应用于海相地层中盾构开挖面稳定的泥浆及施工方法 |
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| 申请号 | CN201610953599.X | 申请日 | 2016-11-03 | 公开(公告)号 | CN106522965A | 公开(公告)日 | 2017-03-22 |
| 申请人 | 上海隧道工程有限公司; 珠海大横琴股份有限公司; | 发明人 | 朱雁飞; 范杰; 曹金文; 吕锦; 黄德中; 刘宽; 何人; 李刚; 黄凯; 王旋东; 李磊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种应用于海相 地层 中盾构开挖面稳定的泥浆及施工方法，泥浆为复合钠基 膨润土 泥浆，由复合钠基膨润土配制而成，所述复合钠基膨润土由钠基膨润土、 聚合物 及添加剂混合而成。本发明运用对 海 水 具有适应性的复合钠基膨润土泥浆配置盾构开挖面泥水材料，该泥水材料有抗 海水 沥化的能 力 ，弥补了隧道建设过程中，对海相地层中泥水盾构开挖面稳定的研究空白；提出了采用海水适应性强的泥水，提高开挖面的泥水的 粘度 ，形成高 质量 的泥膜来稳定开挖面。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种复合钠基膨润土泥浆，应用于海相地层中盾构开挖面稳定，其特征在于：所述复合钠基膨润土泥浆由复合钠基膨润土配制而成，所述复合钠基膨润土由钠基膨润土、聚合物及添加剂混合而成。 |
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| 说明书全文 | 应用于海相地层中盾构开挖面稳定的泥浆及施工方法技术领域[0001] 本发明涉及盾构施工领域，尤其涉及一种应用于海相地层中盾构开挖面稳定的泥浆及施工方法。 背景技术[0002] 近年来，国内城市轨道交通发展极为迅速，到2015年前后，我国建成和在建轨道交通线路将达到158条，总里程将超过4189公里。盾构法施工技术具有机械化施工程度高、开挖效率高、对环境影响小等特点，在我国城市轨道交通建设中得到了相当广泛的应用。 [0003] 现代隧道建设工程正逐渐具有断面直径增大，断面地层复杂的趋势。现有的盾构施工工法适合在较为单一的软土地层、软岩地层及砂层中进行施工，而在软硬不均、上软下硬且含有高强度硬岩的复合地层中施工时受到较大影响，技术经验匮乏。 [0004] 现有的盾构法施工中，泥水盾构开挖面稳定的方法是利用高性能泥水在掌子面形成高质量泥膜。在海相地层中，海水会使一般泥水材料产生沥化，使泥水性能大幅下降，从而影响泥膜质量，对开挖面的稳定带来一定困难。现有泥水配制技术所用水质均为自来水，泥水材料对海水的适应性差。目前泥水盾构施工中，在海相地层中使用适应海水的泥水稳定掌子面的研究还是空白。 发明内容[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于海相地层中盾构开挖面稳定的泥浆及施工方法，为在海相地层中适应海水的泥水稳定开挖面的施工技术，解决海相地层盾构开挖面稳定的问题。 [0006] 为实现上述技术效果，本发明公开了一种复合钠基膨润土泥浆，应用于海相地层中盾构开挖面稳定，所述复合钠基膨润土泥浆由复合钠基膨润土配制而成，所述复合钠基膨润土由钠基膨润土、聚合物及添加剂混合而成。 [0007] 所述复合钠基膨润土泥浆进一步的改进在于，所述钠基膨润土的成分中包含有钠基蒙脱石，包含有蒙脱石、贝得石和绿脱石。 [0009] 所述复合钠基膨润土泥浆进一步的改进在于，所述钠基膨润土、所述聚合物及所述添加剂的含量比为6：3：1。 [0010] 所述复合钠基膨润土泥浆进一步的改进在于，所述复合钠基膨润土泥浆的含水量为7％～10％，含砂率小于1％。 [0011] 所述复合钠基膨润土泥浆进一步的改进在于，所述复合钠基膨润土泥浆的胶体率大于96％，滤失量小于20ml。 [0012] 所述复合钠基膨润土泥浆进一步的改进在于，复合钠基膨润土泥浆的PF值为7～9。 [0013] 本发明还公开了一种应用于海相地层中盾构开挖面稳定的施工方法，盾构在海相地层中掘进，将复合钠基膨润土泥浆送入开挖面，于开挖面形成泥膜，稳定开挖面。 [0015] 所述应用于海相地层中盾构开挖面稳定的施工方法进一步的改进在于，所述土体有效应力自所述开挖面的顶部至底部逐渐增大。 [0016] 本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：运用对海水具有适应性的复合钠基膨润土泥浆配置盾构开挖面泥水材料，该泥水材料有抗海水沥化的能力，用量与一般泥水材料相同；盾构在海相地层中掘进时，通过加入高粘度和高浓度的该泥水材料，使送入开挖面的泥浆比重在1.15g/cm3～1.25g/cm3，粘度在20s以上，从而在掌子面前方形成高质量的泥膜，保持开挖面稳定。附图说明 [0017] 图1为本发明应用于海相地层中盾构开挖面稳定的施工方法的开挖面稳定原理示意图。 具体实施方式[0018] 下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0019] 本发明应用于海相地层中盾构开挖面稳定的泥浆及施工方法的主要目的在于：提供一种在海相地层中适应海水的泥水稳定掌子面的施工技术，解决海相地层盾构开挖面稳定的问题。 [0020] 掌子面是坑道施工中的一个术语，即开挖坑道(采煤、采矿或隧道工程中)不断向前推进的工作面。掌子面是开挖坑道不断向前推进的工作面，它不是一个固定的面，开挖面有掌子面、边墙面和拱顶面，确切地说掌子面是正对着盾构的那个不断向前移动的工作面。在本发明中重点研究正对盾构的开挖面的稳定问题，因此，在本发明中掌子面就是开挖面，亦即盾构不断向前推进的工作面。 [0021] 现有的盾构法施工中，泥水盾构开挖面稳定的方法是利用高性能泥水在掌子面形成高质量泥膜。在海相地层中，海水会使一般泥水材料产生沥化，使泥水性能大幅下降，从而影响泥膜质量，对开挖面的稳定带来一定困难。现有泥水配置技术所用水质均为自来水，泥水材料对海水的适应性差。目前泥水盾构施工中，在海相地层中使用适应海水的泥水稳定掌子面的研究还是空白。 [0022] 现有技术方案：河海大学朱伟教授对泥水盾构施工中的泥水性能做了长期深入研究。他认为泥膜的形成将部分泥浆压力转化为有效应力作用在开挖面上，支护了开挖面土体，保证了开挖面的稳定。泥浆性质对泥膜质量影响较大，级配及密度相同时，泥浆粘度高，物理稳定性好，则泥膜容易形成，且形成泥膜薄、致密，滤水量小。 [0023] 一般泥水材料都是用自来水配置泥水材料的，不但成本高，而且对海水的适应性差，任意出现沥化现象，形成的泥膜质量差，对盾构开挖面稳定不利。 [0024] 因此，本发明提供了一种在海相地层中适应海水的泥水稳定掌子面的复合钠基膨润土泥浆，应用于海相地层中盾构开挖面稳定。该复合钠基膨润土泥浆由复合钠基膨润土直接配制而成，而该复合钠基膨润土由两部分混合而成，一部分是优质钠基膨润土，另一部分是起提粘、降滤失作用的聚合物及添加剂。其中，钠基膨润土、聚合物及添加剂的含量比一般为6：3：1(重量)。 [0025] 钠基膨润土的主要成分为钠基蒙脱石(ENa+/ΣEC≥50％)。 [0026] 主要组分为：蒙脱石Na+0.33(Al1.67Mg0.33)Si4O10(OH)2·nH2。 [0027] 贝得石Na+0.33Al2(Si3.67Al0.33)O10(OH)2·nH2O。 [0028] 绿脱石Na+0.33Fe3+2(Si3.67Al0.33)O10(OH)2·nH2O。 [0029] 其中，蒙脱石是一种天然纳米材料，结构为类似三明治，上下层是硅氧四面体，中间是铝氧八面体，层间距为0.8纳米～1.0纳米，层间带负电荷，具有很强的离子交换性，主要是阳离子如Na+、Ca2+、K+、Mg2+、Li+、H+、Al3+等，交换是可逆的。在pH为7的介质中阳离子交换容量为70me/100g～140me/100g。具有很强的吸附能力和高度的胶体性、可塑性和粘结力，因此吸水性很强，加水膨胀，体积可增加几倍到十几倍。天然蒙脱石以其层间可交换阳离子的种类、含量划分属型，当某一阳离子的含量超过阳离子交换容量(ΣEC)50％时，即以该阳离子命名，例如钠基蒙脱石(ENa+/ΣEC≥50％)、钙基蒙脱石(ECa2+/ΣEC≥50％)、铝基蒙脱石(EAl3+/ΣEC≥50％)。当层间没有一个阳离子含量超过50％交换容量时，则以含量最多的两个阳离子命名，如钙钠基蒙脱石、钙镁基蒙脱石等等。 [0030] 海水中Ca2+离子含量过高，会影响膨润土的造浆性能，使膨润土凝聚并沉降分离；当Cl-离子含量过高，会影响粘土颗粒之间的粘结力，使泥水的粘度和切力降低，失水量增大，稳定性下降。 [0031] 而本发明采用钠基蒙脱石(ENa+/ΣEC≥50％)作为钠基膨润土的主要成分，可以很好地解决海水中Ca2+离子含量过高的问题，减小对响粘土颗粒之间的粘结力的不良影响；同时也能降低海水中Cl-离子的含量，提高泥水的粘度，物理稳定性好，泥膜容易形成，且形成泥膜薄、致密，滤水量小。 [0033] 提升泥浆粘度的聚合物，与膨润土相互作用，形成良好的泥浆骨架。提供膨润土泥浆较高的静切力及胶凝强度。 [0034] 泥浆漏失控制添加剂，与膨润土相互作用，在孔壁形成薄而致密的泥皮，降低泥浆滤失量。 [0035] 本发明复合钠基膨润土泥浆的主要性能指标如下表表1所示： [0036] 表1复合钠基膨润土泥浆的主要性能指标 [0037]含水量 7～10％ 粒度 99～100％可通过200目筛网 含砂量 <1％ 胶体率 >96％ 滤失量 <20ml pH值 7～9 [0038] 以下为应用本发明复合钠基膨润土泥浆的一种应用于海相地层中盾构开挖面稳定的施工方法，主要为：盾构在海相地层中掘进时，通过加入高粘度和高浓度的复合钠基膨润土泥浆配置的泥水材料，使送入开挖面的泥浆比重在g/cm3～1.25g/cm3，粘度在20s以上，从而在掌子面前方形成高质量的泥膜，保持开挖面稳定。 [0039] 配合图1所示，盾构开挖面稳定机理为：泥浆压力等于泥浆渗透压力和地下水压之和。复合钠基膨润土泥浆在掌子面前方形成泥膜时，产生泥浆压力，并将部分泥浆压力转化成土体有效应力作用在开挖面上，与原土层中的土压P土和地下水压P水相抗衡，平衡开挖面的受力情况，从而稳定开挖面。从图中可以看出，由泥浆压力部分转化得到的土体有效应力自开挖面的顶部至底部逐渐增大，与原土层中的土压P土和地下水压P水分布一致。 [0040] 本发明应用于海相地层中盾构开挖面稳定的泥浆及施工方法提供了一种适应海水的高质量复合钠基膨润土泥浆，海相地层中适应海水的高质量泥水有利于形成高质量的泥膜，对开挖面稳定有利，本发明运用对海水具有适应性的复合钠基膨润土泥浆配置盾构开挖面泥水材料，该泥水材料有抗海水沥化的能力，用量与一般泥水材料相同；盾构在海相地层中掘进时，通过加入高粘度和高浓度的该泥水材料，使送入开挖面的泥浆比重在1.15g/cm3～1.25g/cm3，粘度在20s以上，从而在掌子面前方形成高质量的泥膜，保持开挖面稳定。弥补了隧道建设过程中，对海相地层中泥水盾构开挖面稳定的研究空白；提出了采用海水适应性强的泥水，提高开挖面的泥水的粘度，形成高质量的泥膜来稳定开挖面。 |
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