一种用于土压平衡盾构舱土改良的气泡泥浆制备方法与流程

本发明涉及盾构隧道施工技术领域，具体涉及一种用于土压平衡盾构舱土改良的气泡泥浆制备方法。

背景技术：

我国城市轨道交通建设发展迅速，隧道建设工程量日益增加。盾构法隧道施工具有对周边的建筑环境的影响小、施工速度快，施工自动化程度高、安全性好等优点被广泛的采用，尤其是在建筑密集或地层性质特殊的地区。常用的盾构机类型为土压平衡式盾构机(简称土压盾构)和泥水平衡式盾构机(简称泥水盾构)。其中，土压盾构几乎不占用地表面积，施工成本相对较低，广泛应用于城市地铁隧道建设。

土压盾构施工中，由于地层的复杂多样，容易发生压力舱闭塞、结饼或排土器排土口喷涌等问题，需要将位于刀盘后方的压力舱内的舱土改良为塑性流动状态，即较高的流动性、较低的渗透性、较好的压缩性，以支护开挖面的土水压力、维持开挖面稳定。目前，国内外常用的舱土改良剂为纯气泡或纯膨润土泥浆。存在的问题是，纯气泡虽然可以较好地改善舱土流动性，但在水压作用下容易从土颗粒孔隙中挤出，对舱土渗透性的改良效果较差；纯膨润土泥浆可以较好地降低舱土渗透性，但是需要大量注入才能达到理想效果，成本高，且造成排出渣土体量成倍增加，渣土后续处理困难。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的是提供一种用于土压平衡盾构舱土改良的气泡泥浆制备方法，采用本方法制备得到的气泡泥浆，综合了气泡和泥浆的优点，有效提高土压平衡式盾构的舱土的流动性和抗渗性，解决了土压盾构的压力舱内舱土无法改良为塑性流动状态的问题。

技术方案：本发明一种用于土压平衡盾构舱土改良的气泡泥浆制备方法，包括以下步骤：

(1)配置基浆：将发泡液和泥浆混合搅拌均匀；

(2)生成气泡泥浆：将基浆放置在密闭或半密闭容器中，用搅拌器搅拌基浆，得到气泡泥浆。

进一步的，所述步骤(2)中生成气泡泥浆的具体步骤为：

1)将配置好的基浆放置在密闭或半密闭容器中，容器容积至少为基浆体积的30倍；

2)用转速2000～5000r/min的搅拌器搅拌基浆，搅拌时间2min，搅拌方式采用框式搅拌机搅拌；

3)关闭搅拌机，待容器中的气泡不发生明显的灭泡之后，即制得气泡泥浆。容器中的气泡首先会有一些直径较大的气泡，待其消失后，小气泡能够在泥浆中稳定存在，即制得气泡泥浆。

进一步的，所述步骤(1)配置基浆中，所述发泡液占比0.1～3.0％，泥浆占比97.0～99.9％；所述发泡液为发泡剂和水，发泡剂和水的比例为1：5～1：20。

进一步的，所述发泡剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺中一种或几种的混合。

进一步的，所述步骤(1)配置基浆中，所述泥浆包括矿物混合物、无水碳酸钠、羧甲基纤维素钠和水；所述矿物混合物占比10～40％，无水碳酸钠占比0.2～1.0％，羧甲基纤维素钠占比0.1～0.9％，其余为水。

进一步的，所述矿物混合物为钙基膨润土和粘土中一种或两种的混合。

有益效果：本发明制备得到的气泡泥浆具有以下特性：1)稳定性：气泡泥浆的体积消减50％所用时间约为50～120min，使其在压力舱内部期间具有良好稳定性；2)流动性及抗渗性能：气泡泥浆综合气泡和泥浆的优点，可有效提高舱土流动性，同时减小舱土渗透系数；3)发泡性：发泡倍率为3～20，即单位体积的基浆可以发出3～20个单位体积的气泡泥浆；4)经济性：综合造价低；本发明制备得到的气泡泥浆具有改善流动性、调节强度、降低渗透系数的性能，适用于土压盾构机的舱土改良，有效降低扭矩、提高舱土的流动性和抗渗性。

附图说明

图1为各个实施例下舱土渗透系数随体积添加量的变化图；

图2为各个实施例下舱土流动度随体积添加量的变化图。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

如图1和图2所示，本发明一种用于土压平衡盾构舱土改良的气泡泥浆制备方法，包括以下步骤：

(1)配置基浆：将发泡液和泥浆混合搅拌均匀；发泡液占比0.1～3.0％，泥浆占比97.0～99.9％；发泡液为发泡剂和水，发泡剂和水的比例为1：5～1：20；发泡剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺中一种或几种的混合。

同时泥浆包括矿物混合物、无水碳酸钠、羧甲基纤维素钠和水；所述矿物混合物为钙基膨润土和粘土中一种或两种的混合，占比10～40％，无水碳酸钠占比0.2～1.0％，羧甲基纤维素钠占比0.1～0.9％，其余为水。

(2)生成气泡泥浆：将基浆放置在密闭或半密闭容器中，用搅拌器搅拌基浆，得到气泡泥浆。

其中所述步骤(2)中生成气泡泥浆的具体步骤为：

1)将配置好的基浆放置在密闭或半密闭容器中，容器容积至少为基浆体积的30倍；

2)用转速2000～5000r/min的搅拌器搅拌基浆，搅拌时间2min，搅拌方式采用框式搅拌机搅拌；

3)关闭搅拌机，待容器中的气泡不发生明显的灭泡之后，即制得气泡泥浆。容器中的气泡首先会有一些直径较大的气泡，待其消失后，小气泡能够在泥浆中稳定存在，即制得气泡泥浆。

实施例1

配置100g发泡液，其中十二烷基苯磺酸钠16.67g、水83.33g；

配置泥浆，其中钙基膨润土占比10％、无水碳酸钠占比0.2％、羧甲基纤维素钠占比0.1％、水占比89.7％，静置膨化24h；

配置基浆，其中发泡液占比0.1％、泥浆占比99.9％；

将配置好的基浆放置在密闭容器中，容器容积为基浆体积的40倍，用2000r/min的搅拌速率搅拌基浆，持续时间2min，搅拌方式采用框式搅拌机搅拌，得到气泡泥浆。

试验测得气泡泥浆发泡倍率约为8，气泡泥浆体积消去50％所需的时间为120min。细砂土的初始渗透系数为10^-4cm/s，初始含水率10％，无流动性。添加60％(气泡泥浆的体积/土体体积)的气泡泥浆，土体渗透系数可降至10^-6cm/s，流动性达到235mm。满足土压盾构施工中对舱土的性能要求。

实施例2

配置100g发泡液，其中十二烷基苯磺酸钠16.67g、水83.33g；

配置泥浆，其中钙基膨润土占比40％、无水碳酸钠占比0.2％、羧甲基纤维素钠占比0.1％、水占比59.7％，静置膨化24h；

配置基浆，其中发泡液占比0.1％、泥浆占比99.9％；

将配置好的基浆放置在半密闭容器中，容器容积为基浆体积的50倍，用5000r/min的搅拌速率搅拌基浆，持续时间2min，搅拌方式采用框式搅拌机搅拌，得到气泡泥浆。

试验测得气泡泥浆发泡倍率约为3，气泡泥浆体积消去50％所需的时间为260min。细砂土的初始渗透系数为10^-4cm/s，初始含水率10％，无流动性。添加40％(气泡泥浆的体积/土体体积)的气泡泥浆，土体渗透系数可降至10^-6cm/s，流动性达到205mm。满足土压盾构施工中对舱土的性能要求。

实施例3

配置100g发泡液，其中十二烷基苯磺酸钠16.67g、水83.33g；

配置泥浆，其中钙基膨润土占比40％、无水碳酸钠占比1％、羧甲基纤维素钠占比0.9％、水占比58.1％，静置膨化24h；

配置基浆，其中发泡液占比0.1％、泥浆占比99.9％；

将配置好的基浆放置在半密闭容器中，容器容积为基浆体积的50倍，用2000r/min的搅拌速率搅拌基浆，持续时间2min，搅拌方式采用框式搅拌机搅拌，得到气泡泥浆。

试验测得气泡泥浆发泡倍率约为3，气泡泥浆体积消去50％所需的时间为312min。细砂土的初始渗透系数为10^-4cm/s，初始含水率10％，无流动性。添加40％(气泡泥浆的体积/土体体积)的气泡泥浆，土体渗透系数可降至10^-6cm/s，流动性达到200mm。满足土压盾构施工中对舱土的性能要求。

实施例4

配置100g发泡液，其中十二烷基苯磺酸钠16.67g、水83.33g；

配置泥浆，其中钙基膨润土占比40％、无水碳酸钠占比1％、羧甲基纤维素钠占比0.9％、水占比58.1％，静置膨化24h；

配置基浆，其中发泡液占比3％、泥浆占比97％；

将配置好的基浆放置在半密闭容器中，容器容积为基浆体积的50倍，用2000r/min的搅拌速率搅拌基浆，持续时间2min，搅拌方式采用框式搅拌机搅拌，得到气泡泥浆。

试验测得气泡泥浆发泡倍率约为15，气泡泥浆体积消去50％所需的时间为173min。细砂土的初始渗透系数为10^-4cm/s，初始含水率10％，无流动性。添加70％(气泡泥浆的体积/土体体积)的气泡泥浆，土体渗透系数可降至10^-6cm/s，流动性达到245mm。满足土压盾构施工中对舱土的性能要求。

实施例5

配置100g发泡液，其中十二烷基硫酸钠4.76g、水95.24g；

配置泥浆，其中钙基膨润土占比10％、无水碳酸钠占比0.2％、羧甲基纤维素钠占比0.1％、水占比89.7％，静置膨化24h；

配置基浆，其中发泡液占比0.1％、泥浆占比99.9％；

将配置好的基浆放置在密闭容器中，容器容积为基浆体积的50倍，用2000r/min的搅拌速率搅拌基浆，持续时间2min，搅拌方式采用框式搅拌机搅拌，得到气泡泥浆。

试验测得气泡泥浆发泡倍率约为5，气泡泥浆体积消去50％所需的时间为224min。细砂土的初始渗透系数为10^-4cm/s，初始含水率10％，无流动性。添加50％(气泡泥浆的体积/土体体积)的气泡泥浆，土体渗透系数可降至10^-6cm/s，流动性达到210mm。满足土压盾构施工中对舱土的性能要求。

实施例6

配置100g发泡液，其中十二烷基苯磺酸钠4.76g、水95.24g；

配置泥浆，其中钙基膨润土占比40％、无水碳酸钠占比1％、cmc占比0.9％、水占比58.1％，静置膨化24h；

配置基浆，其中发泡液占比3％、泥浆占比97％；

将配置好的基浆放置在密闭容器中，容器容积为基浆体积的50倍，用2000r/min的搅拌速率搅拌基浆，持续时间2min，搅拌方式采用框式搅拌机搅拌，得到气泡泥浆。

试验测得气泡泥浆发泡倍率约为10，气泡泥浆体积消去50％所需的时间为210min。细砂土的初始渗透系数为10^-4cm/s，初始含水率10％，无流动性。添加70％(气泡泥浆的体积/土体体积)的气泡泥浆，土体渗透系数可降至10^-6cm/s，流动性达到240mm。满足土压盾构施工中对舱土的性能要求。

实施例7

配置100g发泡液，其中脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠16.67g、水83.33g；

配置泥浆，其中钙基膨润土占比20％、无水碳酸钠占比0.5％、cmc占比0.5％、水占比79％，静置膨化24h；

配置基浆，其中发泡液占比2％、泥浆占比98％；

将配置好的基浆放置在密闭容器中，容器容积为基浆体积的40倍，用3000r/min的搅拌速率搅拌基浆，持续时间2min，搅拌方式采用框式搅拌机搅拌，得到气泡泥浆。

试验测得气泡泥浆发泡倍率约为17，气泡泥浆体积消去50％所需的时间为160min。细砂土的初始渗透系数为10^-4cm/s，初始含水率10％，无流动性。添加70％(气泡泥浆的体积/土体体积)的气泡泥浆，土体渗透系数可降至10^-6cm/s，流动性达到250mm。满足土压盾构施工中对舱土的性能要求。