土壓平衡掘進(jìn)機(jī)渣土改良技術(shù)規(guī)程條文說明

土壓平衡掘進(jìn)機(jī)渣土改良技術(shù)規(guī)程條文說明目次1總則 364改良劑材料 374.2泡沫劑性能要求 374.3分散劑性能要求 374.5高分子聚合物性能要求 384.6其他材料 385渣土改良裝備 395.1改良設(shè)備配置 395.2設(shè)備性能檢測 396渣土性能指標(biāo)及測定 416.1一般規(guī)定 416.2盾構(gòu)渣土取樣及制備要求 416.3坍落度試驗(yàn) 426.4滲透試驗(yàn) 426.5黏附強(qiáng)度試驗(yàn) 426.6抗剪強(qiáng)度試驗(yàn) 426.7壓縮試驗(yàn) 426.8其他試驗(yàn) 437渣土改良技術(shù)及檢驗(yàn) 447.1改良劑選型 447.2渣土改良參數(shù)確定 447.4渣土改良效果評價(jià)及檢驗(yàn) 458現(xiàn)場管理 468.1渣土改良風(fēng)險(xiǎn)管理 468.3改良裝備管理 46總則1.0.1盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，容易出現(xiàn)盾構(gòu)渣土結(jié)泥餅、噴涌、刀具磨損等問題，為了避免渣土結(jié)泥餅、噴涌，降低刀具磨損程度，需要往刀盤前方、土艙和螺旋輸送機(jī)里面注入改良劑對渣土進(jìn)行改良，便于渣土順暢排出和土艙壓力建立。1.0.2土壓平衡盾構(gòu)和土壓平衡頂管前方都是通過土艙里渣土介質(zhì)建立密封壓力來平衡開挖面，不同之處是拼裝支護(hù)結(jié)構(gòu)位置不同。因此兩者都面臨著渣土相關(guān)問題，本規(guī)程給出的條文適用于土壓平衡盾構(gòu)和土壓平衡頂管兩者的渣土改良，只是為了表述方面，規(guī)程標(biāo)題采用了土壓平衡掘進(jìn)機(jī)概括，相關(guān)條文中用盾構(gòu)渣土予以代替。4改良劑材料4.2泡沫劑性能要求4.2.1泡沫劑種類的選擇應(yīng)該土壓平衡掘進(jìn)機(jī)穿越的地層特性來選擇。一般應(yīng)進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)穿越地層取樣進(jìn)行分析；然后進(jìn)行室內(nèi)渣土改良試驗(yàn)，優(yōu)選泡沫劑類型和合適摻入比；最后在試掘進(jìn)階段進(jìn)行渣土改良效果的反饋、調(diào)整和確認(rèn)，確定最終的泡沫劑種類和較優(yōu)摻入比。4.2.2泡沫劑的發(fā)泡倍率可通過使用一定容積的容器灌滿泡沫后，稱出泡沫的凈重，再按下式計(jì)算出發(fā)泡倍數(shù)N：式中，為泡沫溶液的密度。泡沫半衰期可通過使用一定容積的底部帶錐形濾嘴容器灌滿泡沫后稱出泡沫的凈重，在錐形濾嘴底部放置一量筒容器，該容器放置于精度0.01g的天平上。記錄天平稱量質(zhì)量達(dá)到時所對應(yīng)的時間T，即為該泡沫劑所發(fā)泡沫的半衰期。4.2.3泡沫劑環(huán)保性能的要求還應(yīng)根據(jù)業(yè)主單位、承包商的要求開展相關(guān)試驗(yàn)研究。4.3分散劑性能要求4.3.1分散劑的選擇應(yīng)該土壓平衡掘進(jìn)機(jī)穿越的地層特性來選擇。分散劑大多針對黏性土地層、粉質(zhì)黏土地層、泥巖或泥質(zhì)砂巖使用的。一般應(yīng)進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)穿越地層取樣分析，特別應(yīng)關(guān)注黏粒含量，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中擠壓破碎黏粒也應(yīng)計(jì)入黏粒含量。當(dāng)黏粒含量超過25%時建議在泡沫劑溶液中摻入少量分散劑。兩者在使用之前應(yīng)進(jìn)行配伍試驗(yàn)，確認(rèn)分散劑不會或基本不會影響泡沫劑的起泡性能。4.4膨潤土泥漿性能要求4.4.1膨潤土泥漿外摻劑主要用在砂性土地層、礫砂地層或砂卵石地層等滲透性地層。膨潤土泥漿性能選擇應(yīng)與地下水壓力、掘進(jìn)機(jī)所穿越地層的滲透性和粒徑分布相匹配。地下水壓力越大、地層滲透性越大、粒徑越大，膨潤土泥漿密度和黏度均應(yīng)相應(yīng)提高。4.4.2膨潤土泥漿性能應(yīng)在現(xiàn)場取樣基礎(chǔ)上開展室內(nèi)渣土改良試驗(yàn)；然后在現(xiàn)場掘進(jìn)機(jī)試掘進(jìn)時進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。4.4.4泥漿顆粒粒徑分布曲線可采用激光顆分儀進(jìn)行測量。4.5高分子聚合物性能要求4.5.1高分子聚合物溶液使用溶度應(yīng)在現(xiàn)場取樣基礎(chǔ)上開展室內(nèi)渣土改良試驗(yàn)；然后在現(xiàn)場掘進(jìn)機(jī)試掘進(jìn)時進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。4.5.2高分子聚合物往螺旋排土器中注入防噴涌效果往往更好。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重噴涌時，還應(yīng)結(jié)合中盾注入克泥效止水環(huán)或者盾尾后方管片環(huán)注雙液漿形成止水環(huán)減少后方裂隙中來水防治噴涌效果更佳。4.6其他材料4.6.1當(dāng)掘進(jìn)機(jī)穿越中粗砂、礫砂和砂卵石地層且地下水壓超過20m時，渣土改良預(yù)案應(yīng)考慮采用多種改良劑復(fù)合的方式進(jìn)行改良；當(dāng)掘進(jìn)穿越標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)到20擊以上的黏土地層和含泥量超過30%且無側(cè)限抗壓強(qiáng)度超過50MPa以上時，渣土改良預(yù)案應(yīng)考慮采用多種改良劑復(fù)合的方式進(jìn)行改良。4.6.2采用酸性剝離劑剝離刀盤和刀具上泥餅時，應(yīng)該評估可能對刀具和刀盤的腐蝕不利影響。5渣土改良裝備5.1改良設(shè)備配置5.1.1土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)過程中，水泵和泡沫原液泵連續(xù)工作，泵出的水和泡沫原液在管路中混合，混合液再通過溶液計(jì)量調(diào)節(jié)閥閥調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入泡沫發(fā)生器。同時，空壓機(jī)提供的壓縮空氣通過空氣劑量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量后也進(jìn)入泡沫發(fā)生器?；旌弦汉涂諝馔ㄟ^泡沫發(fā)生器生成泡沫后，分別注入到后部的各個管路中。5.1.2高分子聚合物及分散劑在加入泡沫系統(tǒng)原液箱和膨潤土系統(tǒng)儲存箱拌制前，需對箱內(nèi)和管路進(jìn)行沖洗，確保管路的暢通，以免影響高分子聚合物及分散劑注入后浸泡的效果。5.1.4單管單泵注入模式的泡沫注入量是根據(jù)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、土倉壓力、泡沫劑濃度等參數(shù)計(jì)算盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中實(shí)際需要注入的泡沫總量。然后自動啟動后，程序自動把泡沫注入量分配給單管單泵泡沫注入系統(tǒng)，根據(jù)分配的泡沫注入量計(jì)算混合液的流量與氣體流量，通過PID對變頻器與其調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，達(dá)到注入泡沫的效果。5.1.6泡沫水泵管路上的壓力傳感器和電磁流量計(jì)分別用于測量水的壓力和流量。5.1.7混合控制是在觸摸屏控制下，通過變頻螺桿泵準(zhǔn)確輸出水與原液，按比例在管道內(nèi)混合配制成溶液。注入控制是溶液由管路通過流量閥調(diào)整流量后與按比例調(diào)整的壓縮空氣混合，通過發(fā)泡器發(fā)泡注入土倉內(nèi)。5.1.11手動控制就是操作手可以根據(jù)需要對各管路的泡沫混合液流量和空氣流量進(jìn)行自主調(diào)節(jié)。半自動控制是泡沫系統(tǒng)運(yùn)行后，PLC根據(jù)各路設(shè)定的泡沫混合液流量和發(fā)泡比控制泡沫系統(tǒng)的注入。自動控制在掘進(jìn)時才能運(yùn)行，PLC根據(jù)推進(jìn)速度自動控制泡沫系統(tǒng)的注入。5.2設(shè)備性能檢測5.2.1土壓平衡掘進(jìn)機(jī)始發(fā)前及掘進(jìn)中，應(yīng)對泡沫系統(tǒng)進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)泡沫原液及混合液罐中存在雜質(zhì)應(yīng)當(dāng)及時清理，避免造成泵堵塞；對刀盤上噴口進(jìn)行破損檢查并保證一定時間的噴水，既保證實(shí)現(xiàn)功能，又保證對整體管路起到?jīng)_刷作用；對泡沫系統(tǒng)球閥進(jìn)行檢查，以免造成球閥誤開導(dǎo)致流量減少及壓力降低。5.2.5泡沫管路堵塞時的表現(xiàn)：觀察和測試各流量計(jì)和劑量控制閥，對每條管路上各壓力表的數(shù)值及劑量控制閥的閥門開度進(jìn)行記錄并與無故障時進(jìn)行比較。若出現(xiàn)以下情況，可判定為泡沫管路堵塞：1從液路出發(fā)，若發(fā)生故障時管路上某壓力表的讀數(shù)比正常狀態(tài)下大很多，且故障狀態(tài)時管路上各壓力表的讀數(shù)基本相同，說明該壓力表所在液體管路不暢，致使溶液量遠(yuǎn)低于盾構(gòu)機(jī)司機(jī)發(fā)出的指令要求。2從氣路出發(fā)，若發(fā)生故障時管路上各壓力表的讀數(shù)比正常狀態(tài)下大很多，且故障狀態(tài)時管路上各壓力表的讀數(shù)基本相同，說明該壓力表所在氣體管路完全堵塞，致使氣體的流量變?yōu)榱恪?.2.6泡沫原液泵定子磨損的常見處理方法：1泡沫原液罐底部存在細(xì)小砂粒時，應(yīng)及時清洗泡沫罐，加強(qiáng)泡沫原液補(bǔ)充時的細(xì)節(jié)管理，解決泥砂混入罐中的問題。2泡沫原液泵管路上的軟管有漏氣現(xiàn)象時，應(yīng)及時更換破損軟管，接口可靠連接，解決泡沫原液泵吸入管的漏氣問題。3膨潤土倒灌泡沫管路，堵塞泡沫發(fā)生器時，應(yīng)將泡沫發(fā)生器拆卸清洗，加強(qiáng)膨潤土儲運(yùn)管理，避免膨潤土污染。6渣土性能指標(biāo)及測定6.1一般規(guī)定6.1.1良好的流動性和壓縮性有助于盾構(gòu)排土和控制土倉壓力，合適的塑性、抗剪強(qiáng)度和黏附強(qiáng)度則有助于提高盾構(gòu)的掘進(jìn)效率，降低刀具磨損和結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)，較小的滲透性則能減小盾構(gòu)噴涌和噴土的風(fēng)險(xiǎn)。對于不同的地層，盾構(gòu)穿越會具有不同的施工風(fēng)險(xiǎn)，需針對不同的風(fēng)險(xiǎn)開展渣土性能試驗(yàn)；對于黏性地層，刀盤或土倉結(jié)泥餅、土壓力穩(wěn)定性、排土困難等是制約盾構(gòu)掘進(jìn)的關(guān)鍵問題，因此宜測定渣土的塑流性、黏附性、壓縮性和抗剪強(qiáng)度，對于非黏性地層，螺旋輸送機(jī)噴涌、刀具磨損、土壓力穩(wěn)定等是制約盾構(gòu)掘進(jìn)的關(guān)鍵問題，因此宜測定渣土的塑流性、滲透性、壓縮性和抗剪強(qiáng)度。6.1.2坍落度試驗(yàn)操作便捷，是目前渣土塑流性分析的常用手段。渣土改良狀態(tài)通常分為過改良、欠改良和合適改良三種狀態(tài)，其中合適改良時渣土具有一定的坍落度、規(guī)則的坍落形狀和較好的保水能力，合適改良坍落度值通常結(jié)合試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)獲得。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)渣土處于帶壓狀態(tài)下，室內(nèi)坍落度試驗(yàn)的渣土狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)有所差別，且由于地層含水率、土樣種類等復(fù)雜多變，渣土合適改良坍落度值宜位于一定范圍之間，且應(yīng)結(jié)合合盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)、渣土級配以及渣土坍落后狀態(tài)進(jìn)行綜合評判。6.1.3~6.1.6渣土性能要求通常以滿足常規(guī)盾構(gòu)掘進(jìn)需求進(jìn)行確定，然而不同的盾構(gòu)類型、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)形式等會有不同的渣土性能要求，此時應(yīng)結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)和工程需求進(jìn)行綜合確定。6.2盾構(gòu)渣土取樣及制備要求6.2.1渣土在盾構(gòu)掘進(jìn)時已改良，渣土取樣時應(yīng)獲取盾構(gòu)渣土改良參數(shù)和改良劑性能，悉知地層參數(shù)和盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)，并考慮如泡沫等改良劑的時間效應(yīng)，按試驗(yàn)需求進(jìn)行取樣；6.2.2、6.2.3盾構(gòu)渣土改良性能試驗(yàn)包括渣土改良前性能和改良后性能，綜合對比改良前后的渣土狀態(tài)并結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)分析來綜合評判渣土改良參數(shù)的合理性。因此進(jìn)行渣土改良參數(shù)試驗(yàn)時，應(yīng)選擇渣土改良目標(biāo)區(qū)段的地勘鉆孔取出的土層或者同地層未經(jīng)改良的基坑土等。6.3坍落度試驗(yàn)6.3.1~6.3.5不同坍落度筒具有不同的具有不同的試驗(yàn)要求和試驗(yàn)結(jié)果，渣土常規(guī)塑流性分析宜采用標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒，標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒適用性強(qiáng)，理論研究較為充分。當(dāng)采用非標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒進(jìn)行試驗(yàn)時，應(yīng)考慮渣土的尺寸效應(yīng)，不宜選擇過小的坍落度筒進(jìn)行試驗(yàn)。與一般坍落度不同，渣土坍落度還應(yīng)考慮改良劑的時間效應(yīng)，及時開展試驗(yàn)。當(dāng)測定盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)中渣土坍落度代表值時，應(yīng)對渣土進(jìn)行多次取樣測量坍落度平均值作為代表值。6.4滲透試驗(yàn)6.4.1~6.4.3渣土的抗?jié)B性是保障盾構(gòu)安全掘進(jìn)的關(guān)鍵因素，當(dāng)?shù)叵滤畨狠^大、渣土抗?jié)B性較差時，則容易發(fā)生“噴涌”，危害盾構(gòu)施工安全，因此應(yīng)通過滲透試驗(yàn)測定渣土抗?jié)B性能，以避免“噴涌”的發(fā)生。6.5黏附強(qiáng)度試驗(yàn)6.5.1~6.5.4盾構(gòu)渣土黏附強(qiáng)度與結(jié)泥餅現(xiàn)象息息相關(guān)，當(dāng)渣土黏附強(qiáng)度較高時，渣土更容易黏附在刀盤刀具表面，并在壓縮、高溫等作用下形成堅(jiān)硬的泥餅，堵塞刀盤開口，降低刀具切削性能和盾構(gòu)掘進(jìn)效率，因此應(yīng)開展渣土黏附強(qiáng)度試驗(yàn)，評價(jià)盾構(gòu)結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)。6.6抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)6.6.1~6.6.4盾構(gòu)渣土抗剪強(qiáng)度是決定盾構(gòu)掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)渣土抗剪強(qiáng)度適宜時，盾構(gòu)刀盤刀具切削效率更高，磨損更低，螺旋輸送機(jī)出渣更流暢，有利于盾構(gòu)掘進(jìn)。6.7壓縮試驗(yàn)6.7.1盾構(gòu)渣土壓縮性影響著盾構(gòu)土倉壓力控制、開挖面支護(hù)應(yīng)力的分布和地層變形等，從而影響盾構(gòu)施工力學(xué)行為。渣土改良劑中泡沫劑能顯著增強(qiáng)渣土的壓縮特性，使得土倉中的渣土形成一個“緩沖層”，不僅有利于提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率，也有利于降低土倉壓力波動對開挖面穩(wěn)定性的影響。因此宜測定渣土壓縮特性以獲得更好的渣土性能。6.8其他試驗(yàn)6.8.1~6.8.2影響改良渣土性能不僅包括改良參數(shù)，還包括改良劑性能。對于不同的地層，不同類型、不同種類的渣土改良劑會有不同的作用效果，因此進(jìn)行渣土改良前應(yīng)開展改良劑選型試驗(yàn)，以期選擇當(dāng)前地層最適宜的渣土改良劑。當(dāng)采用泡沫劑進(jìn)行渣土改良時，除了選擇合適的泡沫劑外，還應(yīng)確定適宜的發(fā)泡壓力和發(fā)泡濃度，以產(chǎn)生性能最佳的泡沫；當(dāng)采用分散劑進(jìn)行渣土改良時，由于分散劑通常用于盾構(gòu)結(jié)泥餅的預(yù)防和處治，因此還應(yīng)對比不同分散劑對渣土界限含水率和黏附強(qiáng)度等的影響；當(dāng)采用不同改良劑進(jìn)行組合改良時，應(yīng)通過對比改良前后的渣土性能試驗(yàn)進(jìn)行組合改良的效果評價(jià)和組合改良的選型，并考慮組合改良時改良劑之間相互作用的影響。7渣土改良技術(shù)及檢驗(yàn)7.1改良劑選型7.1.1不同改良劑作用機(jī)理不同，對渣土性能具有不同的改良效果，因此需針對不同的施工風(fēng)險(xiǎn)選擇合適的渣土改良劑。在實(shí)際工程中，盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)有時可能不止一種，此時則需要組合2種及以上的改良劑來進(jìn)行渣土改良。7.1.2需注意的是，室內(nèi)渣土狀態(tài)和實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)的渣土狀態(tài)有所差別，在盾構(gòu)排渣過程中不同位置的渣土通常具有不同的破碎程度和改良狀態(tài)，室內(nèi)試驗(yàn)所得渣土改良參數(shù)在實(shí)際工程中不一定能獲得最好的改良效果，因此，改良參數(shù)還需要結(jié)合實(shí)際的盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行確定，通過盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的反饋適當(dāng)調(diào)整渣土改良參數(shù)。7.2渣土改良參數(shù)確定7.2.2土壓平衡盾構(gòu)不僅在黏土地層中易結(jié)泥餅，當(dāng)?shù)貙又屑?xì)顆粒含量較多，細(xì)顆粒充分包裹粗顆粒時，粗-細(xì)顆?；旌系酿ば缘貙又幸步Y(jié)泥餅。因此，通過渣土的臨界表面積比來確定地層的結(jié)泥餅可能性，且在實(shí)際工程進(jìn)行渣土改良時也有可能注入膨潤土等細(xì)顆粒泥漿，這些細(xì)顆粒也可能造成盾構(gòu)結(jié)泥餅，也應(yīng)作為地層表面積比的計(jì)算依據(jù)。常見比表面積測試方法，如氣體吸附法雖然能較為準(zhǔn)確得出細(xì)微顆粒的比表面積，但無法測量較大粒徑顆粒的比表面積，相比之下，比表面積計(jì)算過程中將土顆粒視為球形，這與實(shí)際渣土情況雖然有所差別，但能計(jì)算出渣土各粒徑范圍的比表面積，且更加簡單和方便。選取粉質(zhì)黏土土樣為例，說明本規(guī)程涉及的表面積比計(jì)算方法。粉質(zhì)黏土在烘干破碎后得到的試樣如圖7.2.2-1所示，進(jìn)一步對土樣進(jìn)行篩分，得到土樣的各粒徑級配曲線如圖7.2.2-2所示，通過7.2.2計(jì)算方法獲得各粒徑范圍的比表面積，然后通過各粒組比表面積和相應(yīng)質(zhì)量的乘積獲得各粒組顆粒的表面積大小，如表7.2.2所示，最終獲得粒徑小于0.15mm顆粒表面積與粒徑大于0.15mm顆粒表面積之間的比值，即粉質(zhì)黏土細(xì)、粗顆粒表面積比為356:1，遠(yuǎn)大于臨界表面積比25:1，因此盾構(gòu)在此地層中掘進(jìn)時易結(jié)“泥餅”，需要通過渣土改良預(yù)防“泥餅”產(chǎn)生。圖7.2.2-1干燥破碎后粉質(zhì)黏土土樣圖7.2.2-2粉質(zhì)黏土土樣級配曲線表7.2.2粉質(zhì)黏土各粒組表面積土樣種類土樣粒徑范圍（mm）質(zhì)量（g）比表面積（cm2/g）表面積（cm2）粉質(zhì)黏土<0.07581.363826.30311307.7680.075~0.14.29260.731118.53170.1~0.153.99178.44711.97560.15~0.254.95111.94554.1030.25~0.55.4160.15325.41157.2.3~7.2.5渣土改良參數(shù)確定的過程中還需要結(jié)合實(shí)際的工程情況進(jìn)行確定，如對于砂性渣土而言，當(dāng)?shù)貙铀畨狠^低，或盾構(gòu)穿越地層為非富水地層，且穿越地層上下為弱透水層時，可適當(dāng)放寬渣土低滲透性要求，渣土改良主要考慮流動性、壓縮性和強(qiáng)度要求；相反，當(dāng)盾構(gòu)穿越地層為富水地層，地下水壓力較大時，應(yīng)加強(qiáng)改良渣土的低滲透性