土压平衡盾构的渣土改良

土压平衡盾构的渣土改良建筑工程学院马超北京工业大学目录土压平衡盾构开挖面稳定1渣土改良的目的和方法2添加剂的分类3改良土体的微观机理4北京工业大学土压平衡盾构开挖面稳定机理黏性土层的开挖面稳定机理.土压平衡盾构稳定机理砂性土层的开挖面稳定机理因工程地质条件不同而不同北京工业大学黏性土层的开挖面稳定机理™粘土是由硅酸盐矿物在地球表面风化后形成，有些成岩作用也会产生粘土。黏性土层切下的土砂比原地层强度低，具有塑性流动性，土仓内的土砂具有一定压力，以便与开挖面的水压力和土压力相抗衡北京工业大学黏性土层的开挖面稳定机理™如土室内土砂过多，黏性土会压密固化，需注入外加剂并搅拌，提高土体流塑性，确保渣土顺利排放北京工业大学砂性土层的开挖面稳定机理™砂性土和砂砾土的内摩擦角大，土的摩擦阻力大，难以获得好的流动性，地层渗透系数大，仅靠土仓和螺旋输送机内的压缩效应不可能完全止水北京工业大学砂性土层的开挖面稳定机理™在开挖面活土仓内注入外加剂和加装搅拌棒进行强行搅拌，让开挖土具有流动性和止水性返回北京工业大学渣土改良的目的第一第一使渣土具有良好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降第二第二提高渣土的不透水性，使渣土具有较好的止水性，从而控制地下水流失第三第三提高渣土的流动性，利于螺旋输送机排土北京工业大学渣土改良的目的第四第四防止开挖的渣土黏结刀盘而产生泥饼第五第五防止螺旋输送机排土时出现喷涌现象第六第六降低刀盘扭矩和螺旋输送机的扭矩，同时减少对刀具和螺旋输送机的磨损，提高盾构的掘进效率北京工业大学渣土改良的方法™渣土改良就是通过盾构配置的专用装置向刀盘面，土仓内或螺旋输送机内注入水﹑泡沫﹑膨润土﹑高分子聚合物等添加剂，利用刀盘的旋转搅拌﹑土仓搅拌装置搅拌或者螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土渣混合，使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性﹑合适的稠度﹑较低的透水性和较小的摩阻力北京工业大学防泥饼措施掘进速度下降，刀盘扭矩上升，开挖效率降低掘进速度下降，刀盘扭矩上升，开挖效率降低掘进速度下降，刀盘扭矩上升，开挖效率降低刀盘中心区部位产生泥饼泥岩泥岩黏土层黏土层泥质粉砂泥质粉砂岩岩砂岩砂岩北京工业大学防泥饼措施首先其次再次最后加强盾构掘进时地质预测和泥土管理，密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态增加刀盘前部中心部位泡沫注入量并选择较大的泡沫注入比例，减少渣土的粘附性降低泥饼产生的几率在螺旋输送机内加入泡沫，以增加渣土的流动性，利于渣土的排除采用人工处理的方式清除泥饼返回北京工业大学压力仓内土体塑性流动状态塑流状态不透水性不易固结排水当推力通过隔板传递到土舱内时，如果土舱内土体迅速排水固结，就会在压力舱内形成固结“土饼”，土水分离会影响压力舱内土体的循环和排土流塑状态可保证土体受到挤压时向螺旋输送机内发生塑性流动，而顺利完成排土，就是所谓的“挤牙膏”效应只有压力舱的土体具有足够的不透水性，才能保证维持开挖面上的水压力，同时也能防止排土口发生“喷涌”现象北京工业大学添加剂种类北京工业大学添加剂的分类纤维类多糖类负离子类高吸水性树脂表面活性材料水矿物类复合添加剂添加剂北京工业大学矿物类添加剂™矿物类添加剂（也称泥材），主要包括膨润土、粘土、陶土等天然矿物。目的是补充土体的微、细粒组分，使土体的内摩擦角变小，提高土体的流动性和止水性。矿物类添加剂主要是泥浆的形式，其浓度和注入量根据开挖土的级配、不均匀系数等确定北京工业大学矿物类添加剂™膨润土又名膨土岩、斑脱岩，有时也称白泥，主要是由蒙脱石类矿物组成的粘土。呈油脂光泽、蜡状光泽或土状光泽，贝壳状或锯齿状断口北京工业大学高吸水性树脂™高吸水性树脂的用料是高分子类、不溶性聚合物的高吸水性树脂，这种材料吸水而不溶于水，可防止高水压地层的地下水喷出，树脂填充砂土的颗粒空隙，提高土体的流动性北京工业大学纤维类多糖类负离子类™此材料是粘稠性的高分子类水溶性聚合物，此类添加剂可以把砂颗粒间隙中的自由水挤走。负离子类乳胶添加剂可在砂颗粒与水之间形成絮状凝聚物，使其发生粘结，可以减小内摩擦角，提高流动性北京工业大学表面活性材料™表面活性材料是特殊气泡剂，也有在特殊气泡剂中添加高分子类水溶性聚合物的气泡添加剂。这种气泡添加剂是典型的气－液二相系，其90%以上为空气，不足10%为发泡剂溶液；而发泡剂溶液90%～99%为水，其余为发泡剂。北京工业大学水™水是最普通的添加剂，向高粘性渣土中注水，可在增加其流动性的同时，降低其粘着力，防止掘削土附着于刀头或土舱内壁上形成泥饼。北京工业大学复合添加剂™根据添加剂的特性和掘削地层的性状，发展了两种添加剂混合使用发挥其优势互补，近年来两种添加剂的例子逐渐增加。™从现场施工中添加的添加剂来看，泡沫和膨润土是最常见的两种，并得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。返回北京工业大学常用添加剂的比较北京工业大学常用添加剂的作用原理一一泡沫的作用原理二二膨润土泥浆作用原理三三高分子类聚合物作用原理北京工业大学泡沫的作用原理™泡沫是发泡液（表面活性剂）和压缩空气经过发泡装置产生的，作为发泡液的主要成分表面活性剂是由聚合而成的长链分子构成的，含有憎水基和亲水基.如图所示：北京工业大学泡沫的作用原理™表面张力减小™水的表面覆盖了一层表面活性剂，其憎水基与空气接触，从而减小了水的表面张力。如图所示北京工业大学泡沫的作用原理™吸附性™当表面活性剂加入液体中，他吸附在固体-液体、液体-气体和不同液体分界面上，如图所示北京工业大学泡沫的作用原理™润滑作用™表面张力的减小增加了润滑作用，由于结合水的流动使得原先被结合水束缚的土颗粒可以自由流动，如图所示北京工业大学泡沫的作用原理™静电排斥作用，使得由静电力结合的土粒分开™表面活性剂吸附在土体内的微小裂缝的表面，增加裂缝的深度，减弱微小裂缝愈合的能力，增强扩散能力，并使得土颗粒带有相同的电荷而相互排斥北京工业大学泡沫的作用原理™加入泡沫的混合土体的密实度有较大的变化，泡沫置换了渣土中的一部分土颗粒和水分，使得混合土体密度减小，减小了颗粒之间的接触，气泡起到一定的润滑作用，降低了接触面的粗糙度，使摩擦系数降低™泡沫混合土具有一定的弹性，能维持土舱内必要的土压，并使其均匀变化防止产生较大的起伏北京工业大学膨润土泥浆的作用原理™膨润土是以蒙脱石为主要成分的非金属粘土类矿物，蒙脱石含量占到30%~80%。™膨润土由于具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能北京工业大学膨润土泥浆的作用原理™蒙脱石是含水的层状铝硅酸盐，其晶体结构由两个硅氧四面体晶片中夹一个铝（镁）氧（氢氧）八面体晶片组成，属2:1型层状硅酸盐矿物，其微观结构可以如图所示北京工业大学膨润土泥浆的作用原理™颗粒的单位晶层中存在极弱的键，钠离子本身半径小，离子价低，水很容易进入单位晶层间，引起晶格膨胀，吸水后形成一道不透水的防渗层。膨润土自身吸水结构发生变化的过程见图所示。北京工业大学膨润土泥浆的作用原理™膨润土在水化时，钠离子连接各层薄片，同时挤占与之接触的土颗粒之间的孔隙，积聚于土壤与泥水的接触表面，形成不透水的可塑性胶体，从而形成泥膜。北京工业大学高分子聚合物的作用原理™当可溶聚合物或部分可溶聚合物加入混合土体中，聚合物因吸水而膨胀，使得混合土体变得“干燥”，防止发生喷涌。北京工业大学高分子聚合物的作用原理™连接混合土中的微小颗粒，增强掌子面附近土体水的粘性，从而降低土体的渗透性，如CMC等，其作用原理如图所示，北京工业大学高分子聚合物的作用原理™实际应用的效果如图所示。北京工业大学高分子聚合物的作用原理™润滑混合土体并在螺旋输送机帮助形成“塞子”，使渣土顺利排出™阻止或减小土体与掌子面和其他金属表面之间的粘着力北京工业大学高分子聚合物的作用原理™抗阻塞性能™新发展的聚合物释放土粒之间的水，使泡沫较容易得进入土粒之间，增强土体的流动性和添加剂的功效，泡沫和分散型聚合物泡沫的作用功效分别如图所示敬请批评指正