专利名称：成套土压平衡盾构施工土体改良试验方法
技术领域：
本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一套评价添加剂和改良土体性能的标准试验方法，确定改良土体评价标准，优化土压平衡盾构施工添加剂配比方案。
背景技术：
土压平衡盾构工法的基本原理是土舱内充满刀盘掘削的具有良好塑流状态的土体，利用盾构机推进速度和螺旋排土器排土速度控制土舱内土压力，以平衡掌子面的土压和水压，确保掘进过程中掌子面稳定，实现盾构顺利施工。然而，由于地层条件的差异，所施工的土层往往难以达到盾构施工所需的土体塑流性状态，引起了许多施工问题，严重影响盾构机的掘进效率。现阶段施工过程中最主要的解决方案是进行土体改良，通过向盾构刀盘前方、土舱和螺旋输送机内注入膨润土泥浆、或泡沫、或高分子聚合物、或他们之中的混合物，使得刀盘掘削的土体达到一定的塑性流动状态，即良好的流动性、优良的粘稠性能、 较小的摩擦性以及较低的渗透性和传力性能。如何评价理想塑流性土体的性能，确定其性能参数，国内外的学者都分别做很多试验研究，但主要是岩土工程和混凝土的试验，如坍落度试验、搅拌试验、泡沫渗透试验、常水头渗透试验、压缩试验、稠度试验、剪切试验和其他一些不常见的试验如滑板试验、离析试验、砂浆平板流动试验等。其中坍落度试验是比较常用的试验方法，利用测量坍落度来评价改良土体的流动性，具有操作简单、快捷的优点，在施工现场和实验室都能操作。但是满足盾构施工土体的最佳坍落度范围没有达成共识，不同土层对应着不同的坍落度范围，其值在80 250mm之间，具体应用起来尺度不容易掌握。 搅拌试验是针对性较强的试验，利用搅拌装置模拟刀盘和搅拌翼板对渣土的搅拌过程，评价改良土体的搅拌性能和粘附性，检测改良土体的粘稠性能，为研究刀盘扭矩、螺旋排土器扭矩的影响因素以及渣土粘附性提供了一种直观有效的试验手段，但应用不规范。还有一些针对性不强的试验，如直剪试验评价渣土摩擦性(土层应用范围小)、压缩试验评价渣土压缩性等。另外，盾构机模型的设计一般比较简单，主要研究模拟盾构施工过程中掌子面稳定以及隧道成形后的土体变形、应力变化特性，对盾构机内土体性能的研究较少，特别是对土舱内土体的压力分布和压力传递规律研究较少。上述试验仅是个别工地或试验室进行的一些试验，对土压平衡盾构施工行业来说，还没有一套完整的试验方法，也缺乏相应的评价标准，添加剂配比方案均依靠现场摸索或工程经验来确定，施工中存在盲目性。本发明提出了一套土压平衡盾构施工中土体改良的系统标准试验方法，优化土压平衡盾构施工添加剂配比方案，系统评价改良土体性能。
发明内容
为了系统全面评价添加剂改良过土体的性能，确定满足盾构施工所要求的土体性能参数，最终优化添加剂配比方案，本发明提出了一套土压平衡盾构施工土体改良试验方法。此方法包括两方面试验，一是添加剂试验，二是改良土体试验。泡沫和泥浆是最常用的土体改良添加剂，添加剂性能试验包括泡沫试验和泥浆试验，通过评价其性能为不同开挖土层选择合适的土体改良添加剂。改良土体试验通过坍落度试验、搅拌试验、LCPC磨擦试验和盾构模型试验分别评价改良土体的流动性、粘稠性能、磨擦性和渗透性以及土体传力性能，研究改良土体的流动性、粘稠性、磨擦性以及土体的渗透性和传力性能与添加剂种类、 添加量之间的关系，优化添加剂配比方案，为土压平衡盾构在不同地层的施工中有效、经济使用添加剂改良土体提供试验方法。一套土压平衡盾构施工土体改良试验方法，其特征是步骤如下步骤一添加剂的选择根据土样的不同而不同，泡沫和泥浆是最常用的土体改良添加剂，添加剂性能试验包括泡沫试验和泥浆试验，通过评价其性能为不同开挖土层选择合适的土体改良添加剂。当土样为细砂、粉砂、粉土、粘性土时，使用泡沫对不同含水量的土样进行土体改良试验，当土样为粗砂、砾砂、卵石土时，使用泡沫、泥浆对不同含水量的土样进行土体改良试验；为了满足盾构施工对泡沫的要求，选用半衰期大于或等于5min，发泡倍率在10 20之间的泡沫作为土体改良使用的泡沫；半衰期是单位泡沫破灭到其质量一半时所用的时间；泡沫倍率是单位体积发泡液所生产的泡沫体积；当泥浆符合以下要求时则为合适的盾构施工土体改良泥浆1)以泥浆比重为参数计算使得改良土体中颗粒< 0. 75mm的质量含量达到20 30%;2)pH值在8 10之间；步骤二 坍落度试验；按照土体流动性评价标准初步确定满足流动性要求土体的添加剂即泡沫或者泡沫和泥浆，优化配比组合；对不同含水量的土样使用泡沫、泥浆或它们的混合物进行土体改良，泡沫、泥浆的注入量用泡沫注入比和泥浆注入比来表示(泡沫注入比的定义是添加的泡沫体积与所改良的土样体积之比，同理泥浆注入比是添加的泥浆与所改良的土样体积之比)。以泡沫注入比、土样含水量为两个因素或者以泡沫注入比、泥浆注入比、土样含水量为三个因素进行正交试验，对添加剂配比组合进行优化试验；理想的土体流动性标准如下1)坍落度值为 IOOmm 200mm ；2)坍落后试样上表面的最高点和最低点之间的高度差不大于IOmm ；3)试样中无泡沫或水析出； 步骤三LCPC磨擦试验和搅拌试验；在步骤二所选定的添加剂优化配比组合改良的土样进行LCPC磨擦试验和搅拌试验，选用摩擦性指数在O 500之间的改良土体；在满足摩擦性要求的土样中选择搅拌扭矩最小的改良土体，从而进一步优化添加剂优化配比方案；步骤四盾构模型试验；在步骤三所选定的添加剂优化配比方案的改良土体中进行盾构模型试验，盾构模型试验设备中包括螺旋排土器、土舱，当螺旋排土器连续排土时，土舱内土压力从上到下线性增加、螺旋排土器土压力从进土口到排土口线性减小且在排土口处减小为零，此时改良土体的添加剂配比情况即为最佳添加剂配比方案。具体试验步骤如下步骤一添加剂试验，包括泡沫试验和泥浆试验。泡沫是最常用的添加剂之一，主要起润滑土层和盾构刀具的作用，稳定性和发泡性能是评价泡沫性能的两个重要指标，泡沫试验所用的设备是半衰期试验架，通过其测定泡沫的半衰期评价泡沫的稳定性，半衰期
4是单位泡沫破灭到其质量一半时所用的时间；同样适用半衰期试验架测定泡沫的发泡倍率评价泡沫的发泡性能，泡沫倍率是单位体积发泡液所生产的泡沫体积。当半衰期大于或等于5min，发泡倍率在10 20之间的泡沫满足盾构施工的要求，选为土体改良使用的泡沫。泥浆试验通过测量比重、pH值评价其性能，泥浆通常是膨润土泥浆，除了润滑土层的作用，还能增加土层中微细颗粒(土颗粒< 0.75mm)含量，提高非黏聚性土层的塑性。当泥浆的符合以下要求时则为合适的盾构施工土体改良泥浆1)随着土样的颗粒级配曲线不同，以泥浆比重为参数计算使得改良土体中微细含量达到20 30% ；2)pH值在8 10 之间。本试验对于不同土层使用不同尺寸的坍落度筒评价添加剂的改良效果，即从坍落度值、坍落后土体形状和析水量来评价土体的流动性。添加剂的选择根据土样的不同而不同，当土样为细砂、粉砂、粉土、粘性土时，使用泡沫对不同含水量的土样进行土体改良试验，当土样为粗砂、砾砂、卵石土时，使用泡沫、泥浆对不同含水量的土样进行土体改良试验。试验过程中首先要确定所要改良土样的天然含水量，假定天然含水量为Wci1^JlJ 分别取含水量为(WciD %、(ff0-2)%,w0%, (ff0+2)%, (ff0+4)%, (Wde) %的土样，添加泡沫进行土体改良，泡沫注入比(泡沫注入比是添加的泡沫体积与所改良的土样体积之比)分别是10^^20^^30^30^^50% ；按土样种类决定是否添加泥浆，泥浆注入比(泥浆注入比是添加的泥浆体积与所改良的土样体积之比)分别是5 %、10 %、15 %、20 %、25 %的泥浆。以泡沫注入率为A因素、(泥浆注入量为B因素、)含水量为C因素进行正交试验，对添加剂配比组合进行优化试验，分析A、(B、)C因素对土样的改良效果，按照土体流动性评价标准初步确定满足流动性要求土体的添加剂优化配比组合。理想的土体流动性标准如下 1)坍落度值为IOOmm 200mm ；幻坍落后试样上表面的最高点和最低点之间的高度差不大于IOmm ；3)试样中无泡沫或水析出。步骤三LCPC磨擦试验和搅拌试验。在步骤二所选定的添加剂优化配比组合改良的土样进行LCPC磨擦试验和搅拌试验，选择满足盾构施工磨擦性和粘稠性的改良土体。LCPC磨擦试验机是已有的试验仪器，通过对改良前、后的土体进行磨擦试验， 测得土体磨擦性指数以及土样试验前后的颗粒级配曲线变化，得出土体本身及改良后渣土对刀盘及刀具的磨擦性。搅拌试验使用的设备是正在申请专利的搅拌装置(专利 201020261153. 9 “一种土压平衡盾构施工土体改良试验的搅拌装置”)，试验过程中实时测量改良土体搅拌过程中电流值变化，通过电流求得搅拌机的搅拌功率评价改良土体的搅拌扭矩的大�。觳飧牧纪撂宓恼吵硇阅�。通过LCPC磨擦试验选择满足磨擦性要求的改良土体，即摩擦性指数在0 500之间的改良土体；在满足摩擦性要求的土样中选择粘稠性较好的改良土体，即搅拌扭矩最小的改良土体，从而进一步优化添加剂优化配比方案。步骤四盾构模型试验。模型试验能较好的反应改良土体的状态变化，直接比较不同添加剂的土体改良效果，为优化添加剂配比方案提供依据，是一种比较可靠的评价改良土体性能的室内试验方法。本试验使用的设备是正在申请专利的土压舱模型试验装置(申请号201110136974. 9，申请日2011. 05. 24，名称“一种土压平衡盾构施工土体改良试验的土压舱模型试验装置”)，通过测量土舱和螺旋排土器内土压力分布情况全面评价改良土体性能，尤其是土体的渗透性和传力性能。在步骤三所选定的添加剂优化配比组合的改良土体中进行盾构模型试验，当土舱内土压力从上到下线性增加、螺旋排土器土压力从进土口到排土口线性减小且在排土口出减小为零、而且螺旋排土器连续排土时，此时的改良土体的添加剂配比情况即为最佳添加剂配比方案。目前土压平衡盾构施工中，土体改良过程中添加剂的使用缺乏理论指导，而且配比方案均依靠工地摸索或工程经验来确定，施工中存在盲目性及偶然性。进行的个别土体改良试验仅是个别工地或试验室进行的一些试验，对土压平衡盾构施工行业来说，还没有形成一套土体改良试验和评价标准。另外，改良土体的对刀盘及刀具磨擦特性还没有纳入评价范围，而且目前模型试验对土舱内土体的压力分布和压力传递规律研究较少，而且不能较好地模拟盾构施工中土舱内土体的真实情况。本发明提出一套土压平衡盾构施工渣土改良室内试验方法和评价标准，首先通过添加剂试验为不同地层选择理想的添加剂，然后利用一系列土体改良试验，如坍落度试验、搅拌试验、LCPC磨擦试验，土压力舱模型试验全面评价改良土体的性能，其中首次把LCPC磨擦试验应用于土体及改良渣土的磨擦试验研究中，为不同地层土压平衡盾构施工提供添加剂优化配比方案，为盾构施工添加剂使用和盾构安全、经济、快速施工提供依据。其试验操作步骤设计科学合理，能最大限度的减小试验的工作量，提高了试验效率，而且可适用的土层类型广泛，试验效果显著。
图1 土体改良试验方法示意图；图2泡沫半衰期试验架示意图；图中1_1、有机玻璃圆筒，2-1、三角架，3-1、过滤网，4-1、漏斗，5-1、容器，6-1、电
子天平图3为一种土压平衡盾构施工土体改良试验的搅拌装置的结构示意图；图中1-2、槽钢框形支架，2-2、电动机，3-2、电动机变速器，4_2、电流表，5_2、传动轴，6-2、搅拌叶片，7-2、搅拌桶，8-2、底座，9-2、升降架，10-2、底座轨道，14-2、垂直轨道图4为本发明一种土压平衡盾构施工土体改良试验的土压舱模型装置的结构示意图。图中1、土舱支架，2、土舱千斤顶，3、土舱盖，4、搅拌棒，5、土舱，6、搅拌电动机，7、 混凝土底座，8、螺旋排土器，9、螺旋排土器转动装置，10、螺旋排土器支座千斤顶，11、螺旋排土器电动机，12、排土口，13、螺旋排土器支座，32、位移计，33、土舱盖土压力压力计，34、 土舱壁土压力压力计，35、螺旋排土器土压力传感器，36 土舱底板土压力传感器，37、扭矩传感器。图5为土�？帕＜杜淝�6为发泡倍率随发泡液浓度变化规律7为泡沫的半衰期随发泡液浓度变化规律8为坍落度试验添加剂优化配比区域9为LCPC磨擦试验添加剂优化配比区域图
具体实施例方式本发明所述的一套土压平衡盾构施工土体改良试验方法，其实施步骤如下
步骤一添加剂试验。包括泡沫试验和泥浆试验，首先使用不同浓度的发泡液(一般取l^d^d^d^j^^e^)生产泡沫，评价泡沫性能；其次根据土样的颗粒级配曲线制备不同浓度的泥浆，满足土层中的微细颗粒能达到20% 30%。使用半衰期试验架测量泡沫的发泡倍率和半衰期评价泡沫性能，如图2所示，半衰期试验架包括有圆筒1-1、漏斗4-1、过滤网3-1、三角架2-1、容器5-1和电子天平6_1。 圆筒1-1的材料是有机玻璃，存放泡沫的容器，圆筒1-1的一端与漏斗4-1相接，漏斗4-1用于收集圆筒中泡沫破灭后形成的液体，漏斗4-1入口处有一层钢丝网做成的过滤网3-1，三角架2-1具有三个支脚，顶部是一个圆环正好卡住漏斗4-1，漏斗4-1正对下面的容器5-1， 通过电子天平称量6-1实时称量容器5-1里的液体质量。试验的具体操作步骤如下1)将泡沫注入圆筒1-1，注满后开动秒表；幻将装满泡沫的圆筒1-1放在电子天平上，读取泡沫的质量；3)把圆筒1-1迅速放到三角架2-1上，然后把容器5-1放到三角架2-1下方的电子天平6-1上，置零，使衰落筒液体流出口对准容器5-1的中心；4)记录量筒内液体质量变化过程中所用的时间，直至量筒内液体接近泡沫质量为止。泥浆试验使用泥浆比重计、pH试纸测量比重和pH值。步骤二 坍落度试验。坍落度试验使用的是坍落度筒，坍落度筒是一种常用的混凝土试验仪器，本发明用于测量土体流动性，但需重新制定评价标准，即从坍落度值、坍落后土体形状和析水量来评价土体的流动性。本试验方法使用三种不同大小的坍落度筒，即小、 中、大型坍落度筒，小型坍落度筒即混凝土试验中标准的坍落度筒，即筒顶直径X筒高X 筒底直径为IOOmmX200mmX300mm，中型、大型坍落度筒的筒顶直径X筒高X筒底直径分别为150mmX 300mmX 450mm和200mmX 400mmX 600mm。当土样最大粒径小于40mm时，使用小型坍落度筒，即标准坍落度筒；当最大粒径范围在40 60mm时，使用中型坍落度筒；当最大粒径范围在60 80mm时，使用大型坍落度筒。试验操作步骤参考相关实验规范。添加剂的选择根据土样的不同而不同，当土样为细砂、粉砂、粉土、粘性土时，使用泡沫对不同含水量的土样进行土体改良试验，当土样为粗砂、砾砂、卵石土时，使用泡沫、泥浆对不同含水量的土样进行土体改良试验。试验过程中首先要确定所要改良土样的天然含水量，假定天然含水量为Wci1^JlJ 分别取含水量为(WciD %、(ff0-2)%,w0%, (ff0+2)%, (ff0+4)%, (Wde) %的土样，添加泡沫进行土体改良，泡沫注入比(泡沫注入比是添加的泡沫体积与所改良的土样体积之比)分别是10^^20^^30^30^^50% ；按土样种类添加泥浆，泥浆注入比(泥浆注入比是添加的泥浆体积与所改良的土样体积之比)分别是5 %、10 %、15 %、20 %、25 %的泥浆，以泡沫注入率为A因素、泥浆注入量为B因素、含水量为C因素进行正交试验，对泡沫、泥浆混合添加剂使用进行优化试验，分析A、(B、)C因素对土样的改良效果，按照土体流动性评价标准初步确定满足流动性要求土体的添加剂优化配比组合。理想的土体流动性标准如下1) 坍落度值为IOOmm 200mm ；幻坍落后试样上表面的最高点和最低点之间的高度差不大于 IOmm ；3)试样中无泡沫或水析出。步骤三LCPC磨擦试验和搅拌试验。在步骤二所选定的添加剂优化配比组合改良的土样进行LCPC磨擦试验和搅拌试验，选择满足盾构施工磨擦性和粘稠性的改良土体。LCPC磨擦试验机是已有的试验仪器。具体操作步骤如下1)称取一定量的土样， 烘干后进行筛分试验；2)取一个金属测试板并编号，利用高精度天平(精度至少为0.01)称取重量，将金属测试板安装在试验机的传动轴末端，安装好试样桶；幻将直径为IOmm以下土样筛选出来，取试样500g放入试样桶，盖好进料口盖；幻将控制面板上的控制开关置于5min档位，按下启动开关按钮，待试验机停止后卸下试样桶，清理测试板上残留的土样， 取下测试板然后称取其质量P ;4)清理试样桶，收集试验后土样并称取质量，然后将土样烘干后再次进行筛分试验，绘制颗粒继配曲线。利用LCPC磨擦试验机测量土体磨擦性指数ABR以及比较土样试验前后的颗粒级配曲线变化来评价土样的磨擦性。磨擦性指数ABR计算公式如下式
权利要求
1.成套土压平衡盾构施工土体改良试验方法，其特征是步骤如下 步骤一添加剂的选择根据土样的不同而不同，泡沫和泥浆是最常用的土体改良添加剂，添加剂性能试验包括泡沫试验和泥浆试验，通过评价其性能为不同开挖土层选择合适的土体改良添加剂；当土样为细砂、粉砂、粉土、粘性土时，使用泡沫对不同含水量的土样进行土体改良试验，当土样为粗砂、砾砂、卵石土时，使用泡沫、泥浆对不同含水量的土样进行土体改良试验；为了满足盾构施工对泡沫的要求，选用半衰期大于或等于5min，发泡倍率在10 20之间的泡沫作为土体改良使用的泡沫；半衰期是单位泡沫破灭到其质量一半时所用的时间； 泡沫倍率是单位体积发泡液所生产的泡沫体积；当泥浆符合以下要求时则为合适的盾构施工土体改良泥浆1)以泥浆比重为参数计算使得改良土体中颗粒< 0. 75mm的质量含量达到20 30% ；2)pH值在8 10之间； 步骤二 坍落度试验；按照土体流动性评价标准初步确定满足流动性要求土体的添加剂即泡沫或者泡沫和泥浆，优化添加剂配比组合；对不同含水量的土样使用泡沫、泥浆或它们的混合物进行土体改良，泡沫、泥浆的注入量用泡沫注入比和泥浆注入比来表示；泡沫注入比的定义是添加的泡沫体积与所改良的土样体积之比，泥浆注入比是添加的泥浆与所改良的土样体积之比；以泡沫注入比、土样含水量为两个因素或者以泡沫注入比、泥浆注入比、土样含水量为三个因素进行正交试验，对添加剂配比组合进行优化试验；理想的土体流动性标准如下1)坍落度值为IOOmm 200mm ； 2)坍落后试样上表面的最高点和最低点之间的高度差不大于IOmm ；3)试样中无泡沫或水析出；步骤三LCPC磨擦试验和搅拌试验；在步骤二所选定的添加剂优化配比组合改良的土样进行LCPC磨擦试验和搅拌试验， 通过LCPC磨擦试验选择满足磨擦性要求的改良土体，即摩擦性指数在0 500之间的改良土体；在满足摩擦性要求的土样中选择搅拌扭矩最小的改良土体，从而进一步优化添加剂优化配比方案；步骤四盾构模型试验；在步骤三所选定的添加剂优化配比方案的改良土体中进行盾构模型试验，盾构模型试验设备中包括螺旋排土器、土舱，当螺旋排土器连续排土时，土舱内土压力从上到下线性增加、螺旋排土器土压力从进土口到排土口线性减小且在排土口处减小为零，此时改良土体的添加剂配比情况即为最佳添加剂配比方案。
全文摘要
本发明公开了成套土压平衡盾构施工土体改良试验方法，属于隧道施工技术领域。设计了一套评价盾构施工常用添加剂和改良土体性能的试验方法，通过泡沫试验和泥浆试验制备和评价添加剂性能，通过坍落度试验、搅拌试验、摩擦试验和土压力舱模型试验评价改良土体的性能，研究改良土体的流动性、粘稠性、磨擦性以及土体的渗透性和传力性能，确定改良土体性能评价标准，为土压平衡盾构施工提供添加剂优化配比方案。此套试验方法和流程能全面的评价添加剂和改良土体性能，试验方案科学合理；可适用的土层类型广泛，试验效果显著，为土压平衡盾构在不同地层的施工中有效、经济使用添加剂改良土体提供试验方法和评价标准。
文档编号G01N11/00GK102359925SQ201110197188
公开日2012年2月22日 申请日期2011年7月14日 优先权日2011年7月14日
发明者周永攀, 姜厚停, 龚秋明 申请人:北京工业大学
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