本发明属于盾构隧道施工技术领域，具体涉及一种砂卵石地层盾构专用渣土改良剂。
背景技术：
目前我国所应用的盾构类型主要为土压平衡式盾构，其适应的地质范围非常广泛。土压平衡盾构施工成功的关键在于有效的渣土改良。渣土改良就是通过盾构机上的专用装置向刀盘面、土仓或螺旋输送机内注入改良剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使改良剂与渣土混合，其主要目的就是使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下采用不同掘进模式掘进时都可达到理想的工作状况。
砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，具有粘聚力小、内摩擦角大、渗透系数大、流动性差、稳定性差等特性，目前的泡沫剂改良技术在砂卵石地层掘进时，经刀盘切削到土仓中的砂卵石塑流性差，易出现出土困难(闭塞)、喷涌、掘进参数异常且掘进困难、土压难以建立、设备磨损严重等技术问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种显著增加渣土粘聚力，降低渣土的渗透系数和内摩擦角，减少渣土对设备的磨损，提高渣土的流塑性、降低能耗的砂卵石地层盾构专用渣土改良剂。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为，一种砂卵石地层盾构专用渣土改良剂，包括以下质量含量的原料制成：增粘抗磨添加剂0.2～1.0％、阴离子表面活性剂4.0～10.0％、非离子表面活性剂A 1.0～4.0％和非离子表面活性剂B 1.0～4.0％，余量为水，质量总量为100％；该增粘抗磨添加剂为阴离子聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素的一种或多种组成的混合物。
进一步地，该增粘抗磨添加剂为0.5～0.7％、阴离子表面活性剂为6.0～8.0％、非离子表面活性剂A为2.0～3.0％和非离子表面活性剂B为1.5～3.0％。
进一步地，该阴离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和脂肪醇硫酸钠的一种或两种组成的混合物；或者为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和脂肪醇硫酸钠的一种或两种与烷基苯磺酸钠组成的混合物。
进一步地，该非离子表面活性剂A为脂肪醇聚氧乙烯醚，所述非离子表面活性剂B为烷基酚聚氧乙烯醚。
本发明还公开了上述一种砂卵石地层盾构专用渣土改良剂的制备方法，该方法包括如下：称取上述质量含量的各组分，将阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂A、非离子表面活性剂B和增粘抗磨添加剂依次加入水中，搅拌使其充分溶解混合，反应即得。
本发明一种砂卵石地层盾构专用渣土改良剂的有益效果如下：(1)能显著增加渣土的粘聚力，降低内摩擦角，减少渣土对设备的磨损。(2)提高渣土的抗渗性，提高掌子面的稳定性，防止喷涌发生。(3)提高渣土的流塑性，方便渣土的输出，防闭塞。(4)产生的泡沫渗透性强，从注入口可迅速渗透到土体，其润滑性和粘聚性可得到快速和充分的发挥。(5)减小刀盘扭矩，降低总推力，降低能耗。(6)提高盾构掘进速度。
具体实施方式
本发明一种砂卵石地层盾构专用渣土改良剂，包括以下质量含量的原料制成：增粘抗磨添加剂0.2～1.0％、阴离子表面活性剂4.0～10.0％、非离子表面活性剂A 1.0～4.0％和非离子表面活性剂B 1.0～4.0％，余量为水，质量总量为100％；该增粘抗磨添加剂为阴离子聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素的一种或多种组成的混合物。优选地，增粘抗磨添加剂为0.5～0.7％、阴离子表面活性剂为6.0～8.0％、非离子表面活性剂A为2.0～3.0％和非离子表面活性剂B为1.5～3.0％。其中，阴离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和脂肪醇硫酸钠的一种或两种组成的混合物；或者为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和脂肪醇硫酸钠的一种或两种与烷基苯磺酸钠组成的混合物。其中，该非离子表面活性剂A为脂肪醇聚氧乙烯醚，该非离子表面活性剂B为烷基酚聚氧乙烯醚。
本发明中，一种砂卵石地层盾构专用渣土改良剂的制备方法如下：称取上述质量含量的各组分，将阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂A、非离子表面活性剂B和增粘抗磨添加剂依次加入水中，搅拌使其充分溶解混合，反应即得。
各实施例如表1所示：
表1各实施例
上述各实施例制备所得的砂卵石地层盾构专用渣土改良剂，各项性能如表2所示：
表2砂卵石地层盾构专用渣土改良剂的性能
由表2可知，所制得的砂卵石地层盾构专用渣土改良剂经盾构泡沫枪可产生稳定、细腻的泡沫，泡沫发泡率范围宽，可根据需要在10～50倍范围任意调节，在相同的泡沫注入比条件下，使用本发明改良剂更省；常压下测试半衰期30min～60min，泡沫稳定性好，在渣土中稳定存在发挥作用的时间长，且无毒、绿色环保。
现场试验
将上述实施例中提供的砂卵石地层盾构专用渣土改良剂在成都全断面富水砂卵石地层地铁项目进行了应用，该砂卵石地层盾构专用渣土改良剂的使用是通过盾构泡沫系统，由水泵和泡沫泵按照一定的流量比例提供水和泡沫剂原液，两者在混合箱内混合，形成泡沫混合液，泡沫剂浓度选用1.5～3.0％；泡沫混合液在泡沫发生器中与气泵提供的空气充分接触，形成泡沫；一般按照开挖土体的体积的20％～40％设置泡沫流量，注入到盾构刀盘前方、土舱内或者螺旋输送机内。泡沫在刀盘、刀具、刀盘搅拌臂以及螺旋输送机叶片的强力搅拌作用下，微细泡沫与开挖的渣土均匀混合，填充渣土颗粒中的孔隙，提高渣土的粘聚力、和易性、止水性，降低渣土对设备的磨损和能耗。
现场应用盾构开挖直径为6.3m，在盾构掘进过程中，通过泡沫系统按照以上方法在刀盘前方注入本发明提供的改良剂，经统计，达到较好改良效果时平均每延米使用本发明提供的改良剂23L～33L，折合成渣土体积则每立方渣土使用改良剂0.6L～0.9L。对改良后从螺旋输送机输出的渣土的流动性及渗透系数进行了测试，并通过手抓渣土对渣土的粘聚性和渣土中泡沫分布进行观测。渣土坍落度为10.0cm～20.0cm，渗透系数为1.0×10-5～1.0×10-6cm/s渣土呈塑性流动状态，渣土颗粒间的粘聚性良好，不松散，不泌水，渣土中可见大量的微细泡沫均匀分布；通过对盾构掘进参数的观测发现，使用本发明提供的改良剂，盾构掘进处于较佳状态：刀盘扭矩低，总推力小，掘进速度快，盾构出渣连续均匀，未出现喷涌现象，施工效率高。尤其以实施例1、实施例4、实施例6和实施例10制备的砂卵石地层盾构专用渣土改良剂最好。
上述各实施例提供的砂卵石地层盾构专用渣土改良剂推荐使用浓度为1.5～3.0％，发泡率为15～30倍，泡沫注入比20～60％，具体参数需根据具体土层条件而定。
对比试验
选用了目前普遍使用的某知名国产产品和进口产品，在同一台盾构同一地层中使用，试验对比统计结果如表3所示：
表3该与同类产品的对比
由表3可知，本发明中的砂卵石地层盾构专用渣土改良剂在盾构施工中使用效果良好，能显著降低刀盘扭矩和总推力，减少泡沫消耗量，大大降低施工成本，完全满足盾构在全断面砂卵石或砂卵石含量较高地层的渣土改良要求。
该砂卵石地层盾构专用渣土改良剂针对砂卵石地层的物理化学特性，添加的增粘抗磨组分能够提高泡沫稳定性，其长链结构能够联结砂卵石颗粒，使它们团聚起来，增粘抗磨组分能够像细小的丝网一样串联砂卵石颗粒和泡沫，使之成为整体，能够有效的阻隔水的渗透，增加砂卵石土的粘聚性、润滑性。该专用渣土改良剂专用于土压平衡盾构在国内典型砂卵石地层的施工，可以单独添加而不使用聚合物和膨润土改良材料。