一种盾构急转弯用惰性填充材料及其制备方法与流程

本发明涉及盾构施工材料领域，具体涉及一种盾构急转弯用惰性填充材料及其制备方法。

背景技术：

盾构法作为一种快速、安全的施工方法广泛应用于城市地铁隧道建设中，由于地下建筑物、构筑物、管线等错综复杂，盾构在掘进过程中有时必须避开此类设施则需要进行急曲线施工，施工难度和风险极大。盾构机在急曲线施工时由于转弯半径较小，每次转弯角度较大，导致盾构超挖严重，盾壳与土体之间的间隙更宽，需要加入一种惰性填充材料及时填充超挖间隙，稳定转弯方向，便于调整盾构姿态，保证盾构机能够连续转弯。若盾构急转弯过程中盾壳与土体之间的间隙未能填充，则会出现以下问题：①超挖造成盾壳与地层之间间隙过大影响开挖面稳定性，开挖面泥浆向后涌入导致开挖面极易发生失稳坍塌；②盾壳周围土体向内收敛发生大变形，盾构机急转弯容易卡死；③盾构机转弯角度难以控制，容易出现一次转角过大，导致后续管片拼装困难；④盾构机转弯过程中盾体与地层之间摩擦阻力较大，需要较大的转向推力，导致盾壳磨损严重。⑤过度超挖造成的间隙若不及时填充，盾构上方土体产生松动进而导致较大地表沉降。

在已有的盾构转弯技术中，一般通过小角度、多次转弯、低速掘进的方式进行转弯施工，改方法适用于盾构大半径转弯，不能完全用于盾构急转弯施工，盾构超挖间隙填充是盾构急转弯施工必须解决的工程问题。

专利cn103244132a公开了一种在砂性土中盾构机穿越房屋的施工方法，在所述盾构机掘进的过程中不断通过一个注浆系统往通道壁同步注入同步浆液(同步浆液包括石灰粉、煤灰砂、膨润土、水和减水剂)，并在所述盾构机将部分管片施工铺设后对已施工完成的部分管片外侧的通道壁进行第二次补浆。其通过在掘进时往已经掘出的通道壁上注入特制的同步浆液，浆液凝固后，可以有效控制了推进过程中和施工后期的沉降，另外，通过施工时的二次补浆，进一步地防止了施工后的沉降问题，为掘进而成的隧道提供了良好的保护。解决了在砂性土中如何有效控制沉降现象的技术问题。但其同步注浆是在盾尾部分，填充于管片与地层之间的盾尾间隙。同步注浆浆液需要5-12h就凝固，强度较高，属于填充砂浆。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种盾构急转弯用惰性填充材料及其制备方法与应用。该盾构急转弯用惰性填充材料为双液注入型材料，不会随着时间而硬化凝固，避免材料硬化后抱死盾构机。该盾构急转弯用惰性填充材料具有一定的黏性、抗沉陷性、抗稀释性，使材料不会快速地从注入孔流失到前盾和盾尾，能够填充盾构超挖间隙，为盾构转弯提供支撑，能避免地下水冲刷稀释，隔离盾壳与地下水的直接接触，提高盾壳的抗腐蚀性。该盾构急转弯用惰性填充材料绿色环保无污染，在负温下仍可工作，为盾构持续急转弯提供保障。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种盾构急转弯用惰性填充材料，所述填充材料为双液注入型材料，a液由以下重量百分数的原料组成：膨润土20-30％，无机粉10-15％，保水剂：0.2-0.5％，防冻剂0.5-1.0％，余量为水；b液为强塑剂；

a液与b液体积比为1:0.5-0.8。

现有的盾构机在掘进过程中，盾壳与地层之间的盾体间隙较小，一般不进行处理。但盾构转弯时面临更大的超挖，需要填充该材料防止土块，石块塌落，且能够填充该间隙，具有填充作用和抗沉陷作用。为此，本申请将膨润土与强塑剂反应产生具有一定黏性的塑化物，该材料不像同步注浆浆液那样会随着时间而凝固，而是能够填充盾壳与地层之间的间隙且不会凝固的软材料。同时，辅以其他添加剂，使本申请的惰性填充材料填充性和抗沉陷性更适用于盾构急转弯，并能够满足盾构机急转弯的精度要求。

在一些实施例中，a液由以下组分组成：膨润土25-30％，无机粉12-15％，保水剂：0.2-0.5％，防冻剂0.5-0.8％，余量为水；b液为强塑剂。

a液与b液体积比为1:0.5-0.6。

本申请的惰性填充材料是填充于盾尾前方盾构机盾壳与地层之间的间隙的，此间隙小于盾尾间隙，一般不进行充填，但是急转弯为了保证精度，现在进行充填。但与一般的盾尾填充高强度速凝砂浆不同；本申请采用的惰性填充材料不会凝固，是一种软材料，强度很低，但有填充作用和抗沉陷能力。惰性材料填充在盾尾前，浆液填充在盾尾后方。它俩的作用位置区别如图1所示。

在一些实施例中，a液由以下组分组成：膨润土20-25％，无机粉10-12％，保水剂：0.2-0.5％，防冻剂0.8-1.0％，余量为水；b液为强塑剂；

a液与b液体积比为1:0.6-0.8。

在一些实施例中，所述无机粉由滑石粉和碳酸钙组成，其中，滑石粉与碳酸钙的质量比为1:1～3。

在一些实施例中，所述膨润土为膨胀倍数高的钠基膨润土。

在一些实施例中，所述保水剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵或羟丙基甲基纤维素中一种或其混合物。

在一些实施例中，所述防冻剂采用工程常用的亚硝酸盐类绿色复合防冻剂，该类复合防冻剂不含氯盐无污染，不会锈蚀盾构机钢铁盾壳，不会污染地下环境，且具有很好的防冻效果。

在一些实施例中，所述强塑剂为水玻璃溶液，波美度为27～50。

本发明还提供了一种盾构急转弯用惰性填充材料的制备方法，包括：

将膨润土与水混合均匀，再加入滑石粉与碳酸钙的混合粉末；混合均匀后，依次加入保水剂、防冻剂，混合均匀，制成a液；

使用时，将a液与b液按混合，两者快速反应得到盾构急转弯用惰性填充材料。

本发明还提供了任一上述盾构急转弯用惰性填充材料在盾构超挖间隙填充中的应用。

本发明的有益效果

(1)本盾构急转弯用惰性填充材料能够快速填充盾构超挖间隙，材料本身具有一定的粘附性，可以有效阻隔开挖面土体或泥浆向后涌入，维持开挖面稳定性。

(2)本盾构急转弯用惰性填充材料填充性能和抗沉陷性良好，防止盾构急转弯过程中土体大变形，保障转弯持续进行，能够防止盾构机被大变形土体卡死现象的发生，能够一定程度控制土体扰动造成的地层沉降。

(3)本盾构急转弯用惰性填充材料既能够填充转弯曲线外侧空隙，也能填充转弯曲线内侧，一旦一次转弯角度过大，可通过向曲线内侧注该材料进行角度回调，更有利于盾构急转弯角度控制，弥补施工误差，保证后续管片拼装顺利进行。

(4)本盾构急转弯用惰性填充材料具有一定的润滑效果，减小盾构机与地层之间的摩擦阻力，保护盾壳使用寿命。

(5)本盾构急转弯用惰性填充材料能够在负温下使用，且抗冲散能力突出，不受环境温度的影响，不受地下水的影响，更有利于盾构在复杂环境下施工。

(6)本发明制备方法简单、填充效率高、实用性强，易于推广。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请填充示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有的盾构转弯技术中，不能完全用于盾构急转弯施工，盾构超挖间隙填充是盾构急转弯施工必须解决的工程问题。因此，本发明提出一种盾构急转弯用惰性填充材料及其制备方法与应用。

一种盾构急转弯用惰性填充材料，a液由以下组分组成：膨润土20-30％，无机粉10-15％，保水剂：0.2-0.5％，防冻剂0.5-1.0％，余量为水；b液为强塑剂。

a液与b液体积比为1:0.5-0.8。

所述膨润土为钠基膨润土；

所述钠基膨润土膨胀倍数为20-30倍，远高于普通钙基膨润土的几倍膨胀倍数，较高的体积膨胀性质决定了该材料的填充性能，保证盾构急转弯施工时的快速充填要求。

所述钠基膨润土ph值8.5-10.6，高于普通钙基膨润土6.4-8的ph值，混合液呈弱碱性，使用过程中不会腐蚀盾壳。

所述无机粉为滑石粉与碳酸钙的混合物，其中滑石粉和碳酸钙最为常用且含量较高，主要起润滑、填充作用，滑石粉掺量的提高可增加a液在输送过程中的泵送性。

所述保水剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵、羟丙基甲基纤维素等一种或其混合物，吸水率高、吸水速度快、保水性能优越，能够使混合液的粘稠度提高，达到保水增稠的效果，进一步起到抗水分散的作用。

在惰性填充材料中加入防冻剂，能使该材料在负温下工作，防止低温下地下水将其冻结，提高a液的低温储存性能，不影响低温泵送。

所述强塑剂为水玻璃溶液，与a液混合迅速产生化学反应生成一种粘度大、永不凝固的膏状体，即为盾构急转弯用惰性填充材料。

优选的，所述盾构急转弯用惰性填充材料，a液由以下组分组成：膨润土25-30％，无机粉12-15％，保水剂：0.3-0.5％，防冻剂0.5-0.8％，余量为水；b液为强塑剂。

优选的，所述无机粉中滑石粉与碳酸钙的质量比为1:1、1:1.5、1:2、1:2.5或1:3。

a液与b液体积比为1:0.5-0.6。

进一步优选的，所述盾构高性能同步注浆改性剂，a液由以下组分组成：膨润土30％，无机粉13％，保水剂：0.5％，防冻剂0.6％，余量为水；b液为强塑剂。

优选的，所述无机粉中滑石粉与碳酸钙的质量比为1:2。

a液与b液体积比为1:0.6。

优选的，所述防冻剂是以减水及各种防冻组分复合成的膏体防冻剂，具有防冻、引气和保水性能好的优势。本发明中的防冻剂采用适用于-15℃～0℃气温下的防冻剂，无速凝现象，能使惰性填充材料a液在负温下贮存、使用。

上述盾构急转弯用惰性填充材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将膨润土与水混合，边混合边搅拌，直至搅拌均匀；

2)将滑石粉与碳酸钙两种无机粉料混合均匀，然后加入到1)中的混合液，进行搅拌，直至粉料完全溶解；

3)将保水剂、防冻剂依次加入2)中混合溶液，搅拌均匀制成a液；

4)使用时，将a液与b液混合，得到盾构急转弯用惰性填充材料。

现场具体使用时，将a液与b液分别贮存于两个储存罐中，由不同的泵送管路泵送到盾壳注入孔，a、b液在盾壳注浆孔混合注入盾构急转弯超挖间隙，泵送结束后及时清洗管路便于下次泵送。

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明。

以下实施例中，采用的防冻剂为亚硝酸钠防冻剂，购自济南德旺化工有限公司。

采用的强塑剂为水玻璃溶液，波美度33～35。

实施例1

所述盾构急转弯用惰性填充材料，a液由以下组分组成：膨润土25％，无机粉12％，保水剂：0.2％，防冻剂0.5％，水62.3％；b液为强塑剂。

a液与b液体积比为1:0.5；

所述膨润土为钠基膨润土；

所述无机粉中滑石粉与碳酸钙质量比为1:1；

所述保水剂为聚丙烯酰胺；

将膨润土与水混合，边混合边搅拌，直至搅拌均匀。然后将滑石粉与碳酸钙两种无机粉料混合均匀后加入到混合液中，进行搅拌，直至粉料完全溶解。依次加入保水剂、防冻剂，搅拌均匀制成a液。使用时，将a液与b液按1：0.5的体积混合，两者快速反应得到盾构急转弯用惰性填充材料。

实施例2

所述盾构急转弯用惰性填充材料，a液由以下组分组成：膨润土30％，无机粉12％，保水剂：0.2％，防冻剂0.5％，水57.3％；b液为强塑剂。

a液与b液体积比为1:0.5；

所述膨润土为钠基膨润土；

所述无机粉中滑石粉与碳酸钙质量比为1:1；

所述保水剂为聚丙烯酰胺；

将膨润土与水混合，边混合边搅拌，直至搅拌均匀。然后将滑石粉与碳酸钙两种无机粉料混合均匀后加入到混合液中，进行搅拌，直至粉料完全溶解。依次加入保水剂、防冻剂，搅拌均匀制成a液。使用时，将a液与b液按1：0.5的体积混合，两者快速反应得到盾构急转弯用惰性填充材料。

实施例3

所述盾构急转弯用惰性填充材料，a液由以下组分组成：膨润土30％，无机粉15％，保水剂：0.2％，防冻剂0.5％，水54.3％；b液为强塑剂。

a液与b液体积比为1:0.5；

所述膨润土为钠基膨润土；

所述无机粉中滑石粉与碳酸钙质量比为1:1；

所述保水剂为聚丙烯酰胺；

将膨润土与水混合，边混合边搅拌，直至搅拌均匀。然后将滑石粉与碳酸钙两种无机粉料混合均匀后加入到混合液中，进行搅拌，直至粉料完全溶解。依次加入保水剂、防冻剂，搅拌均匀制成a液。使用时，将a液与b液按1：0.5的体积混合，两者快速反应得到盾构急转弯用惰性填充材料。

实施例4

所述盾构急转弯用惰性填充材料，a液由以下组分组成：膨润土30％，无机粉15％，保水剂：0.3％，防冻剂0.5％，水54.2％；b液为强塑剂。

a液与b液体积比为1:0.6；

所述膨润土为钠基膨润土；

所述无机粉中滑石粉与碳酸钙质量比为1:1；

所述保水剂为聚丙烯酰胺；

将膨润土与水混合，边混合边搅拌，直至搅拌均匀。然后将滑石粉与碳酸钙两种无机粉料混合均匀后加入到混合液中，进行搅拌，直至粉料完全溶解。依次加入保水剂、防冻剂，搅拌均匀制成a液。使用时，将a液与b液按1：0.6的体积混合，两者快速反应得到盾构急转弯用惰性填充材料。

实施例5

所述盾构急转弯用惰性填充材料，a液由以下组分组成：膨润土30％，无机粉15％，保水剂：0.4％，防冻剂0.5％，水54.1％；b液为强塑剂。

a液与b液体积比为1:0.6；

所述膨润土为钠基膨润土；

所述无机粉中滑石粉与碳酸钙质量比为1:1；

所述保水剂为聚丙烯酰胺；

将膨润土与水混合，边混合边搅拌，直至搅拌均匀。然后将滑石粉与碳酸钙两种无机粉料混合均匀后加入到混合液中，进行搅拌，直至粉料完全溶解。依次加入保水剂、防冻剂，搅拌均匀制成a液。使用时，将a液与b液按1：0.6的体积混合，两者快速反应得到盾构急转弯用惰性填充材料。

实施例6

所述盾构急转弯用惰性填充材料，a液由以下组分组成：膨润土30％，无机粉15％，保水剂：0.4％，防冻剂0.5％，水54.1％；b液为强塑剂。

a液与b液体积比为1:0.6；

所述膨润土为钠基膨润土；

所述无机粉中滑石粉与碳酸钙质量比为1:2；

所述保水剂为聚丙烯酰胺

将膨润土与水混合，边混合边搅拌，直至搅拌均匀。然后将滑石粉与碳酸钙两种无机粉料混合均匀后加入到混合液中，进行搅拌，直至粉料完全溶解。依次加入保水剂、防冻剂，搅拌均匀制成a液。使用时，将a液与b液按1：0.6的体积混合，两者快速反应得到盾构急转弯用惰性填充材料。

实施例7

所述盾构急转弯用惰性填充材料，a液由以下组分组成：膨润土30％，无机粉15％，保水剂：0.5％，防冻剂0.5％，水54.0％；b液为强塑剂。

a液与b液体积比为1:0.8；

所述膨润土为钠基膨润土；

所述无机粉中滑石粉与碳酸钙质量比为1:2；

所述保水剂为聚丙烯酰胺；

将膨润土与水混合，边混合边搅拌，直至搅拌均匀。然后将滑石粉与碳酸钙两种无机粉料混合均匀后加入到混合液中，进行搅拌，直至粉料完全溶解。依次加入保水剂、防冻剂，搅拌均匀制成a液。使用时，将a液与b液按1：0.8的体积混合，两者快速反应得到盾构急转弯用惰性填充材料。

使用旋转粘度计测得各个实例中的材料粘度，并观测其保水性能，放入低温能够，观察a液是否冻结，并记录各个实施例的反应时间，具体性能如表1所示。

表1

由此可知，本申请的a液、b液的反应一般15秒之内就能完全反应。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。