专利名称：软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法
技术领域：
本发明涉及一种土体改良施工方法，尤指一种属于隧道施工技术，适用于超大直
径的土压平衡盾构机上，以确保土压平衡的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工 方法。
背景技术：
土压平衡盾构工法以其投资规模小、施工方法简单、占地面积小、对交通和环境影
响小以及掘进操作易于控制等优点，在城市轨道交通、市政工程、水利电力和交通能源等地
下建筑领域得到广泛的应用，特别是城市的密集建筑区、地面交通繁忙的地面下隧道工程。 随着市政工程建设的不断发展，对土压平衡盾构工法的要求也不断提高，以往使
用的小尺寸直径(8米以内)的土压平衡盾构机已无法满足某些大型市政工程建设的要求，
因此采用超大直径(12米以上)的土压平衡盾构机进行隧道的施工因应而生。 然而超大直径的土压平衡盾构机进行施工时，由于开挖面积大及土体物理性质的
影响，土体对土压平衡盾构机上的刀头摩阻力大，加大了土压平衡盾构机的负荷及其刀盘
的扭矩，且在土压平衡盾构机的推进过程中，单位时间内进入土压平衡盾构机土仓的土体
体积较大，导致开挖面的土压力传递不均匀，使土压平衡盾构机掘进很难确保开挖面稳定，
导致施工延宕与成本增加。 另外，以往盾构掘进施工中的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方 法，是针对小直径盾构机在砂性或砾石等硬质土层中的掘进，其改良目的主要为提高土体 的塑流性，而上述超大直径的土压平衡盾构机在软土地层进行施工，则面临土体性质造成 的土压力无法均匀传递与开挖面不稳定的问题，所以业界急于思考一种于土压平衡盾构机 掘进过程中可对土体进行改良的施工方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良 施工方法，改善超大直径的土压平衡盾构机于掘进过程中，因土体性质导致开挖面不稳定 而推进速度延宕的问题。 本发明的技术解决方案是提供一种软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施 工方法，其用于超大直径的土压平衡盾构机上，其特征在于，该软土地层超大直径土压平衡 盾构土体改良施工方法包含以下步骤 备制添加剂，调配泡沫混合液与膨润土浆液，依据施工要求由土压平衡盾构机的 控制系统，控制泡沫改良系统中的泡沫混合液浓度与发泡倍率参数，由地面浆液搅拌机拌 制而成的膨润土浆液输送至土压平衡盾构机的储料桶中，并加以搅拌； 检测添加剂的质量，测定泡沫的稳泡时间并调整，使发泡质量效果与控制系统的 参数相符，并检测储料桶中膨润土浆液的黏度与比重； 添加剂于掘进过程中的注入，土压平衡盾构机的刀盘开挖面上设有多个注入孔，于掘进过程中依据实际掘进土质与盾构施工参数，以控制系统控制这些注入孔的泡沫注入 量与膨润土浆液量，通过泡沫改良土体性能来控制土压力的稳定，而膨润土浆液则可降低 开挖土体强度；以及 混合搅拌，进入土压平衡盾构机的土仓的土体与添加剂，通过刀盘配置的搅拌叶 片、土仓隔板的固定叶片进行混合搅拌，且以控制系统控制土仓内的中心搅拌器加强搅拌 混合，以提高土质均匀性与达到刀盘内外的土压平衡。 如上所述的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，泡沫改良系统包 含有溶液桶、材料桶、注入泵、发泡装置及空压机，溶液桶中的泡沫原液与规定量的水，注入 材料桶混合并搅拌制成预定泡沫浓度的泡沫混合液，且控制系统依据发泡倍率参数的设 置，由注入泵压送泡沫混合液与空压机压縮空气至发泡装置混合，生成设定倍率的泡沫。
如上所述的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，膨润土浆液包含 有钠基膨润土、碳酸纳与水。 如上所述的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，膨润土浆液的黏 度大于30s，比重小于1. 10g/cm3。 如上所述的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，刀盘开挖面上形 成一中心区，并依序往外形成一中间区及一外圈区，且注入孔配置于中心区、中间区与外圈 区中，于掘进过程中的添加剂注入改良步骤中，通过控制系统对泡沫注入的总量及不同注 入孔注入量的分配进行设定。 如上所述的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，刀盘内侧的搅拌 叶片于掘进过程中，随刀盘一同转动，与土仓隔板的固定叶片相互作用。 本发明的优点是于掘进施工过程中，采用泡沫、膨润土浆液作为添加剂，以泡沫 为主，并控制土压力的稳定，视土体的状况而注入膨润土浆液，用以降低开挖土体的强度， 并依据开挖的情形而利用控制系统对刀盘开挖面的不同位置添加剂的注入量进行控制，以 及利用搅拌叶片、固定叶片及中心搅拌器，对进入土仓的土体与添加剂进行搅拌混合，改良 土体性能，达到刀盘内外土压平衡的目的，以及稳定开挖面、提高土体塑流性，并降低刀盘 扭矩与提升掘进速率。
图1为本发明软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法的一具体实施 例的流程示意图。
具体实施例方式
如图1所示，揭示本发明所提供的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工
方法的流程示意图，该软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法的实施步骤包
含备制添加剂，检测添加剂的质量，添加剂于掘进过程中的注入并混合搅拌改良土体，该
软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法用于超大直径的土压平衡盾构上。
备制添加剂步骤中，先行调配泡沫混合液与膨润土浆液的添加剂，依据施工要求
由土压平衡盾构机的控制系统，控制泡沫改良系统中的泡沫混合液浓度与发泡倍率参数，
由地面浆液搅拌机拌制而成的膨润土浆液输送至土压平衡盾构机的储料桶中，并缓慢搅拌，其中，泡沫改良系统包含有溶液桶、材料桶、注入泵、发泡装置及空压机，溶液桶中的泡
沫原液与规定量的水，注入材料桶混合并搅拌制成预定泡沫浓度的泡沫混合液，且控制系
统依据发泡倍率参数的设置，由注入泵压送泡沫混合液与空压机压縮空气至发泡装置混
合，生成设定倍率的泡沫，另外，膨润土浆液包含有钠基膨润土、碳酸纳与水。 于检测添加剂的质量步骤中，测定泡沫的稳泡时间并调整，使发泡质量与控制系
统的参数相符，并检测储料桶中膨润土浆液的黏度与比重，其中，泡沫稳泡时间的测定方
法，是在一个容量为1公升的塑料量杯底部开设O. 2厘米直径的穿孔，将塑料量杯内盛满泡
沫，秤量并纪录泡沫的初始质量，随时间的过去，泡沫逐渐消散并自穿孔流出，待泡沫质量
变为初始质量的一半时，其消耗的时间即为泡沫的稳泡时间，且稳泡时间与泡沫的浓度、发
泡倍率参数呈线性关系，通过测定泡沫稳泡时间可检验实际发泡质量是否与控制系统所设
计的参数相符，另外，膨润土浆液的较佳黏度是大于30s，较佳的比重小于1. 10g/cm3。 在添加剂于掘进过程中的注入改良步骤中，土压平衡盾构机的刀盘开挖面上设有
多数注入孔，于掘进过程中依据实际掘进土质与盾构施工参数，以控制系统控制这些注入
孔的泡沫注入量与膨润土浆液量，通过泡沫改良土体性能来控制土压力的稳定，而膨润土
浆液降低开挖土体强度，其中，刀盘开挖面上形成一中心区，并依序往外形成一中间区及一
外圈区，且注入孔配置于中心区、中间区与外圈区中，于掘进过程中的添加剂注入改良步骤
中，通过控制系统对泡沫注入的总量及不同注入孔注入量的分配进行设定，该中心区的外
径为6米，该中间区的内径与外径分别为6米、12米，该外圈区的内径与外径分别为12米、
14. 27米，以及该中心区、中间区与外圈区的泡沫注入比例可为2 :3:1。 于混合搅拌的步骤中，土压平衡盾构机于掘进过程中，进入土压平衡盾构机土仓
的土体与添加剂，通过土压平衡盾构机的刀盘内侧所配置的搅拌叶片，以及土仓隔板所设
置的固定叶片进行混合搅拌，以及土仓中心轴处设有一与刀盘平行且直径约为刀盘直径
1/3的的中心搅拌器，并中心搅拌器受控于控制系统，以控制系统对中心搅拌器的搅拌转速
进行设定与控制，以提高土质均匀性与达到刀盘内外的土压平衡，其中，刀盘内侧的搅拌叶
片于掘进过程中，随刀盘一同转动，与土仓隔板的固定叶片相互进行混合搅拌的作用。 本发明软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法用以解决超大直径土
压平衡盾构机的掘进施工中出现的土压力平衡难建立，以及刀盘扭矩与总推力较大，土体
塑流性差等问题，对土体进行泡沫为主、膨润土浆液为辅的土体改良，膨润土浆液亦可以降
低开挖土体强度，以及膨润土浆液在特殊工况条件下，如进出洞加故区、土质较硬地层，可
配合泡沫进行使用，另泡沫可以控制土压力的稳定，并能依据实际掘进土质与盾构施工参
数，利用控制系统对刀盘开挖面的不同位置的添加剂注入量进行分配设计，以满足盾构施
工参数可控制在正常的范围内，土体改良对盾构掘进的影响参数有推进速度、刀盘扭矩、总
推力与土压力。 另外，利用搅拌叶片、固定叶片及中心搅拌器，对进入土仓的土体与添加剂进行搅 拌混合，提高土质均匀性，达到刀盘内外土压平衡的目的，以及稳定开挖面、提高土体塑流 性，并降低刀盘扭矩与提升掘进速率，所以本发明软土地层超大直径土压平衡盾构土体改 良施工方法的使用，可使盾构掘进的相关参数及数据均符合设计要求及技术标准，确保超 大直径的土压平衡盾构机能顺利掘进施工。
权利要求
一种软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，其用于超大直径的土压平衡盾构机上，其特征在于，该软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法包含以下步骤备制添加剂，调配泡沫混合液与膨润土浆液，依据施工要求由土压平衡盾构机的控制系统，控制泡沫改良系统中的泡沫混合液浓度与发泡倍率参数，由地面浆液搅拌机拌制而成的膨润土浆液输送至土压平衡盾构机的储料桶中，并加以搅拌；检测添加剂的质量，测定泡沫的稳泡时间并调整，使发泡质量效果与控制系统的参数相符，并检测储料桶中膨润土浆液的黏度与比重；添加剂于掘进过程中的注入，土压平衡盾构机的刀盘开挖面上设有多个注入孔，于掘进过程中依据实际掘进土质与盾构施工参数，以控制系统控制这些注入孔的泡沫注入量与膨润土浆液量，通过泡沫改良土体性能来控制土压力的稳定，而膨润土浆液则可降低开挖土体强度；以及混合搅拌，进入土压平衡盾构机的土仓的土体与添加剂，通过刀盘配置的搅拌叶片、土仓隔板的固定叶片进行混合搅拌，且以控制系统控制土仓内的中心搅拌器加强搅拌混合，以提高土质均匀性与达到刀盘内外的土压平衡。
2. 根据权利要求1所述的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，其特征 在于泡沫改良系统包含有溶液桶、材料桶、注入泵、发泡装置及空压机，溶液桶中的泡沫原 液与规定量的水，注入材料桶混合并搅拌制成预定泡沫浓度的泡沫混合液，且控制系统依 据发泡倍率参数的设置，由注入泵压送泡沫混合液与空压机压縮空气至发泡装置混合，生 成设定倍率的泡沫。
3. 根据权利要求2所述的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，其特征 在于膨润土浆液包含有钠基膨润土、碳酸纳与水。
4. 根据权利要求3所述的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，其特征 在于膨润土浆液的黏度大于30s，比重小于1. 10g/cm3。
5. 根据权利要求1至4任一项所述的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方 法，其特征在于刀盘开挖面上形成一中心区，并依序往外形成一中间区及一外圈区，且注 入孔配置于中心区、中间区与外圈区中，于掘进过程中的添加剂注入改良步骤中，通过控制 系统对泡沫注入的总量及不同注入孔注入量的分配进行设定。
6. 根据权利要求1至4任一项所述的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，其特征在于刀盘内侧的搅拌叶片于掘进过程中，随刀盘一同转动，与土仓隔板的固定 叶片相互作用。
7. 根据权利要求5所述的软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，其特征在于刀盘内侧的搅拌叶片于掘进过程中，随刀盘一同转动，与土仓隔板的固定叶片相互作用。
全文摘要
本发明涉及一种软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法，尤指一种解决超大直径土压平衡盾构的施工掘进问题，该软土地层超大直径土压平衡盾构土体改良施工方法是于掘进施工过程中，采用泡沫、膨润土浆液作为添加剂，对刀盘的开挖面的不同位置进行添加剂的注入，以泡沫为主并控制土压力的稳定，以膨润土浆液为辅并降低开挖土体强度，同时在土仓内采用中心搅拌器对进入土仓内的土体与添加剂搅拌混合，进而稳定开挖面、提高土体塑流性，以及降低刀盘扭矩并提高掘进效率。
文档编号E21D9/06GK101749025SQ200910200699
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者丁志诚, 吴惠明, 周永习, 周隽, 戴仕敏, 晁东辉, 杨磊, 王金一, 郑宜枫, 郝亮, 顾沉颖, 黄德中 申请人:上海隧道工程股份有限公司