一种适用于粉细砂地层盾构施工的泡沫渣土改良方法

1.本发明涉及盾构施工技术领域，具体涉及一种适用于粉细砂地层盾构施工的泡沫渣土改良方法。


背景技术：

2.随着城市化进程的加快，城市地铁设施作为地下空间开发利用的重点得到的迅速发展。城市地铁修建方法常有明挖法暗挖法，暗挖法包括顶管法和盾构法，其中盾构法因其施工速度快、对周围环境影响较小和施工工序相对简单得到了广泛使用。由于砂土、粉砂和粉细砂具有内摩擦角大、流塑性差等特点，盾构在粉细砂地层中掘进时常会遇到出土困难、刀盘刀具磨损严重等问题，造成盾构刀盘推力和扭矩波动较大，掘进速度缓慢，同时对周围土体产生较大扰动，这使得土体改良日益得到重视，施工中使土体具有良好的流塑性是土压平衡盾构顺利、高效掘进的重要保障。
3.目前关于盾构渣土改良技术主要集中在砂卵石层和黏土地层，对于粉细砂层研究较少，而在粉细砂地层中盾构掘进时，由于砂土和粉细砂土的内摩擦角大、渗透系数大、压缩性低、流塑性差，导致无法满足止水要求、盾构出渣困难、开挖时地层对土仓压力的敏感性较大、对刀盘刀具磨损严重等一系列问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种适用于粉细砂地层盾构施工的泡沫渣土改良方法，以解决现有盾构渣土改良方法主要集中在砂卵石和黏土地层，缺少对粉细砂地层的研究，使盾构施工时存在粉细砂地层盾构出渣困难、开挖时地层对土仓压力的敏感性较大、对刀盘刀具磨损严重的问题。
5.本发明提供的一种适用于粉细砂地层盾构施工的泡沫渣土改良方法，包括：
6.s1、向盾构土仓内注入一定量的水，使渣土含水率在预设范围内；
7.s2、通过土仓隔板和刀盘上的喷口加入根据渣土含水率配置好的泡沫液；所述泡沫液的加入速率是根据渣土处于目标含水率时的稠度值c和塌落度值t确定，所述加入速率为盾构每掘进一环需注入的泡沫液体积；
8.s3、在粉细沙地层中掘进时监控渣土状态，根据渣土状态调整泡沫液的注入比；当粉细砂地层盾构的泡沫渣土参数满足预设值时，确定渣土符合改良需求。
9.由上述技术方案可知，本发明提供的一种适用于粉细砂地层盾构施工的泡沫渣土改良方法，针对粉细砂地层内摩擦角大，流塑性差的特点，采用稠度和塌落度作为评价指标，可有效解决盾构出渣困难以及对刀盘刀具磨损严重的问题。
10.可选地，步骤s1中为使渣土含水量在预设范围内，向盾构土仓内的注水量根据如下公式确定，m
l
为向盾构土仓内的注水量，
11.12.其中，ms为每环渣土的质量，ws为当前渣土含水率，w为改良渣土目标含水率。
13.可选地，步骤s2包括：
14.分别建立稠度值c与渣土含水率w、泡沫外掺量fir的关系模型，和，塌落度值t与渣土含水率w、泡沫外掺量fir的关系模型；
15.获取稠度值c、塌落度值t和渣土含水率w在预设范围内时的泡沫外掺量fir；
16.根据所述泡沫外掺量fir及每环渣土的体积vs，确定盾构每掘进一环需添加的泡沫液体积vf。
17.可选地，所述稠度值c与渣土含水率w、泡沫外掺量fir的关系模型表达式为
18.c＝30.7fir
2-302.75w2+242.05w+10.96fir-41.08；
19.所述塌落度值t与渣土含水率w、泡沫外掺量fir的关系模型表达式为
20.t＝86.8fir
2-1272.64w2+902.12w+20.28fir-148.56；
21.其中，c为稠度值，t为塌落度值，fir为泡沫外掺量，w为渣土含水率。
22.可选地，所述盾构每掘进一环需添加的泡沫液体积vf根据如下公式确定，
[0023]vf
＝vs×
fir，
[0024]
其中，每环渣土的体积d为盾构开挖直径/m，l为每环管片宽度/m，ε为渣土松散系数。
[0025]
可选地，步骤s2还包括：
[0026]
根据所述盾构每掘进一环需添加的泡沫液体积vf确定每掘进一环所需的发泡剂体积vg；其中，w为泡沫液的体积分数，efr
′
为发泡剂在土仓压力p时的发泡倍率。
[0027]
可选地，所述发泡剂在土仓压力p时的发泡倍率efr
′
根据如下公式确定，
[0028][0029]
其中，fer为标准大气压p0下的发泡倍率。
[0030]
采用上述技术方案，本技术具有如下有益效果：
[0031]
本发明针对粉细砂地层内摩擦角大，流塑性差的特点，采用稠度和塌落度作为评价指标，从稠度和塌落度两个维度出发，针对粉细砂地层渣土，形成泡沫外掺量fir与稠度值c以及泡沫外掺量fir与塌落度值t的关系模型表达式，以考虑到粉细砂地层在施工时稠度和塌落度的影响，稠度决定着渣土的流塑性，塌落度决定着开挖时地层对土仓压力的敏感性，可有效解决盾构出渣困难以及对刀盘刀具磨损严重的问题。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0033]
图1示出了本发明实施例提供的一种适用于粉细砂地层盾构施工的泡沫渣土改良方法的流程图；
[0034]
图2示出了本发明实施例提供的一种适用于粉细砂地层盾构施工的泡沫渣土改良方法的流程图。
具体实施方式
[0035]
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0036]
需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
[0037]
本实施例盾构渣土取自南通市轨道交通2号线某盾构区间，该盾构区间隧道直径d为6.2m，每环管片宽度l为1.2m，盾构土仓压力p约为1.5bar，取土地层为粉砂夹砂质粉土地层，通过现场取样测定天然含水率为25％，通过筛分法和密度计法等土工试验，测得粉细砂不均匀系数cu和曲率系数cc分别为2.39和0.99。根据土工试验规程，不均匀系数cu≥5，曲率系数1≤cc≤3时为级配良好的土，否者为级配不良土。根据试验结果，确定本实施例盾构渣土为级配不良粉细砂，因此需要对其进行改良。
[0038]
图1示出了本发明实施例提供的一种适用于粉细砂地层盾构施工的泡沫渣土改良方法的流程图。如图1所示，根据本发明实施例的一种适用于粉细砂地层盾构施工的泡沫渣土改良方法，包括：
[0039]
s1、向盾构土仓内注入一定量的水，使渣土含水率在预设范围内。
[0040]
其中，步骤s1中为使渣土含水量在预设范围内，向盾构土仓内的注水量根据如下公式确定，m
l
为向盾构土仓内的注水量，
[0041][0042]
上式中，ms为每环渣土的质量，ws为当前渣土含水率即天然含水率25％，w为改良渣土目标含水率即预先确定本实施例中渣土的最佳含水率32.5％。基于上式，确定的向盾构土仓内的注水量，进一步得到注水体积为2.4m3。
[0043]
s2、通过土仓隔板和刀盘上的喷口加入根据渣土含水率配置好的泡沫液；泡沫液的加入速率是根据渣土处于目标含水率时的稠度值c和塌落度值t确定，加入速率为盾构每掘进一环需注入的泡沫液体积。
[0044]
其中，如图2所示，步骤s2具体包括：
[0045]
s201、分别建立稠度值c与渣土含水率w、泡沫外掺量fir的关系模型，和，塌落度值t与渣土含水率w、泡沫外掺量fir的关系模型。
[0046]
具体地，稠度值c与渣土含水率w、泡沫外掺量fir的关系模型表达式为
[0047]
c＝30.7fir
2-302.75w2+242.05w+10.96fir-41.08；
[0048]
塌落度值t与渣土含水率w、泡沫外掺量fir的关系模型表达式为
[0049]
t＝86.8fir
2-1272.64w2+902.12w+20.28fir-148.56；
[0050]
其中，c为稠度值，t为塌落度值，fir为泡沫外掺量，w为渣土含水率。
[0051]
s202、获取稠度值c、塌落度值t和渣土含水率w在预设范围内时的泡沫外掺量fir。
[0052]
通过预先测定，稠度值c范围应在8-10cm，塌落度值t范围应在15-20cm，故测得的
泡沫外掺量fir，以及前述预先确定的改良渣土目标含水率w为32.5％，从而确定的目标泡沫外掺量fir为15％。
[0053]
s203、根据所述泡沫外掺量fir及每环渣土的体积vs，确定盾构每掘进一环需添加的泡沫液体积vf。
[0054]
基于确定的目标泡沫外掺量fir，所述盾构每掘进一环需添加的泡沫液体积vf根据如下公式确定，
[0055]vf
＝vs×
fir，
[0056]
其中，每环渣土的体积d为盾构开挖直径/m，l为每环管片宽度/m，ε为渣土松散系数。在本实施例中，每环渣土的体积vs为40.56m3，盾构每掘进一环需添加的泡沫液体积vf为6.08m3，渣土松散系数ε为1.12。
[0057]
本实施例针对粉细砂地层内摩擦角大，流塑性差的特点，采用稠度和塌落度作为评价指标，从稠度和塌落度两个维度出发，针对粉细砂地层渣土，形成泡沫外掺量fir与稠度值c以及泡沫外掺量fir与塌落度值t的关系模型表达式，以考虑到粉细砂地层在施工时稠度和塌落度的影响，稠度决定着渣土的流塑性，塌落度决定着开挖时地层对土仓压力的敏感性，通过以上两个指标，可有效解决盾构出渣困难以及对刀盘刀具磨损严重的问题。
[0058]
在一个可能的实施方式中，步骤s2还包括：
[0059]
根据所述盾构每掘进一环需添加的泡沫液体积vf确定每掘进一环所需的发泡剂体积vg；其中，w为的泡沫液中发泡剂的体积分数，efr
′
为发泡剂在土仓压力p时的发泡倍率。
[0060]
可选地，发泡剂在土仓压力p时的发泡倍率efr
′
根据如下公式确定，
[0061][0062]
其中，fer为标准大气压p0下的发泡倍率。
[0063]
泡沫液中发泡剂的体积分数w以及标准大气压p0下发泡剂的发泡倍率fer取决于发泡剂的自身性质，本实施例中体积分数w＝3％，在当前土仓压力p为1.5bar时的发泡倍率efr
′
为11.5，每掘进一环所需发泡剂体积vg为1.59
×
10-2
m3。
[0064]
s3、在粉细沙地层中掘进时监控渣土状态，根据渣土状态调整泡沫液的注入比；当粉细砂地层盾构的泡沫渣土参数满足预设值时，确定渣土符合改良需求。
[0065]
基于本实施例的方法，当前施工环境下粉细砂地层盾构的最佳泡沫渣土改良参数为：渣土含水率w＝32.5％、泡沫外掺量fir＝15％，此时发泡剂的发泡倍率维持在12倍左右，半衰期约为10min，改良后的渣土的塌落度值约为16.5cm左右，符合区间15-20cm的要求，且没有出现析水和析泡沫现象时，渣土流塑性好，能够很好的满足盾构施工要求。
[0066]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0067]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。