一种全断面极硬辉绿岩地层盾构掘进用渣土改良方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及盾构渣土改良技术领域，特别是涉及一种全断面极硬辉绿岩地层盾构掘进用渣土改良方法。
【背景技术】
[0002]渣土改良是指为了使盾构刀盘切削形成的渣土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，通过盾构专用的添加装置向刀盘前方、土仓及螺旋输送机内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌及螺旋输送机旋转搅拌，使添加剂与渣土充分混合，以达到改善渣土性状，利于土压平衡盾构掘进控制的作用。
[0003]渣土改良的主要目的:
[0004](I)使渣土具有良好的流塑性，利于土压平衡效果的实现，利于控制土压、稳定开挖面，控制地层沉降；
[0005](2)使渣土具有良好的止水性，利于减低渣土的透水性，减少地层水土流失，降低渣土离析或螺旋机喷涌现象。
[0006](3)使渣土具有良好的流动性、和易性和可排性，利于螺旋输送机排渣，减少渣土沉积固结，减少泥饼的形成。
[0007](4)使渣土具有较低的摩租力和粘着力，利于有效降低刀盘和螺旋输送机扭矩，降低对刀具和螺旋的磨损，改善盾构掘进参数，提高掘进效率。
[0008]当盾构隧道开挖范围、拱顶上覆地层和基底下伏地层为中风化均一地层的富水全断面辉绿岩时，由于富水全断面辉绿岩主要地层特征为:富水高强极硬岩地层，辉绿岩全断面分布，岩石饱和单轴抗压强度140MPa，属于极硬岩，造成盾构掘进困难，刀具极易磨损。掌子面岩层夹杂交错分布的风化薄层，富含石英岩脉及金属矿物，致使围岩节理裂隙明显，整体性较差，刀盘开挖后，掌子面不平整，岩块突入刀盘，增加了刀盘扭矩和刀具冲击力，刀具异常磨损严重，开仓换刀频繁。岩层裂隙发育，裂隙水丰富，补给充沛，补给速度快，有承压性，为强富水地层，螺旋输送机喷涌严重，螺旋出土口石渣喷洒沉积严重，推进速度和施工效率极低。
[0009]因此希望有一种全断面极硬辉绿岩地层盾构掘进用渣土改良方法来克服或至少减轻上述的缺陷。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于提供一种全断面极硬辉绿岩地层盾构掘进用渣土改良方法来克服现有技术中存在的上述问题。
[0011]为实现上述目的，本发明提供一种全断面极硬辉绿岩地层盾构掘进用渣土改良方法，通过刀盘面板加注通道和盾构刀盘前方各辐臂上的孔位，采用聚合物加注系统向渣土加注高掺量高分子聚合物，与此同时通过土仓内的加注通道和孔位，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注低浓度泡沫进行复合加注。
[0012]优选地，所述高掺量高分子聚合物添加剂包括:水溶性的聚丙烯酰胺类颗粒。
[0013]优选地，所述低浓度泡沫的添加剂由表面活性剂、稳定剂、强化剂和渗透剂复配而成，且载体为水。
[0014]优选地，所述刀盘面板加注通道的数量是2路或3路。
[0015]优选地，所述土仓内的加注通道数量是2路。
[0016]优选地，还可以在螺旋机内采用聚合物加注系统向渣土加注高掺量高分子聚合物。
[0017]优选地，所述高掺量高分子聚合物的聚合物掺量:8 - 10%。，地层注入率:30 -35%。
[0018]优选地，所述低浓度泡沫的泡沫浓度:2% ;地层注入率(FIR):40 一 50% ;泡沫膨胀率(FER):1:8 -1:10
[0019]本发明提供了一种全断面极硬辉绿岩地层盾构掘进用渣土改良方法，该方法减少了螺旋喷涌、提高渣土流塑性，降低刀盘扭矩、降低刀具磨损，提高掘进效率。通过良好的渣土改良，提高渣土的止水性，降低开挖面透水性，封闭开挖面裂隙，增加渣土粘稠度与和易性，在添加剂浆液与渣土混合搅拌后，提高对渣土的包裹携带能力，进而达到弱化渣土的离析，改善渣土水、石分离的性状，改善渣土流塑性，减少螺旋喷涌和作业区石肩喷洒，提高作业效率。同时降低渣土内摩擦角，润滑开挖面岩层，润滑和冷却刀盘面板和刀具，缓解冲击，以降低刀盘开挖扭矩和刀具磨损，从而降低开仓换刀频率，提高掘进效率。
【具体实施方式】
[0020]在本发明一宽泛实施例中，一种全断面极硬辉绿岩地层盾构掘进用渣土改良方法通过刀盘面板加注通道和盾构刀盘前方各辐臂上的孔位，采用聚合物加注系统向渣土加注高掺量高分子聚合物，与此同时通过土仓内的通道和孔位，采用泡沫拌合发生系统向渣土加注低浓度泡沫进行复合加注。
[0021 ] 渣土改良材料一般有表面活性剂类(如泡沫剂)、矿物类(如粘土或膨润土 )、高分子类(如聚合物)和其他复合添加材料。其加注位置一般为分布在刀盘面板、土仓隔板和螺旋机筒体上的注入孔，其材料选取和加注方法应根据掘进地层的特征和盾构设备能力和配置特点进行综合考虑，一般对于复杂地层宜采取复合添加，多途径注入的原则，即选取两种以上添加剂材料，在刀盘、土仓和螺旋机处选择合适的孔位，按照合理的分配路径，依照各自添加系统和途径，同时组合注入，以取得较好的改良效果。
[0022]盾构掘进渣土改良用高分子聚合物添加剂材料分为不溶性和水溶性两大类。
[0023]不溶性聚合物主要为:高吸水性树脂类(Super Absorbent Polymer，简称SAP)，也称超强高分子吸水材料，高吸水性聚合物，根据原料来源主要分为淀粉类、纤维素类、合成聚合物类(聚丙烯酸类、聚乙烯醇类、聚氧乙烯类)三大类。盾构施工渣土改良时常用聚丙烯酸盐。此类高分子具有高吸水性，加压保水性、增稠性等特性，吸水后，体积可膨胀至数十至数千倍，其吸水机理主要为物理吸附(毛细管的吸附原理，有压力时水会流出)和化学吸附(通过化学键的方式把水和亲水性物质结合在一起成为一个整体。加压也不能把水放出)。
[0024]水溶性聚合物:也称水溶性高分子材料，主要分为三类:天然水溶性高分子，主要有淀粉类，海藻类等；半合成水溶性高分子，主要有改性纤维素(CMC等)、改性淀粉；合成水溶性高分子，主要有聚合类树脂(聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇、聚氧化乙烯等)，缩合类树脂(环氧树脂、聚氨酯树脂等)。盾构施工渣土改良时常用聚丙烯酰胺(PAM)。水溶性聚合物中的亲水基团不仅使其具有水溶性，而且还具有化学反应功能，以及分散、絮凝、增粘、减阻、粘合、成膜、成胶、螯合等多种物理功能。具有水溶性、分散作用、絮凝作用、增粘性、减阻作用、流变性、悬浮作用等。
[0025]当聚合物溶液加入土体中时，聚合物因吸水而膨胀，使土体变得干燥，防止喷涌的发生；可以连接土体中的微小颗粒，增强开挖面水土的粘性，降低土体渗透性；改善渣土流塑性，润滑土体并助于在螺旋输送机中形成土塞效应；减低土体与刀盘刀具的粘着力。
[0026]盾构用高分子聚合物是一种在现场配制而成均质的具有一定粘度的可流动液体，经管道输送到刀盘、土仓、螺旋输送机内，从而增加碴土的粘滞性，改善刀盘的工作环境，增加土仓的密封和便于碴土的运输。
[0027]高分子聚合物注入土体后，可产生以下作用:使盾构前方土体均匀；加大土的坍落度；降低土的透水性，起到隔水的作用；降低刀盘扭矩，减少机具磨损；减少土的粘性，防止“泥饼”现象。为解决砂性土的塑流，改变土的成分，以保证土的流动性和减少土的透水性，使开挖面保持稳定。
[0028]高分子聚合物用于盾构渣土改良的作用:
[0029](I)良好的抑制地层粘土分散能力，有利于盾构粘土层时开挖面的稳定。
[0030](2)高分子聚合物所形成的网架结构，在盾构开挖砂土、砂卵层时可稳定土层结构，抑制砂土、砂卵层分散流动，该体系有利于泥饼的形成，有利于巩固隧道砂土层分散流动。
[0031](3)高分子聚合物具有抗无机盐污染能力，在高矿化度的水型中应用也具有良好的稳定性。
[0032](4)高分子聚合物具有选择性絮凝作用，通过高聚物自身的交联特性可以将粉砂性土体的小颗粒聚结成较大颗粒，对于高含水地层可