大断面矩形顶管掘进土体改良方法
【专利摘要】本发明涉及一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法，包括：按照断面的形状在矩形顶管的前端面进行区域划分，划分为位于中间的大刀盘改良区和环绕所述大刀盘改良区设置的小刀盘改良区；以及掘进过程中，对所述大刀盘改良区注入泡沫改良剂进行土体改良，对所述小刀盘改良区注入聚合物泥浆进行土体改良，所述泡沫改良剂的注入率适配于大刀盘的扭矩，所述聚合物泥浆的注入率适配于对应的小刀盘的扭矩。本发明可以良好的解决了砂性土地层大断面矩形顶管掘进困难、开挖面不易稳定的问题。
【专利说明】大断面矩形顶管掘进土体改良方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道工程领域，尤指一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法。
【背景技术】
[0002] 采用土压平衡式顶管机进行隧道施工，施工作业中采用开挖土体作为支撑开挖面 稳定的介质，该介质应具有良好的塑性、一定的粘聚力、较小的内摩擦角以及渗透系数等。 现有做法是在掘进过程中加入改良添加剂对土体进行改良，该改良添加剂一般为泡沫和膨 润土泥浆，通过一定比例的泡沫和膨润土泥浆的注入，对切削的土体进行改良，从而确保开 挖面的稳定和掘进效率。
[0003] 但是，对于大断面（4. 2m*6. 9m及以上）砂性土地层进行隧道掘进施工时，采用土 压平衡式矩形顶管存在如下难点：一、开挖面积大，土体对刀头的摩阻力大，加大了刀盘的 扭矩和机械负荷；二、推进过程中单位时间内进入土仓的土体体积较大，开挖面土压力传递 不均匀易导致开挖面失稳；三、砂性土层土质特性较差，表现在塑流性差、内摩擦角大、渗透 系数大。现有的改良方法无法适应大断面矩形顶管在砂性土地层掘进施工，容易造成砂性 土地层大断面矩形顶管开挖土仓内土压力波动剧烈，影响开挖面的稳定。大断面矩形顶管 的刀盘构造不利于现有改良方法中的改良添加剂发挥效用，影响改良效果。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种大断面矩形顶管掘进土体改良 方法，解决现有改良方法无法适应大断面矩形顶管在砂性土地层掘进施工、容易造成土仓 内压力波动剧烈，影响开挖面稳定的问题，以及大断面矩形顶管的刀盘不利于改良添加剂 发挥效用的问题。
[0005] 实现上述目的的技术方案是：
[0006] 本发明一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法，包括：
[0007] 按照断面的形状在矩形顶管的前端面进行区域划分，划分为位于中间的大刀盘改 良区和环绕所述大刀盘改良区设置的小刀盘改良区；以及
[0008] 掘进过程中，对所述大刀盘改良区注入泡沫改良剂进行土体改良，对所述小刀盘 改良区注入聚合物泥浆进行土体改良，所述泡沫改良剂的注入率适配于大刀盘的扭矩，所 述聚合物泥浆的注入率适配于对应的小刀盘的扭矩。
[0009] 采用泡沫改良剂和聚合物泥浆，对应用于在矩形顶管的前端面划分的区域，对土 体进行改良，可以更好地适应大断面矩形顶管施工，较好地发挥改良材料的效用，能够解决 砂性土地层大断面矩形顶管掘进困难、开挖面不易稳定的难题。聚合物泥浆具有高粘度、低 比重和低滤失量，该改良材料适应于砂性土地层，使得改良后的砂性土地层具有良好的塑 性、粘聚力、较小的内摩擦角及渗透系数。对矩形顶管进行区域划分，改良部位的设计适应 大断面矩形顶管施工。
[0010] 本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述聚合物泥浆包 括高分子聚合物HS-1、钠基膨润土、以及水，以1:4:99的配比混合形成。
[0011] 本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述高分子聚合物 HS-I包括大、中分子量的聚丙烯酸盐、纤维素盐、抗盐抗钙剂、以及改性土。
[0012] 本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述聚合物泥浆的 比重为I. 04g/cm3,粘度大于40s，滤失量小于20ml。
[0013] 本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述泡沫改良剂由 泡沫剂与水混合形成，所述泡沫改良剂的泡沫浓度为3%，发泡率为15%，稳泡时间大于5 分钟。
[0014] 本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述小刀盘改良区 包括第一分区、第二分区、第三分区以及第四分区，所述的第一分区、第二分区、第三分区以 及第四分区内均设有注浆孔。
[0015] 本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，于所述小刀盘改良 区的第一分区、第二分区、第三分区、以及第四分区分别设置注浆泵，用于将所述聚合物泥 浆注入到所述小刀盘改良区。
[0016] 本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，于所述大刀盘改良 区设置两个加水泵和两个泡沫泵，通过泡沫泵输送的泡沫剂与所述加水泵输送的水混合形 成所述泡沫改良剂。
[0017] 本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述大刀盘的扭矩 以2500kN.m为基准，控制所述泡沫改良剂的注入率：
[0018] 当所述大刀盘的扭矩大于2500kN.m时，控制所述泡沫改良剂的注入率在10%至 15% ；
[0019] 当所述大刀盘的扭矩小于2500kN.m时，所述泡沫改良剂的注入率在5%至10% ; 以及
[0020] 当所述大刀盘的扭矩等于2500kN.m时，所述泡沫改良剂的注入率为10%。
[0021] 本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述小刀盘的扭矩 以150kN.m为基准，控制所述聚合物泥浆的注入率：
[0022] 当所述小刀盘的扭矩大于150kN.m时，所述聚合物泥浆的注入率在10%至12% ;
[0023] 当所述小刀盘的扭矩小于150kN.m时，所述聚合物泥浆的注入率在8%至10%;以 及
[0024] 当所述小刀盘的扭矩等于150kN.m时，所述聚合物泥浆的注入率为10%。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1为本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的流程图；以及
[0026] 图2为本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法中矩形顶管前端面区域划分结 构示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0028] 参阅图1，显示了本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的流程图。该大断面矩 形顶管掘进土体改良方法采用高分子聚合物HS-I、膨润土和水以一定比例混合形成聚合物 泥浆，具备高粘度、低比重、低滤失量的特性，可以很好的适应砂性土地层，通过泡沫改良剂 和聚合物泥浆对土体进行改良，且同时于矩形顶管的前端面上进行了区域划分，不同的区 域注入改良材料不同，于中心区域注入泡沫改良剂，四周的区域注入聚合物泥浆，解决了砂 性土地层大断面矩形顶管掘进困难，开挖面不易稳定的难题。下面结合附图对本发明大断 面矩形顶管掘进土体改良方法进行说明。
[0029] 参阅图1，显示了本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的流程图。下面结合图 1对本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法进行说明。
[0030] 如图1所示，本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法包括：
[0031] 执行步骤S11，按照断面形状对矩形顶管的前端面进行区域划分，划分为大刀盘改 良区和小刀盘改良区。
[0032] 按照断面形状将矩形顶管的前端面划分为两个大区域。结合图2所示，显示了矩 形顶管机的前端面，按照断面形状将矩形顶管的前端面划分为大刀盘改良区10和小刀盘 改良区，小刀盘改良区环设于大刀盘改良区的四周，其中大刀盘改良区10位于矩形顶管前 端面的中间位置，形状与矩形顶管的前端面形状相同；小刀盘改良区包括第一分区20、第 二分区30、第三分区40、以及第四分区50,第一分区20、第二分区30、第三分区40、以及第 四分区50环设于大刀盘改良区10的四周，该矩形顶管的前端面除大刀盘改良区10以外的 部分沿横纵中垂线等分，形成了四个分区。小刀盘改良区的第一分区20、第二分区30、第三 分区40、以及第四分区50内均设置有注浆孔，第一分区20内设置有八个注浆孔，第二分区 50内设置有七个注浆孔，第三分区30和第四分区40内分别设置有四个注浆孔，小刀盘改良 区的注浆孔的位置根据各区域内的小刀盘扭矩设计，合理的布设注浆孔可以使得小刀盘改 良区注入的改良材料均匀分布，更好地与砂性土地层混合。接着执行步骤S12。
[0033] 执行步骤S12,对大刀盘改良区注入泡沫改良剂进行土体改良，对小刀盘区域注入 聚合物泥浆进行土体改良。其中：
[0034] 泡沫改良剂的制作方法包括：提供泡沫剂，与水混合形成泡沫改良剂。泡沫剂采用 CONDATCLBF4AD型泡沫剂，产品标准如表1所示：
[0035]
【权利要求】
1. 一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，包括： 按照断面的形状在矩形顶管的前端面进行区域划分，划分为位于中间的大刀盘改良区 和环绕所述大刀盘改良区设置的小刀盘改良区；以及 掘进过程中，对所述大刀盘改良区注入泡沫改良剂进行土体改良，对所述小刀盘改良 区注入聚合物泥浆进行土体改良，所述泡沫改良剂的注入率适配于大刀盘的扭矩，所述聚 合物泥浆的注入率适配于对应的小刀盘的扭矩。
2. 如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述聚合物 泥浆包括高分子聚合物HS-1、钠基膨润土、以及水，以1:4:99的配比混合形成。
3. 如权利要求2所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述高分子 聚合物HS-1包括大、中分子量的聚丙烯酸盐、纤维素盐、抗盐抗钙剂、以及改性土。
4. 如权利要求3所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述聚合物 泥浆的比重为1. 04g/cm3,粘度大于40s，滤失量小于20ml。
5. 如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述泡沫改 良剂由泡沫剂与水混合形成，所述泡沫改良剂的泡沫浓度为3 %，发泡率为15 %，稳泡时间 大于5分钟。
6. 如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述小刀盘 改良区包括第一分区、第二分区、第三分区以及第四分区，所述的第一分区、第二分区、第三 分区以及第四分区内均设有注浆孔。
7. 如权利要求6所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，于所述小刀 盘改良区的第一分区、第二分区、第三分区以及第四分区分别设置注浆泵，用于将所述聚合 物泥浆注入到所述小刀盘改良区。
8. 如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，于所述大刀 盘改良区设置两个加水泵和两个泡沫泵，将所述泡沫泵输送的泡沫剂与所述加水泵输送的 水混合形成所述泡沫改良剂。
9. 如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述大刀盘 的扭矩以2500kN. m为基准，控制所述泡沫改良剂的注入率： 当所述大刀盘的扭矩大于2500kN.m时，控制所述泡沫改良剂的注入率在10%至15%; 当所述大刀盘的扭矩小于2500kN.m时，所述泡沫改良剂的注入率在5%至10% ;以及 当所述大刀盘的扭矩等于2500kN. m时，所述泡沫改良剂的注入率为10%。
10. 如权利要求1所述的大断面矩形顶管掘进土体改良方法，其特征在于，所述小刀盘 的扭矩以150kN. m为基准，控制所述聚合物泥浆的注入率： 当所述小刀盘的扭矩大于150kN.m时，所述聚合物泥浆的注入率在10%至12% ; 当所述小刀盘的扭矩小于150kN. m时，所述聚合物泥浆的注入率在8%至10% ;以及 当所述小刀盘的扭矩等于150kN.m时，所述聚合物泥浆的注入率为10%。
【文档编号】E21D11/10GK104265318SQ201410383485
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】黄 俊, 黄德中, 陈旭光, 李刚, 顾永辉, 吴列成, 张荣辉, 王旋东, 刘喜东, 田瑞端, 钱晓华, 顾炫曜, 范杰 申请人:上海隧道工程有限公司, 上海隧道盾构工程有限公司