可液化砂土中防止盾构机下沉的硅溶胶加固装置及其方法与流程

本发明属于岩土工程研究领域，尤其涉及一种可液化砂土中防止盾构机下沉的硅溶胶加固装置及其方法。

背景技术：

城市规模不断扩大，盾构隧道的建设已成为大中城市发展必不可少的一部分，但我国不少大中城市都广泛分布着可液化土。当盾构机在可液化地基中推进时，由于盾构机对土体的振动，导致土体液化失去剪切强度，这时盾构机在液化土层中下沉。目前对于可液化地基中防止盾构机下沉的方法主要是在施工中改变施工参数，例如盾构机推进的初始标高要高于设计标高，盾构过程中土体液化让盾构机下沉至设计标高，这种方法难度大，且依赖盾构前期试验段参数和工程经验。因此可以考虑通过加固可液化地基防止盾构机沉降，工程上常规加固可液化土体的方法包括打碎石桩、换填土体、振动挤密土体等，但是这些方法成本高且对周围环境影响大，而盾构隧道周围往往为人口密集的城区，因此这些常规方法并不适用。人们也开发出基于渗流让加固溶液固化可液化土体的方法，例如在可液化土体中通入微生物溶液产生碳酸钙沉淀加固土体，以及在可液化土体中通入硅溶胶溶液，硅溶胶溶液中悬浮着纳米颗粒，这些纳米颗粒在溶液碱性降低的过程中先逐渐凝聚成链状结构进而形成三维网状结构的凝胶，从而加固可液化土体。硅溶胶溶液初始的粘性接近于水，这样有利于硅溶胶溶液在水中的渗流，通过调整硅溶胶溶液的PH值，可以让硅溶胶在数秒或数月的时间段内保持低粘度然后粘度突然急剧上升形成凝胶。但上述渗流加固的方法并没有应用于防止盾构机振动液化下沉的问题，而直接让加固溶液渗流固化拟建盾构隧道附近的可液化土体，存在加固区域过大、渗流造成附近地面沉降引起房屋变形开裂等问题，因此如何控制固化土体区域降低成本、减少渗流对附近地表沉降的影响，是固化土体进而防止盾构机振动液化下沉需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决上述现有技术中没有通过硅溶胶溶液渗流固化土体从而防止盾构机振动液化下沉的方法，同时考虑控制固化土体区域降低成本、减少渗流对附近地表沉降影响，提出了一种可液化砂土中防止盾构机下沉的硅溶胶加固装置及其方法。

本发明的技术方案：一种可液化砂土中防止盾构机下沉的硅溶胶加固装置，包括弯曲顶管系统、硅溶胶压注系统、抽水系统和隔水板；

所述弯曲顶管系统包括若干侧边开孔的弯曲管，所述弯曲管分两排平行地插在拟建盾构隧道区域两侧的地基中，其中拟建盾构隧道区域一侧的弯曲管为硅溶胶溶液注入弯曲管，拟建盾构隧道区域另外一侧的弯曲管为抽水弯曲管；

所述硅溶胶压注系统包含依次相连的硅溶胶溶液注入总管、第一水泵和硅溶胶贮存容器；

所述抽水系统包含依次相连的抽水总管、第二水泵和贮液池；

所述隔水板分两排平行地插在拟建盾构隧道区域两侧的地基中，所述弯曲顶管系统和拟建盾构隧道区域位于两排隔水板中间，同一排的隔水板前后相连；

所述硅溶胶溶液注入弯曲管与硅溶胶溶液注入总管连接，所述抽水弯曲管与抽水总管连接。

本发明利用硅溶胶溶液粘度突然增大前在砂土中渗透速度快的特点快速填充砂土中的孔隙，同时通过弯曲管减少固化土体区域从而降低成本，通过隔水板阻隔渗流从而降低渗流对附近地表沉降的影响，从而不仅可以防止盾构机液化下沉，而且具有渗透速度快、成本低、对周围环境扰动小的优点。

优选地，每个弯曲管顶部设有导向外管，所述导向外管套在弯曲管外侧。

导向外管的设置，方便弯曲管顶入拟建盾构隧道区域两侧。

优选地，每个弯曲管上每距离1600mm设有一个直径为40mm的圆孔，圆孔指向拟建盾构隧道区域。

优选地，硅溶胶溶液注入弯曲管上的圆孔为硅溶胶溶液注入弯曲管的注入孔，抽水弯曲管上的圆孔为抽水弯曲管的抽水孔。

优选地，所述导向外管的外管径为120mm，内管径为102mm，长度为500mm；所述弯曲管的外管径为100mm，内管径为92mm。

优选地，以拟建盾构隧道区域的中轴线为对称轴，对称布置两排弯曲管，且弯曲管插入地基中的深度比盾构拟建盾构隧道区域深度深3m。

优选地，所述弯曲管与拟建盾构隧道区域外边缘的最近距离小于等于1.6m，同一排弯曲管的间距小于等于1.6m。

一种可液化砂土中防止盾构机下沉的硅溶胶加固方法，包括下述步骤：

步骤1：将隔水板分两排插入拟建盾构隧道区域两侧，然后通过导向外管将硅溶胶溶液注入弯曲管、抽水弯曲管分两排顶入拟建盾构隧道区域两侧，然后把每一个硅溶胶溶液注入弯曲管和抽水弯曲管分别与硅溶胶溶液注入总管和抽水总管连接，最后在硅溶胶溶液注入总管上依次连接第一水泵和硅溶胶贮存容器，在抽水总管上依次连接第二水泵和贮液池；

步骤2：配置硅溶胶溶液，通过加入盐酸降低硅溶胶溶液的碱性，从而调整硅溶胶生成凝胶的时间为指定时间；

步骤3：同时开启硅溶胶溶液注入系统和抽水系统；

步骤4：按制定的时间表隔期对处理的地基进行波速检测和静力触探检测；

步骤5：如果波速检测和静力触探检测没有达到预期效果时重复步骤2~步骤4；当波速检测和静力触探检测达到预期效果时，加固完成。

优选地，所述步骤3中控制抽水速率和硅溶胶溶液的注入速率，使抽水弯曲管的抽水量与硅溶胶溶液注入弯曲管的注入量相等。

本发明的有益效果是加固后可以防止盾构过程中土体振动液化导致盾构机下沉，利用硅溶胶溶液粘度突然增大前在砂土中渗透速度快的特点快速填充砂土中的孔隙，同时通过弯曲管减少固化土体区域从而降低成本，通过隔水板阻隔渗流从而降低渗流对附近地表沉降的影响，因此本发明具有渗透速度快、成本低、对周围环境扰动小的优点。

附图说明

图1为本发明的整体布置俯视图；

图2为本发明的整体布置侧视图；

图3为本发明的硅溶胶溶液注入弯曲管结构侧视图；

图中1.硅溶胶溶液注入弯曲管、2.抽水弯曲管、3.拟建盾构隧道区域区域、4.硅溶胶溶液注入总管、5. 抽水总管、6.隔水板、7.第一水泵、8.导向外管、9.硅溶胶溶液注入弯曲管的注入孔、10.抽水弯曲管的抽水孔、11.第二水泵、12. 硅溶胶贮存容器、13. 贮液池。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1-3所示，一种可液化砂土中防止盾构机下沉的硅溶胶加固装置，包括弯曲顶管系统、硅溶胶压注系统、抽水系统和隔水板。弯曲顶管系统包括侧边开孔的弯曲管和导向外管8，导向外管8套在弯曲管外侧。弯曲管分两排平行地插在拟建盾构隧道区域3两侧的地基中，其中拟建盾构隧道区域3一侧的弯曲管为硅溶胶溶液注入弯曲管1，拟建盾构隧道区域3另外一侧的弯曲管为抽水弯曲管2。硅溶胶压注系统包含依次相连的硅溶胶溶液注入总管4、第一水泵7和硅溶胶贮存容器12。抽水系统包含依次相连的抽水总管5、第二水泵11和贮液池13。隔水板6分两排平行地插在拟建盾构隧道区域3两侧的地基中，两排隔水板6中间包含了弯曲顶管系统和拟建盾构隧道区域3，同一排的隔水板6前后相连。硅溶胶溶液注入弯曲管1与硅溶胶溶液注入总管4连接，抽水弯曲管2与抽水总管5连接。

每个弯曲管上每距离1600mm设有一个直径为40mm的圆孔，圆孔指向拟建盾构隧道区域3。

硅溶胶溶液注入弯曲管1上的圆孔为硅溶胶溶液注入弯曲管的注入孔9，抽水弯曲管2上的圆孔为抽水弯曲管的抽水孔10。

导向外管8的外管径为120mm，内管径为102mm，长度为500mm；弯曲管的外管径为100mm，内管径为92mm。

以拟建盾构隧道区域3的中轴线为对称轴，对称布置两排弯曲管，且弯曲管插入地基中的深度比拟建盾构隧道区域3的深度深3m。

弯曲管与拟建盾构隧道区域3外边缘的最近距离小于等于1.6m，同一排弯曲管的间距小于等于1.6m。

本发明可液化砂土中防止盾构机下沉的硅溶胶加固装置的工作过程如下：

步骤1：将隔水板6分两排插入拟建盾构隧道3两侧，然后通过导向外管8将硅溶胶溶液注入弯曲管1、抽水弯曲管2分两排顶入拟建盾构隧道两侧，然后把每一个硅溶胶溶液注入弯曲管1和抽水弯曲管2分别与硅溶胶溶液注入总管4和抽水总管5连接，最后在硅溶胶溶液注入总管4上依次连接第一水泵7和硅溶胶贮存容器12，在抽水总管5上依次连接第二水泵11和贮液池13。

步骤2：配置硅溶胶溶液，通过加入盐酸降低硅溶胶溶液的碱性，从而调整硅溶胶生成凝胶的时间为指定时间；

步骤3：同时开启硅溶胶溶液注入系统和抽水系统，控制抽水速率和硅溶胶溶液的注入速率，使抽水弯曲管2的抽水量与硅溶胶溶液注入弯曲管1的注入量相等，从而减少加固区域地基发生沉降对周围环境产生影响。

步骤4：按制定的时间表隔期对处理的地基进行波速检测和静力触探检测。

步骤5：如果波速检测和静力触探检测没有达到预期效果时重复步骤2~步骤4；当波速检测和静力触探检测达到预期效果时，加固完成。