专利连载14:一种土压平衡盾构通用型渣土改良剂及渣土改良方法
一种土压平衡盾构用通用型渣土改良剂及渣土改良方法
技术领域
本发明涉及土压平衡盾构渣土改良，特别涉及一种土压平衡盾构用通用型渣土改良剂及渣土改良方法。
背景技术
盾构法凭借其安全、可靠、快速、经济、环保等优势广泛应用于各大城市地铁。土压平衡盾构越来越多地应用于城市地铁隧道施工。土压平衡盾构渣土改良在盾构施工中占有十分重要的地位。现在渣土改良材料主要有泡沫、膨润土泥浆、聚合物水溶液和水等。泡沫由于发泡率高、润滑性好、成本低、操作方便等多种优势在土压平衡盾构渣土改良中占有重要地位，广泛应用于淤泥质地层、泥岩地层、砂层和砂卵石地层等各种岩土地层中。现今一般选用两种渣土改良材料进行综合渣土改良，如砂卵石地层选用泡沫和膨润土泥浆，泥岩地层选用泡沫和水，含水丰富的砂层选用泡沫和聚合物水溶液等。但在盾构实际施工中经常发生结泥饼或喷涌的情况，喷涌后加了聚合物也会出现结泥饼的情况，结泥饼后采用分散剂也很难将泥饼泡开。由于市场上的盾构专用聚合物、分散剂成本较高，盾构项目施工时只是出现问题时再使用，导致土压平衡盾构施工结泥饼或喷涌的现象经常发生。现急需找到一种成本低、通用型的渣土改良剂，通过在盾构掘进过程中注入，即不会结泥饼，也不会喷涌，还能提高施工进度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种土压平衡盾构用通用型渣土改良剂及渣土改良方法。除采用泡沫改良外，通过不同位置注入低浓度的聚丙烯酰胺和聚丙烯酸纳的水溶液，综合改良渣土，使渣土达到外部水无法侵入、内部水不容易流失、颗粒间不容易粘结（即不容易结泥饼也不容易喷涌）的流塑状态。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
由高分子量（1000～1600万）的阴离子聚丙烯酰胺和低分子量（3000～5000）的聚丙烯酸纳根据不同地层按不同比例（对于砂卵石地层和砂层聚丙烯酰胺占比高些，对于泥岩和粘土地层聚丙烯酸纳占比高些）配制成通用型渣土改良剂，渣土改良剂加水形成低浓度渣土改良剂混合液。盾构掘进过程中，除刀盘前方注入泡沫之外，一般在刀盘前方中心、土舱中心和土舱上方三个位置注入渣土改良剂混合液，渣土改良剂混合液与渣土充分接触、混合，形成塑性状态的渣土。利用低浓度聚丙烯酰胺水溶液呈网状结构特点，低浓度聚丙烯酰胺水溶液在渣土颗粒间通过机械的、物理的、化学的作用将渣土颗粒聚合在一起，渣土内大部分水以弱结合水形态存在于渣土中。由于低浓度聚丙烯酰胺水溶液呈网状结构特点，渣土外部的水不容易侵入渣土内（渣土不会被稀释，不会造成喷涌），渣土内部的水不容易流失（不会失水固结，不会造成结泥饼）。低浓度聚丙烯酸纳水溶液在渣土颗粒表面形成吸附层，使颗粒表面的电荷增加，提高形成立体阻碍的颗粒间的排斥力，同时渣土颗粒表面形成双电层结构，使双电层厚度增加，颗粒间因静电斥力而远离，对渣土颗粒间具有良好的分散性能，颗粒间不容易粘结，可降低渣土结泥饼的机率。低浓度的聚丙烯酰胺水溶液和低分子量低浓度的聚丙烯酸纳水溶液都能使渣土体系均匀，悬浮性能增加，渣土不分层，土舱内渣土均匀。
设计三套单管单泵渣土改良系统，每套系统含有变频电机、螺杆泵、流量传感器等部件，三套改良系统的通用型渣土改良剂混合液分别注入到刀盘前方中心、土舱中心和土舱上方，对刀具切削下来的渣土进行全方位改良。由于加入的通用型渣土改良剂是市场上常规产品，单位体积渣土用量极低，渣土改良成本低。
本发明的有益效果是：本发明提供一种土压平衡盾构用通用型渣土改良剂及渣土改良方法，渣土改良剂稀释为低浓度水溶液注入到刀盘前方和土舱内，经改良的流塑性渣土不会被外部水稀释，内部水也不容易流失，渣土颗粒间不容易粘结。渣土改良系统采用变频控制，加入的量与浓度可实时控制，改良后的渣土即不容易喷涌、也不容易结泥饼，同时渣土改良成本低，值得全国范围推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式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为通用型渣土改良系统结构示意图；
图中，1-原液罐，2-第一截止阀，3-第一液位传感器，4-第一变频螺杆泵，5-第一安全溢流阀，6-第一液体流量传感器，7-第二液体流量传感器。 8-电动开关，9-第一单向阀，10-混合箱，11-第二液位传感器，12-第三液位传感器，13-第四液位传感器，14-第二截止阀，15-第二变频螺杆泵，16-第二安全溢流阀，17-第三液体流量传感器，18-压力表， 19-压力传感器，20-第二单向阀，21-第三截止阀。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式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方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，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设备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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果含有术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果存在第一特征在第二特征之上或之下，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。如果存在第一特征在第二特征之下、下方和下面，包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
1）通用型渣土改良剂由高分子量（1000～1600万）的阴离子聚丙烯酰胺和低分子量（3000～5000）的聚丙烯酸纳组成，与水混合生成渣土改良剂原液。不同地层采用不同的配合比，将渣土改良成即不容易结饼又不容易喷涌的状态。通用型渣土改良剂原液配合比如下表：
|
地层 |
阴离子聚丙烯酰胺（1600万分子量，kg） |
聚丙烯酸纳（5000分子量，kg） |
水（kg） |
|
砂卵石 |
5 |
2 |
1000 |
|
砂 |
5 |
2 |
1000 |
|
泥岩 |
4 |
4 |
1000 |
|
粘土 |
4 |
5 |
1000 |
如上表可知，通用型渣土改良剂原液主要由聚丙烯酰胺、聚丙烯酸纳和水混合生成，地层颗粒越大（如砂卵石、砂等）含的聚丙烯酰胺浓度越高，聚丙烯酸纳浓度越低，地层颗料越小（如泥岩、粘土等）含的聚丙酰胺浓度稍低，聚丙烯酸纳浓度越高。利用聚丙烯酰胺水溶液呈网状结构特点，使改良后的渣土具有外部水侵不进来，内部水也出不去的特性。利用聚丙烯酸纳水溶液在渣土颗粒表面形成双电层结构，使改良后的渣土颗粒间具有因静电斥力而远离，颗粒间不容易粘结的特性。通用型渣土改良剂原液可根据地层含水量等实际情况对聚丙烯酰胺与聚丙烯酸纳加入量进行适当调整。
2）如图1所示，渣土改良系统由渣土改良剂混合单元和渣土改良剂注入单元组成。渣土改良剂混合单元由原液罐1、第一截止阀2、第一液位传感器3、第一变频螺杆泵4、第一安全溢流阀5、第一液体流量传感器6、第二液体流量传感器7、电动开关8、第一单向阀9、混合箱10、第二液位传感器11、第三液位传感器12、第四液位传感器13、相关管路等部件组成。渣土改良剂注入单元由三套设备构成。每套设备由第二截止阀14、第二变频螺杆泵15、第二安全溢流阀16、第三液体流量传感器17、压力表18、压力传感器19、第二单向阀20、第三截止阀21、相关管路等部件组成。三套设备出口分别接到刀盘中心前方、土舱中心和土舱上方。
3）如图1所示，渣土改良剂混合单元工作流程与程序控制如下：原液罐1内是通用型渣土改良剂原液。当第三液位传感器12显示为空（混合箱10即将为空）时，程序自动打开电动开关8、高压水从水进口进入管路，第二液体流量传感器7显示水流量，根据盾构司机输入的通用型渣土改良剂原液在水中所占的浓度（如1%）计算出理论渣土改良剂原液流量，第一变频螺杆泵4启动，将渣土改良剂原液泵入管路，与水进口进入的高压水混合，通过第二液体流量传感器7测量的流量与计算出来的理论渣土改良剂原液流量对比，实时调整第一变频螺杆4转速，以达到实际流量与理论流量无限接近的目的。高压水与渣土改良剂原液混合后经第一单向阀9进入混合箱10。当第一液位传感器3显示为空（原液箱1内无渣土改良剂原液）时，第一变频螺杆泵4不允许启动。当第一变频螺杆泵4泵出渣土改良剂原液压力高于第一安全溢流阀5溢流压力时，第一安全溢流阀5打开，渣土改良剂原液溢流回原液罐1，保护第一变频螺杆泵4。当第二液位传感器11显示为满（混合箱10为满）时，电动开关8关闭，同时第一变频螺杆泵4关闭。
4）如图1所示，渣土改良剂注入单元工作流程与程序控制如下：随着盾构掘进，刀盘前方注入泡沫进行渣土改良的同时，启动渣土改良剂注入单元三套设备中的一套、二套或三套，渣土改良剂混合液经第二截止阀14，进入第二变频螺杆泵15入口，变频螺杆泵15出口泵出高压混合液经第三液位流量传感器17、压力表18、压力传感器19、第二单向阀20、第三截止阀21进入渣土改良部位。程序根据盾构司机输入的每套设备混合液所需流量与第三液体流量传感器17实际流量进行对比，可实时调整第二变频螺杆泵15转速，以达到无限接近混合液设计流量的目的。当第二变频螺杆泵15泵出渣土改良剂混合液压力高于第二安全溢流阀16溢流压力时，第二安全溢流阀16打开，渣土改良剂混合液溢流回混合箱10，保护第二变频螺杆泵15。当第四液位传感器13显示为空（混合箱10为空）时，第二变频螺杆泵15不允许启动。
8）通过现场的实际使用，土压平衡盾构施工注入泡沫的同时，采用低浓度的聚合烯酰胺和聚丙烯酸纳混合液通过渣土改良系统注入到刀盘前方中心、土舱中心和土舱上方，对刀具切削下来的渣土进行全方位改良，改良后的渣土即不容易喷涌、也不容易结泥饼，同时渣土颗粒间不容易粘结，提高了施工进度，降低了施工成本。
以上所述只是用图解说明本发明一种土压平衡盾构用通用型渣土改良剂及渣土改良方法的一些原理及功能，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物均属于本发明所申请的专利范围。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。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，应当指出的是，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。
图1