砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法与流程

本发明涉及土质改良领域，具体而言，涉及一种砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法。

背景技术：

盾构技术在我国近二十年来得到长足的发展和进步，已经逐渐适应了从软土地基到风化岩地基中掘进，已经成为了我国城市隧道建设的主流方法。但是由于砂卵石具有卵石含量高，比如卵石含量达到70％以上，缺乏细颗粒的填充作用，土压盾构掘进中往往遇到难以改良到理想的流塑状态，在高水压条件下往往出现喷涌导致的超挖甚至坍塌，而且由于渣土改良不到位砂卵石渣土无法形成很好的整体性而导致离析分离，大的卵石无法排出螺旋排土器堆积压力舱掘进效率低下被迫开舱。砂卵石地层如何高效掘进已经成为了土压盾构技术急需突破的技术之一。目前我国土压盾构掘进中遇到砂卵石地层的城市主要有成都、兰州和大连、北京等。从目前施工的经验来看，容易走向两个极端，一是砂卵石渣土很难改良到位，二是改良过度造成一定的浪费，缺乏一种快速膨润土泥浆膨水比和掺入量的快速确定方法。

发明人在研究中发现，现有的相关技术中至少存在以下缺点：

无法确定掺入砂卵石渣土中的膨润土泥浆的经济膨水比，容易造成资源浪费或改良不到位。

技术实现要素：

本发明提供了一种砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法，改善现有技术的不足，其能够从渣土的塌落度实验确定砂卵石发生离析分离的膨水比分界线，即最小的经济膨水比，然后从满足土压盾构改良渣土的塌落度确定最经济的泥浆掺入量，避免了现场施工中膨润土泥浆掺入的盲目性导致的工程事故。既满足了砂卵石地层渣土改良的要求，又满足了节约施工和减少浪费的需要。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明的实施例提供了一种砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法，其包括以下步骤：

a.配制多组不同膨水比的膨润土泥浆；

b.设置多组砂卵石，每组所述砂卵石的质量相等，多组不同膨水比的所述膨润土泥浆分别掺入到多组所述砂卵石中，记录膨水比和掺入量，开展塌落度实验，测量每组所述砂卵石渣土改良后的塌落度，并记录砂卵石渣土改良后整体的和易性和离析情况；

c.通过所述膨水比和所述掺入量，计算每组所述膨润土泥浆中的膨润土干土的质量和水的质量，所述膨润土干土的质量和所述水的质量分别除以所述砂卵石质量得到膨砂比和水砂比；

d.以所述膨砂比和所述水砂比为三维图中的自变量x、y坐标，以所述塌落度为因变量z，做三维图；

e.从所述三维图得到塌落度变化曲率突变位置线，所述塌落度变化曲率突变位置线左右两侧分别为砂卵石渣土改良后整体和易性较好和发生离析分离的实验工况，所述塌落度变化曲率突变位置线的x\y即为经济膨水比，并通过塌落度指标要求确定最小的膨润土掺入量。

具体的，该砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法能够从渣土的塌落度实验确定砂卵石发生离析分离的膨水比分界线，即最小的经济膨水比，然后从满足土压盾构改良渣土的塌落度确定最经济的泥浆掺入量，避免了现场施工中膨润土泥浆掺入的盲目性导致的工程事故。既满足了砂卵石地层渣土改良的要求，又满足了节约施工和减少浪费的需要。

可选的，在步骤a中，不同膨水比的所述膨润土泥浆配置后搅拌均匀并静置。

可选的，所述静置时间设置为12小时。

可选的，所述塌落度实验为测量每组渣土改良后的所述砂卵石因自重自行塌落的高度差。

可选的，所述砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法还包括设置于步骤e之后的检测实验，所述检测实验被设置用于检测所述砂卵石渣土改良后的塑形流动指标。

可选的，所述检测实验包括对所述砂卵石渣土改良后的渗透性实验。

可选的，所述检测实验包括对所述砂卵石渣土改良后的临界喷涌压力实验。

可选的，所述检测实验包括对所述砂卵石渣土改良后的粘滞阻力实验。

可选的，在步骤a中，所述膨润土泥浆包括钠基膨润土泥浆和含高分子聚合物的膨润土泥浆。

可选的，在步骤b中，所述砂卵石的质量为12kg。

与现有的技术相比，本发明实施例的有益效果包括，例如：

该砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法能够从渣土的塌落度实验确定砂卵石发生离析分离的膨水比分界线，即最小的经济膨水比，然后从满足土压盾构改良渣土的塌落度确定最经济的泥浆掺入量，避免了现场施工中膨润土泥浆掺入的盲目性导致的工程事故。既满足了砂卵石地层渣土改良的要求，又满足了节约施工和减少浪费的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法的示意图；

图2为本发明提供的砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法的检测实验的示意图；

图3为本发明提供的实施例中的实验得到的三维图。

图标：100-砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法；10-配置膨胀土泥浆；11-开展塌落度实验；12-计算膨砂比和水砂比；13-绘制三维图；14-确定塌落度变化曲率突变位置线和最小的膨润土掺入量；15-检测实验；151-渗透性实验；152-临界喷涌压力实验；153-粘滞阻力实验。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明提供的砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法100的示意图。

请参照图1，本发明提供了一种砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法100，其包括以下步骤a.配置膨胀土泥浆10；b.开展塌落度实验11；c.计算膨砂比和水砂比12；d.绘制三维图13；e.确定塌落度变化曲率突变位置线和最小的膨润土掺入量14；f.检测实验15。

具体的，该砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法100能够从渣土的塌落度实验确定砂卵石发生离析分离的膨水比分界线，即最小的经济膨水比，然后从满足土压盾构改良渣土的塌落度确定最经济的泥浆掺入量，避免了现场施工中膨润土泥浆掺入的盲目性导致的工程事故。既满足了砂卵石地层渣土改良的要求，又满足了节约施工和减少浪费的需要。

值得说明的是，以上的步骤可以细分为以下几个过程。

a.配制多组不同膨水比的膨润土泥浆；

b.设置多组砂卵石，每组砂卵石的质量相等，多组不同膨水比的膨润土泥浆分别掺入到多组砂卵石中，记录膨水比和掺入量，开展塌落度实验11，测量每组砂卵石渣土改良后的塌落度，并记录砂卵石渣土改良后整体的和易性和离析情况；

c.通过膨水比和掺入量，计算每组膨润土泥浆中的膨润土干土的质量和水的质量，膨润土干土的质量和水的质量分别除以砂卵石质量得到膨砂比和水砂比；

d.以膨砂比和水砂比为三维图中的自变量x、y坐标，以塌落度为因变量z，做三维图；

e.从三维图得到塌落度变化曲率突变位置线，塌落度变化曲率突变位置线左右两侧分别为砂卵石渣土改良后整体和易性较好和发生离析分离的实验工况，塌落度变化曲率突变位置线的x\y即为经济膨水比，并通过塌落度指标要求确定最小的膨润土掺入量。

值得说明的是，在步骤a中，不同膨水比的膨润土泥浆配置后搅拌均匀并静置。在本实施例中静置时间为12h，12h的静置时间可以得到充分膨化达到最大粘度的膨润土泥浆。在本实施例中静置时间设置为12h并不构成对静置时间的限定，在别的实施例中根据具体实施环境的不同也可以选择其他时间以达到获得充分膨化达到最大粘度的膨润土泥浆，例如10h等。

还值得说明的是，塌落度实验为测量每组渣土改良后的砂卵石因自重自行塌落的高度差。

图2为本发明提供的砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法100的检测实验15的示意图。

请参照图2，检测实验15包括渗透性实验151、临界喷涌压力实验152和粘滞阻力实验153。

值得说明的是，通过以上实验可以保证获得的改良过后的砂卵石满足盾构施工的要求。

实施例

以下为该实验方法的一种具体实施例。

在某一轨道交通线工程区间，设置4座联络通道，隧道埋深为9.1～29m，穿越地层主要为密实砂卵石地层。隧道最大坡度28‰，盾构开挖直径8.634m，管片内径7.5m，管片外径8.3m。区间主要穿越中密卵石土以及密实卵石土。

现场针对该砂卵石地层，采用膨润土配制了膨水比1:2,1:4，1:6，1:8四种膨润土泥浆，充分搅拌并静置12h使其充分膨化达到达到最大粘度的泥浆。经过塌落度实验后显示，1:4掺入比为12.5％的流动度较差，掺入比1:6的流动度适宜，掺入比1:8的卵石和泥浆发生了离析现象。

本实验中，砂卵石含水率为4.5％，其中砂质量(砂卵石除去20mm以上卵石剩下的砂质量)占总砂卵石质量的30％。将各种实验工况中掺入的膨润土泥浆分解成膨润土干土和水的质量，并分别除以砂卵石中的砂质量得到膨砂比和水砂比，与坍落度指标作出一三维图形(请参照图3)。从中可以得出砂卵石发生离析分离的膨水比的界限膨水比为1：6.5。并根据土压盾构砂卵石渣土改良要求塌落度范围150-200mm之间，确定膨水比1：6.5膨润土泥浆掺入比(与砂卵石质量比)为7.5％-12.75％。

最后，进行试验验证以上得到的最经济的膨润土泥浆配方对砂卵石改良的效果。配制膨水比1:6.5钠基膨润土泥浆，在总重12kg的砂卵石中进行拌合均匀，掺入质量比为8％(960g)的钠基膨润土泥浆进行砂卵石改良实验，进行渣土的塌落度得到17.2cm，渗透系数为7.6×10^-5cm/s，与金属的粘滞阻力为205pa。满足盾构施工的要求，经过现场施工监测达到了预期，验证了三维曲面图得出的界限膨水比结论，减少了大量膨润土使用量和费用。

综上所述，本发明提供了一种砂卵石地层土压盾构浓泥浆渣土改良经济配方的确定方法100，其包括以下步骤a.配置膨胀土泥浆10；b.开展塌落度实验11；c.计算膨砂比和水砂比12；d.绘制三维图13；e.确定塌落度变化曲率突变位置线和最小的膨润土掺入量14；f.检测实验15。其能够从渣土的塌落度实验确定砂卵石发生离析分离的膨水比分界线，即最小的经济膨水比，然后从满足土压盾构改良渣土的塌落度确定最经济的泥浆掺入量，避免了现场施工中膨润土泥浆掺入的盲目性导致的工程事故。既满足了砂卵石地层渣土改良的要求，又满足了节约施工和减少浪费的需要。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

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