[发明专利]大断面矩形顶管掘进土体改良方法

说明书

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤指一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法。

背景技术

采用土压平衡式顶管机进行隧道施工，施工作业中采用开挖土体作为支撑开挖面稳定的介质，该介质应具有良好的塑性、一定的粘聚力、较小的内摩擦角以及渗透系数等。现有做法是在掘进过程中加入改良添加剂对土体进行改良，该改良添加剂一般为泡沫和膨润土泥浆，通过一定比例的泡沫和膨润土泥浆的注入，对切削的土体进行改良，从而确保开挖面的稳定和掘进效率。

但是，对于大断面(4.2m*6.9m及以上)砂性土地层进行隧道掘进施工时，采用土压平衡式矩形顶管存在如下难点：一、开挖面积大，土体对刀头的摩阻力大，加大了刀盘的扭矩和机械负荷；二、推进过程中单位时间内进入土仓的土体体积较大，开挖面土压力传递不均匀易导致开挖面失稳；三、砂性土层土质特性较差，表现在塑流性差、内摩擦角大、渗透系数大。现有的改良方法无法适应大断面矩形顶管在砂性土地层掘进施工，容易造成砂性土地层大断面矩形顶管开挖土仓内土压力波动剧烈，影响开挖面的稳定。大断面矩形顶管的刀盘构造不利于现有改良方法中的改良添加剂发挥效用，影响改良效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法，解决现有改良方法无法适应大断面矩形顶管在砂性土地层掘进施工、容易造成土仓内压力波动剧烈，影响开挖面稳定的问题，以及大断面矩形顶管的刀盘不利于改良添加剂发挥效用的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明一种大断面矩形顶管掘进土体改良方法，包括：

按照断面的形状在矩形顶管的前端面进行区域划分，划分为位于中间的大刀盘改良区和环绕所述大刀盘改良区设置的小刀盘改良区；以及

掘进过程中，对所述大刀盘改良区注入泡沫改良剂进行土体改良，对所述小刀盘改良区注入聚合物泥浆进行土体改良，所述泡沫改良剂的注入率适配于大刀盘的扭矩，所述聚合物泥浆的注入率适配于对应的小刀盘的扭矩。

采用泡沫改良剂和聚合物泥浆，对应用于在矩形顶管的前端面划分的区域，对土体进行改良，可以更好地适应大断面矩形顶管施工，较好地发挥改良材料的效用，能够解决砂性土地层大断面矩形顶管掘进困难、开挖面不易稳定的难题。聚合物泥浆具有高粘度、低比重和低滤失量，该改良材料适应于砂性土地层，使得改良后的砂性土地层具有良好的塑性、粘聚力、较小的内摩擦角及渗透系数。对矩形顶管进行区域划分，改良部位的设计适应大断面矩形顶管施工。

本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述聚合物泥浆包括高分子聚合物HS-1、钠基膨润土、以及水，以1:4:99的配比混合形成。

本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述高分子聚合物HS-1包括大、中分子量的聚丙烯酸盐、纤维素盐、抗盐抗钙剂、以及改性土。

本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述聚合物泥浆的比重为1.04g/cm³，粘度大于40s，滤失量小于20ml。

本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述泡沫改良剂由泡沫剂与水混合形成，所述泡沫改良剂的泡沫浓度为3％，发泡率为15％，稳泡时间大于5分钟。

本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述小刀盘改良区包括第一分区、第二分区、第三分区以及第四分区，所述的第一分区、第二分区、第三分区以及第四分区内均设有注浆孔。

本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，于所述小刀盘改良区的第一分区、第二分区、第三分区、以及第四分区分别设置注浆泵，用于将所述聚合物泥浆注入到所述小刀盘改良区。

本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，于所述大刀盘改良区设置两个加水泵和两个泡沫泵，通过泡沫泵输送的泡沫剂与所述加水泵输送的水混合形成所述泡沫改良剂。

本发明大断面矩形顶管掘进土体改良方法的进一步改进在于，所述大刀盘的扭矩以2500kN.m为基准，控制所述泡沫改良剂的注入率：

当所述大刀盘的扭矩大于2500kN.m时，控制所述泡沫改良剂的注入率在10％至15％；

当所述大刀盘的扭矩小于2500kN.m时，所述泡沫改良剂的注入率在5％至10％；以及

当所述大刀盘的扭矩等于2500kN.m时，所述泡沫改良剂的注入率为10％。