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沙砾及砂卵地层盾构施工中A聚合物 替代膨润土进行土体改良的研究2018-10-16 16:52


    沙砾及砂卵地层盾构施工中A聚合物

    替代膨润土进行土体改良的研究

    侯德超   于伟鹏   宋洪雁

    (沈阳鑫山盟建材有限公司)

    摘要:砂质及沙砾、砂卵地层的特点为颗粒粒径较大,内摩擦角较大。针对该地层一般应用泡沫降低颗粒间的内摩擦角,同时利用膨润土来补充细颗粒来进一步起到润滑携渣作用。本文介绍一种土体改良AA聚合物,在水中溶解后可形成粘稠液体,具有增稠性、润滑性、保水性等性能,可替代膨润土应用于沙砾、砂卵地层的土体改良。并对A聚合物替代膨润土应用土体改良做了深入分析。

    关键词:沙砾、砂卵地层  A聚合物   土体改良

    1、A聚合物的性能及特点

    所用A聚合物为一种水溶性聚合物,在水中溶解后可形成均匀、连续的胶状体,使水溶液具有一定的粘度,具有增稠性、润滑性、保水性、静电分散性、绿色环保等性能

    该A聚合物具有溶解速度快的特点,30分钟溶解率达85%以上,与水形成均匀、连续的水溶液。溶解时与大量的水作用形成胶状体,成网络结构增加了介质的粘度,起到保水、增稠的作用。另外形成的胶体质地细腻,光滑,流动性极强,能够起到润滑作用。

    A聚合物通常都带有阴性电荷,溶解后可电离出大量带负电荷的离子,这些负电荷离子可吸附在渣土颗粒的表面上,使渣土表面带有相同的电荷,而其余带相反电荷的离子自由扩散到周围液体介质中去,形成一个带电离子的扩散层,这样便产生双电层结构,并具有一定的电位.当渣土颗粒相互接近时,由于带相同电荷的颗粒产生排斥,形成静电斥力,从而使颗粒间保持一定的距离,可防止颗粒团聚而达到分散效果。

    2、细颗粒含量极少地层的常见改良方法及相关局限性

    细颗粒含量极少地层,多为砂质及沙砾、砂卵地层。该地层特点为颗粒粒径较大,内摩擦角较大。针对该地层特点,传统的针对该地层的改良思路多为以泡沫降低内摩擦角的同时,需利用膨润土来补充颗粒间细颗粒来进一步起到润滑携渣作用。

    但在实际使用中,起到润滑携渣作用的膨润土因进货材质很难把控,且即使材质优秀的膨润土需要至少24小时发酵才能达到使用要求,结合改良制浆设备占用大量场地、人力等因素,使得很多施工单位不具备条件达到制备要求。同时在北京、沈阳等大粒径沙砾、砂卵地层的施工困难中,经常遇到推进困难、扭矩过高的问题,纠其本质原因多为改良中膨润土使用达不到改良要求。便捷的、更有效的土体改良工法及材料在这类地层中有着较为广阔的需求。

    A聚合物在以往盾构施工大类经验中,多为富水地层止水。通过对A聚合物本质性能的深入研究,发现其有更多的性能可以很好的满足无水沙砾、砂卵地层的施工应用,并可以代替膨润土的作用,接下来我们就此深入分析。

    3、A聚合物代替膨润土的应用可行性分析

    3.1较好的粘度

    A聚合物可根据地层对水溶液粘度的要求调整掺量,常用掺量一般为0.06-0.15%,可根据实际出土情况调整,表1为常用掺量的粘度数据。

    表1  A聚合物不同掺量的粘度数据

    掺量0.06%0.1%0.15%0.2%
    粘度35″1′3″1′35″1′58″


    表2  盾构施工中A聚合物PL的泥浆粘度及对砂土改良效果

    盾构A聚合物PL与清水用量泥浆粘度(s)20 min后渣土性状
    0.06 g PL+100 g清水   65砂土松散、分散
    0.08 g PL+100 g清水   84砂土变稠,有一些分散
    0.10 g PL+100 g清水     110砂土像混凝土、石头和颗粒全部包裹在一起
    0.12 g PL+100 g清水     140砂土像混凝土、石头和颗粒全部包裹在一起

    表2为实验室应用A聚合物模拟改良实验效果分析,模拟改良实验:砂土600 g,加入配置好的A聚合物溶液,机械搅拌20分钟。改良效果见表2数据分析。

    综合上面两个实验数据可以得出,A聚合物随着配合比提高,拥有非常好的粘度特性,当A聚合物加入到砂石中,这种长链A聚合物分子就会吸附在渣土颗粒的表面形成高分子膜,当这些颗粒相互碰到一起时,A聚合物分子就将颗粒粘结在一起形成网络结构,从而将砂土颗粒包裹在一起,可判定拥有不错的携渣能力,以及掌子面松散土体的泥膜建立以及土仓压力建立能力。

    3.2更好的润滑性

    由于A聚合物水溶液所形成的胶体质地滑润,可降低土体之间的阻力,且由于自身带电作用,使得离子之间由于电荷的排斥作用,在外力的作用下会产生相对运动,而非我们简单理解的纯粹粘连作用,因此在改良过程中会起到一定的润滑性作用。表3采取砂土改良模拟实验,通过测试搅拌机工作电流,判断搅拌机在搅拌渣土时所受到的阻力,间接判断改良材料的润滑作用。

    表3  砂砾土模拟搅拌实验

    10公斤砂砾土模拟搅拌实验
    改良材料搅拌1min后电流值
    泡沫(400L)+膨润土(300L,1:8发酵24小时,粘度30″)2.8A
    泡沫(400L)+A聚合物(300L,0.1%掺量,混合搅拌30min,粘度58″)2.3A

    能够看出,采用A聚合物的综合改良方式与采用传统膨润土的改良方式相比,搅拌电流更低,可以得出A聚合物润滑性更优,能够对施工推进起到更好的降扭矩的作用。

    3.3优秀的亲水性

    表4为实验室所做关于A聚合物亲水性的实验数据,数据证明在地层水量较大的情况下只需提高掺量,增加混合液的粘度,混合液后遇水会吸收地层的水分,吸水后粘度仍可满足改良需求。且在富水地层有更优秀的吸水、止水效果。

    若是应用于水大的地层可适当增加粘度,当水溶液进入土体后,可吸收土体中的部分水分,降低高含水地层的渗透率,改善渣土的水土分离现象,更好的维持渣土整体状态及改良效果。

    表4 A聚合物亲水性实验数据


    实验1实验2实验3实验4


    实验5

    实验6
    掺量%0.15实验1结束后掺入30%的水0.11实验3结束后掺入30%的水0.08实验5结束后掺入30%的水
    粘度S876570485038

    3.4更便捷的使用优势

    A聚合物为一种水溶性A聚合物,在水中溶解后可形成均匀、连续的胶状体。溶解速度快,一般混合搅拌半小时以上即可应用于改良。可随用随制,遇见地层突变或场地较小推进速度较快的项目可以现调整制备现使用,不受场地及时间限制,为施工提供便利。可在盾构施工过程中实现推进结束后拼管片期间配置,推进就可以使用。

    综上四个特点分析,A聚合物具有的特性能够满足细颗粒含量极少地层的改良要求,且在粘度及制备方法上的优势远远超过膨润土等传统材料,因此理论上A聚合物完全可以替代膨润土应用于土体改良。

    4、工程成功应用案例

    4.1沈阳地铁XX项目沙砾、砂卵地层新工法改良实例图片1.png

    4.1.1项目基本情况

    项目名称:中铁十九局沈阳地铁十号线03标段       

    地质情况:以砾砂、圆砾为主,无水,卵石含量较大;

    盾构机基本资料:                              

    北方重工新设备;面板式刀盘、开口率约45%;

    设备参数:扭矩保护设置上限4100KN.M


    4.2.2使用泡沫剂+膨润土联用的改良方式及遇到的推进困难

    在盾构机前100环的推进过程中,出现扭矩高、推进速度低等改良综合问题,参数见下表5。

    表5  案例一应用新工法前推进数据

    参数数值备注
    推进速度15-30mm/min速度较低、且不稳定
    扭矩3500-4000以上扭矩始终处于高位,盾构机常跳停
    推力2200吨以上说明刀具贯入能力欠佳,土体流动不畅
    出渣状态时干时稀土体和易性不佳
    渣温40度以上略高,有刀盘小开口部位轻微堵塞的嫌疑
    膨润土粘稠度22秒因场地限制,虽选择快速发酵膨润土,仍无法达到较好实际改良效果。
    沉降反应地表沉降达到预警值

    项目部根据以上推进情况,预感推进数据在逐步恶化,故寻求更理想有效的改良方式。

    4.1.3使用泡沫剂+A聚合物联用的改良方式及问题的解决

    使用具体方式如下:

    ⑴ 泡沫剂3%原液掺比,15倍膨胀倍率,刀盘前方注入两路,环用量40公斤。

    ⑵ A聚合物溶液2路,通过盾构机膨润土挤压泵注入刀盘前方。1‰浓度,粘稠度48秒。A聚合物环用量4公斤。

    该工法改良取得推进参数见表6。

    表6  案例一应用新工法改良推进数据

    参数数值备注
    推进速度40-50mm/min速度稳定且有较大提高,环推进时间小于30分钟
    扭矩2200-2800 推进扭矩有效下降,很好的解决了扭矩过高问题
    推力约1800吨推力有效下降
    出渣状态连续流塑状渣土状态显著改善
    渣温30度左右无渣温高现象
    A聚合物粘度48秒方便配置的条件下,取得更好的粘稠度及携渣能力
    沉降控制合理值范围内

    4.1.4案例小结

    ① 膨润土材质参差不齐,以及改良膨润土制备对场地、设备、制备时间相关要求,很多施工现场很难满足,进而造成改良不理想以及盾构机推进困难。

    ② 泡沫剂+A聚合物联用的渣土改良添加方式,在沙砾、砂卵地层的土压平衡盾构机施工中适用,并可以取得优秀的推进效果。

    ③ A聚合物使用方便,无需增加现场配置,且A聚合物用量少,单环材料成本更低。


    4.2沈阳地铁10号线某标段世界级风险源的改良方式成功应用

    4.2.1项目基本情况

    该区间左线线路出站后以27‰坡度上坡,掘进约23米开始上跨2号线。左线区间隧道盾构机刀盘外边缘与既有2号线右线初期支护结构净距约131mm,左线区间隧道刀盘外边缘与既有2号线左线初期支护结构净距约580mm。 风险源堪称世界级。

    区间地层:右线上跨既有2号线地层主要为砾砂层,隧道拱顶上方主要为中粗砂、砾砂

    盾构机:石川岛∮6140开挖直径土压平衡盾构机

    4.2.2拟定推进方案

    根据风险源特点以及专家论证内容,得出严格控制盾构推进速度,降低刀盘转速,减少刀盘对土体的扰动,控制推进速度,使盾构机缓慢平顺推进的方案。拟定推进参数见表7。

    表7 案例二拟定推进参数

    名   称技术参数备  注
    推进速度60—80mm/min密切注意土仓压力及刀盘扭矩变化
    土仓压力0.07—0.08MPa根据监测数据进行调整
    注浆压力0.3—0.4MPa
    注浆量2.2—2.5m3/环根据监测数据调整
    出土量41—43m3/环
    推力≤2500t
    扭矩≤3000kNm
    盾构姿态水平:±0;垂直:+30~+40

    4.2.3渣土改良需求分析及制定

    根据拟定技术参数可以看出,本项目需要低扭矩、具有一定平稳推进速度的快速通过风险源区域的方案,在该细颗粒含量较少的地层中对土体改良,尤其对于携渣能力的要求极高。项目比较了膨润土及A聚合物溶液的粘稠度指标(膨润土理论值为30-35秒,A聚合物溶液理论值可达60秒以上),决定采用泡沫剂+A聚合物联用的土体改良添加方式来作为上跨2号线风险源区域的土体改良方案。

    4.2.4实际取得成绩

    该方案在风险源区域取得了理想的实际效果。盾构机最终平稳、快速的顺利通过风险源区域,期间推进数据见表8。

    表8 案例二应用新工法推进数据

    参数数值备注
    推进速度65-75mm/min具备一定速度且平稳推进
    扭矩2200-2800kNm扭矩很好的实现既定要求
    推力2000吨
    出渣状态塑性平稳连续渣土状态佳

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