本发明属于建筑施工技术领域，特别涉及一种砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘渣土改良施工方法。
背景技术：
砂卵石地层矩形盾构顶掘施工能否顺利进行的一个重要因素就是渣土改良，渣土改良是指向刀盘切削下来的流塑性很差的土体中加入渣土改良剂，通过搅拌棒充分搅拌之后形成一种塑性流动状态的渣土，使其通过螺旋输送机排出，若土体具有流塑性差、渗透性强、孔隙率和内摩擦角大等特点，渣土很难通过螺旋输送机顺利排出，对正常掘进施工产生较大影响，因此需要对渣土进行改良使其形成塑性流动状态。
以成都市四川大学地下停车场下穿人民南路矩形盾构顶掘人行通道工程为依托，成都市四川大学地下停车场下穿人民南路矩形盾构顶掘人行通道主要从卵石层中穿过，成都市人民南路三段砂卵石地层卵石含量高、土体摩阻力大而难以具备很好的流动性，在掘进过程中当这种流塑性差的土体充满土仓和螺旋输送机时，无法顺利有效地进行排渣会造成刀盘和螺旋输送机扭矩增大，影响正常掘进，因此针对该砂卵石地层进行有效的渣土改良对于整个通道的施工是至关重要的。
技术实现要素：
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够提高渣土的流塑性，确保渣土顺利排出以及开挖面稳定的砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘渣土改良施工方法。
本发明的技术方案是这样实现的：砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘渣土改良施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）、对于砂卵石地层土体的分析，所述砂卵石地层包括卵石层和砂土层，所述卵石层的土体中，稍密卵石层的卵石含量为55%～60%，粒径为3 mm～5mm，中密卵石层的卵石含量为60%～70%，粒径为4 mm～5mm，密实卵石层的卵石含量大于70%，粒径为5 mm～8mm；所述砂土层的土体中，细砂层的层厚为1.5m～2.7m，中砂层的层厚为0.8m～1.1m，所述细砂层和中砂层均由长石、石英及砂岩的硬质颗粒组成；
b）、针对上述砂卵石地层的特有组成结构，制备渣土改良剂，所述渣土改良剂包括钠基膨润土和泡沫剂；针对砂卵石地层的土质，将泡沫剂原液与水混合，配制成浓度为2%～2.5%的溶液，发泡倍数设定为10～12倍，泡沫剂注入率为100%；将钠基膨润土与水混合，均匀搅拌并静置膨化，配制成6%～8%的钠基膨润土泥浆；
c）、改良剂的喷放，制备的泡沫泵送到刀盘面板的泡沫喷口喷出，制备的钠基膨润土泥浆泵送到刀盘面板的泥浆喷口喷出，针对上述砂卵石地层土质的特性，矩形盾构顶掘机在顶掘过程中，采用向上部刀盘注入钠基膨润土泥浆，下部刀盘注入泡沫剂的方式进行土体改良。
本发明所述的砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘渣土改良施工方法，其在所述步骤b）中，泡沫剂原液与清水在混合箱中搅拌均匀之后，由泡沫混合泵泵送至泡沫发生器中与空气混合后形成泡沫，并被泵送到矩形盾构顶掘机下部刀盘面板的泡沫喷口喷出；钠基膨润土和清水在膨润土搅拌罐中搅拌均匀之后，泵送至储浆罐中，充分膨化后的钠基膨润土泥浆由泥浆泵泵送到矩形盾构顶掘机上部刀盘面板的泥浆喷口喷出。
本发明针对特定状况下的砂卵石地层结构，采用钠基膨润土和泡沫剂相配合的渣土改良剂，在整个矩形盾构顶掘施工过程中，使开挖掌子面保持了良好的稳定性，刀盘刀具磨损轻微，刀盘及螺机扭矩均在正常范围内，并且通过从上部刀盘注入钠基膨润土泥浆，下部刀盘注入泡沫剂的方式，不仅可以有效提高砂卵石土体的流塑性，而且能够防止泡沫剂从路面及绿化带渗出。
本发明的有益效果是：
1、提高了开挖面砂卵石土体的流塑性，提高了排渣效率，避免因排渣不畅导致螺旋输送机堵塞，影响正常掘进。
2、降低了掌子面砂卵石土体及土仓内渣土的内摩擦角，从而减小刀盘、刀具和螺旋输送机叶片的磨损，降低掘进过程中刀盘和螺机的扭矩。
3、提高了土仓内砂卵石土体的可塑性，防止刀盘结泥饼。
4、提高了渣土抗渗透能力，避免掌子面因排水固结造成较大的地面沉降或者坍塌。
具体实施方式
下面对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：一种砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘渣土改良施工方法，包括以下步骤：
a）、对于砂卵石地层土体的分析，所述砂卵石地层包括卵石层和砂土层，所述卵石层的土体中，稍密卵石层的卵石含量为55%～60%，粒径为3 mm～5mm，天然重度γ为20.5 kN/m3，变形模量Eo为20～26 Mpa，内摩擦角Φ为30°～37°，承载力特征值fak为300-350 kPa；中密卵石层的卵石含量为60%～70%，粒径为4 mm～5mm，天然重度γ为21.0 kN/m3，变形模量Eo为30～36 Mpa，内摩擦角Φ为40°～45°，承载力特征值fak为500～560 kPa；密实卵石层的卵石含量大于70%，粒径为5 mm～8mm，天然重度γ为22.0 kN/m3，变形模量Eo为42～50 Mpa，内摩擦角Φ为42°～47°，承载力特征值fak为800～880 kPa；所述砂土层的土体中，细砂层的层厚为1.5m～2.7m，天然重度γ为18.5 kN/m3，变形模量Eo为6～9 Mpa，内摩擦角Φ为18°～23°，承载力特征值fak为90～100 kPa；中砂层的层厚为0.8m～1.1m，天然重度γ为19.0 kN/m3，变形模量Eo为7～10 Mpa，内摩擦角Φ为19°～24°，承载力特征值fak为110～120 kPa，所述细砂层和中砂层均由长石、石英及砂岩的硬质颗粒组成。
通过土体分析数据可知，矩形盾构顶掘穿越的砂卵石地层内摩擦角较大，对盾构顶掘机的刀盘和螺机产生较大磨损并且在土仓中容易出现闭塞情况。同时该地层卵石含量较高、粒径较大，在顶掘施工过程中容易因渣土流动性差造成排渣设备堵塞和刀盘结泥饼，因此针对该砂卵石地层进行有效的渣土改良对于整个通道的施工是至关重要的。
b）、针对上述砂卵石地层的特有组成结构，制备渣土改良剂，所述渣土改良剂包括钠基膨润土和泡沫剂；针对砂卵石地层的土质，将泡沫剂原液与水混合，配制成浓度为2.5%的溶液，发泡倍数设定为12倍，泡沫剂注入率为100%；将钠基膨润土与水混合，均匀搅拌并静置膨化，配制成7%的钠基膨润土泥浆。
其中渣土改良剂的制备是针对矩形盾构顶掘施工穿越的人民南路三段砂卵石地层土体颗粒级配差、粘聚性差和摩擦力大的特点，基于具体实验得到的，采用上述制备的钠基膨润土泥浆和泡沫剂能够对土体进行改良提高流塑性，减少对刀盘和排渣设备的磨损，提高渣土输送性能。
具体实验过程如下：
实验使用的砂卵石土体取自矩形盾构顶掘施工现场，实验仪器包括砂浆搅拌机、水泥胶砂流动度测定仪、高速搅拌器、量筒、烧杯。
（1）泡沫剂的制备
针对砂卵石地层土样，在进行发泡时，将泡沫剂原液配制成浓度为2.5%的溶液，发泡倍数设定为12倍。即用量筒量取975ml水，放入容积为25L的空桶内，随后加入25ml泡沫剂，用高速搅拌器进行搅拌，当泡沫的体积发至12L的刻度线时停止发泡。将改良前的砂卵石土体装入放置于流动度测定台上的截锥圆模内，提起圆模，土体呈自然堆积状，振动台振动25次后，土体呈分散状。取1L土样放入砂浆搅拌机中，加入1000ml泡沫，搅拌1min后观察土体改良的情况。将改良后的砂卵石土体500ml放入量杯中，倒置于振动台，提起量杯土体均匀下沉，振动台振动25次后土体均匀扩散，在扩散过程中保持良好的粘聚性和均匀性。
经过上述配合比的泡沫剂改良后的砂卵石土体坍落度范围为116mm至145mm，放置在振动台经过25次振动后能够表现出良好的粘聚性和均匀性，初步证明这种泡沫剂能够较好地改良本地段的砂卵石土体，提高渣土运输效率、减小刀盘和螺旋输送机的磨损。
从上述实验结果可以看出，泡沫剂掺量为2.5%，发泡倍数12倍，注入率100%时能够对土体进行有效改良。改良后的砂卵石土体具有良好的均匀性，粗细颗粒在泡沫的作用下分布均匀，在振动情况下呈现出良好的粘聚性，整体流塑性得到很大改善。这将有利于刀盘的切削和螺旋输送机的运输，同时能够降低对刀盘和螺旋输送机的磨损。
（2）钠基膨润土泥浆的配制
用量筒量取1L水，按照一定的配合比例向水中加入钠基膨润土，均匀搅拌5min之后静置膨化12h。根据实验需求配制出不同配比的膨润土浆液。从施工现场取回体积为5L的砂卵石土，将这些土平均分成5份加入到预先配制的膨润土泥浆中充分搅拌5min，然后将这5份经过改良的砂卵石土体放到振动台上振动25次，根据土体的粘聚性和均匀性，判断膨润土泥浆对砂卵石土体的改良效果，选出适合砂卵石地层渣土改良的膨润土泥浆配合比。根据施工现场技术人员观察对比后发现7%的膨润土泥浆（即钠基膨润土的质量占泥浆总质量的百分比）改良效果满足掘进要求，土体流塑性较好。
经过上述制备的钠基膨润土改良后的砂卵石土体坍落度范围为133mm至156mm，膨润土泥浆能够把卵石和砂良好地结合在一起，通过发挥膨润土自身胶质润滑的特点，提高了砂卵石土体的粘滞性和流动性，在掘进过程中有效改善螺旋输送机的工作环境使渣土顺利排出，防止螺旋输送机出现堵塞现象。
c）、改良剂的喷放，制备的泡沫泵送到刀盘面板的泡沫喷口喷出，制备的钠基膨润土泥浆泵送到刀盘面板的泥浆喷口喷出，针对上述砂卵石地层土质的特性，矩形盾构顶掘机在顶掘过程中，采用向上部刀盘注入钠基膨润土泥浆，下部刀盘注入泡沫剂的方式进行土体改良。通道正式贯通之后统计分析整个施工过程中刀盘扭矩的变化，刀盘最大扭矩均未超出额定值，并且在掘进过程中螺旋输送机正常出渣时扭矩范围在13至50KN·m，小于额定值72KN·m。由此可以判断泡沫剂和膨润土浆液对掌子面的砂卵石土体改良取得了良好的效果，有效降低了刀盘及螺机扭矩，保证了开挖掌子面的稳定，没有造成刀盘及螺机因扭矩过大而卡停，影响正常掘进的现象。
其中，在所述步骤b）中，泡沫剂原液与清水在混合箱中搅拌均匀之后，由泡沫混合泵泵送至泡沫发生器中与空气混合后形成泡沫，并被泵送到矩形盾构顶掘机下部刀盘面板的泡沫喷口喷出；钠基膨润土和清水在膨润土搅拌罐中搅拌均匀之后，泵送至储浆罐中，充分膨化后的钠基膨润土泥浆由泥浆泵泵送到矩形盾构顶掘机上部刀盘面板的泥浆喷口喷出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。