土注入系统。
[0009] 所述盾构机膨润土拌合系统通过管道栗连接盾构机的膨润土存储罐；
[0010] 所述盾构机膨润土注入系统包括电机带动的膨润土搅拌罐、并通过由泥浆栗控制 的出浆管与膨润土发酵罐连接，所述膨润土存储罐与彭润土发酵罐之间连接有由渣浆栗控 制的送浆管；
[0011]所述盾构机膨润土拌合系统置于地面，主要用于膨润土浆液的拌合与发酵存储， 拌合发酵完成后通过管道栗送到盾构机的膨润土存储罐；
[0012]所述盾构机膨润土注入系统，包括存储罐、注入栗、变频器及管道;所述存储罐内 可设搅拌轴;所述注入栗用于膨润土泥浆注入;所述变频器用于根据渣土改良效果和掘进 速度及时调整注入栗转速从而改变膨润土注入量。
[0013] 所述泡沫注入系统包括泡沫发生器、空压机、储料罐和各种管道栗组成，主要用于 将泡沫剂与水混合后，用压缩空气将混合液体膨胀产生泡沫，通过刀盘和土仓内的泡沫注 入口注入所述刀盘前方的掌子面和土仓内。
[0014] 所述盾构机渣土改良系统的盾构机为公知的一种，如日立土压平衡盾构机，所述 系统通过采用膨润土浆液和泡沫剂配合使用作为渣土改良剂，或，特殊情况下遇水囊、喷涌 等情况时采用高分子聚合物替代膨润土作为渣土改良剂。
[0015] 所述盾构机渣土改良系统还包括渣土改良剂注射管道分布，所述渣土改良剂由栗 送设备通过中心回转轴连接刀盘注入到刀盘前方，所述刀盘辐条上均匀分布注射孔，包括 膨润土注射管道的注射孔、泡沫剂注射管道注射孔。另外，在所述土仓内还设有膨润土浆料 或泡沫注入口，在系统的螺旋输送机上设有泡沫注入口。
[0016] 通过所述渣土改良系统，创新点还表现在所述改良剂与渣土能拌和均匀。尤其是， 改良剂从刀盘前方面板上注射尤为重要。掘进过程中刀盘低速切削掌子面，与此同时改良 剂同步注射到掌子面上，这样切削下来的渣土与改良剂混合的面积达到极值的概率最大。 挤压到土仓里的渣土再通过刀盘的继续旋转带动搅拌土仓内渣土，使改良剂与渣土进一步 混合。
[0017] 本发明上述系统的结构部件可以从市场获得，但其部件之间的组合工艺顺序是本 发明所特有的。
[0018] 事实上，富水砂层中渣土改良工艺复杂，要膨润土浆液与泡沫剂合理搭配使用，如 何利用好刀盘前侧的注射管道也非常重要。所述注射口到刀盘中心的距离都不相同，就是 说在刀盘旋转时管道的注射轨迹不会重合，这样既能保证改良剂注射均匀，又能将膨润土 浆液与泡沫剂之间的相互影响降到最低。另外，根据地层变化，膨润土注射管道可以随时改 为高分子聚合物注射管道，防止喷涌情况的发生。
[0019] 基于上述渣土改良施工系统，本发明还提供了所述施工系统的施工工法，包括以 下步骤：
[0020] (一)制作膨润土浆液，膨润土进行膨化，栗送运输膨化的膨润土；
[0021](二)运输泡沫剂；
[0022](三)将步骤(一）、步骤(二)膨润土和泡沫剂分别注入盾构机，于所述土仓（17)内 进行土体搅拌，进行土体改良。
[0023]根据富水砂层掘进中渣土改良所面临的技术问题，本发明使用的渣土改良剂包括 膨润土和泡沫剂;所述膨润土为钠基膨润土，制成膨润土浆液;所述膨润土可以采用高分子 聚合物来代替，所述高分子聚合物为已知的一种盾构用聚合物，如北京合东双科技有限公 司生产的合东双盾构用聚合物;尤其是渣土局部有遇水囊、喷涌等情况时采用高分子聚合 物替代膨润土作为渣土改良剂，渣土改良效果较好。
[0024] 所述膨润土PH值7.5~10.0,粘度为2~10Pa · s;尤其适用于砂~砂(卵)烁石地层 制浆和输送设备需较大的空间；
[0025] 所述泡沫剂PH值7.3~8.0,粘度:0.003~0.2Pa · s;粘土~砂(卵)烁石地层，特征 是输送和使用便捷，消泡后渣土能恢复原来状态；
[0026] 所述高分子聚合物PH值7.5~10.0,粘度:0.7~2.OPa · s;尤其适用于固结粘土~ 砂砾地层，特征是在粘性软土层有时会因粘土变硬而出现堵塞。
[0027] 膨润土浆液的水土比会直接影响到渣土改良的效果，同时还要考虑盾构施工中渣 土改良的成本和膨润土浆液的栗送性能。经过大量试验和施工生产中的试验，膨润土与水， 采用水土重量比为14:1的膨润土，与渣土样以体积比1:3的比率拌合，改良效果较好。本发 明泡沫注入系统中泡沫剂的应用：
[0028] 所述盾构机配备有所述泡沫注入系统，所述泡沫发生器自动运行，独立管路分别 把泡沫注入不同位置，如，以注入所述刀盘前部和土仓内为主;所述管路上可设置一段是透 明，可供观察。
[0029]在所述泡沫发生器工作的过程中，可以设定泡沫剂与水混合的比例，在正常掘进 状态下，在许可的范围内均可，尤其泡沫剂与水混合的体积比取值优选为3:100;当在扭矩 长时间过大，而单靠调整流量又难以降低扭矩或遇水囊、喷涌、流砂地层的情况下，上述泡 沫剂与水混合的体积比例取值优选为6:100。
[0030] 所述泡沫注入系统有三种控制方式:分别为自动、半自动及手动。在正常掘进状态 下，若使用自动状态，泡沫的用量比较大;如在掘进过程中，要求盾构驾驶员采取手动控制 方式，主要根据刀盘的扭矩、千斤顶的顶力以及出土的情况三项参数来调整泡沫注入系统 的流量。当观察到出土的含水量过高时，应马上适当调整泡沫的注入量，如，在砂土地层中 的泡沫用量为40~50kg/环（1.2m)，在含有粉质粘土薄夹层地段泡沫用量15~25kg/环 (1.2m)〇
[0031] 当在遇水囊、喷涌、流砂地层时，使用高分子聚合物代替膨润土，通过手动控制调 整泡沫浓度至6 :100，同时通过膨润土注入系统往土仓内注入聚合物对高含水量的渣土进 行改良。加大泡沫混合液浓度是为了提高发泡倍率，发泡倍率越高半衰期越长，稳定性越 好，样能更好地填充砂土间的孔隙，起到止水的作用。
[0032]所述高分子聚合物改良剂配合比，高分子聚合物(kg)l~3、水(L)1000 、渣土 (m3)7 的比例;所述聚合物先与水拌合，拌合均匀后通过膨润土注入系统注入土仓。通过聚合物混 合液的的注入使流态的渣土到达理想状态，渣土坍落度可达160~200mm，不离析，不泌水， 解决了螺旋机喷涌的问题。
[0033]当所述膨润土浆液同泡沫剂配合使用时，膨润土浆液与泡沫剂的比例根据实际情 况不同，如，根据平均土