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膨润土在地铁盾构施工中的应用

膨润土在地铁盾构施工中的应用,膨润土一般分为钠基和钙基膨润土,在工程中多使用钠基膨润土(本试验中也选用了钠基膨润土),其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问,引起晶格膨胀,颗粒的体积膨胀为原来颗粒体积的 l0~40 倍,吸水后形 成一道不透水的防渗层。若再经过一段较长时间,膨润土颗粒会变成膏脂状,渗透系数可以降到 1×10-7m/s 以下,几乎不透水。 从微观结构来看,膨润土颗粒是粒径小于 2μm 的无机质,主要结构体系为 Si―Al―si,是由云母状薄片堆垒而形成的单个颗粒。这些薄片层的上下表面带负电,因而膨润土的构成单位是互相排斥的。膨润土在水化时,水分子沿着 Si―Al―Si 结构单位的硅层表面被吸附,使得相邻的结构单位层之间的距离加大。钠基膨润土单位结构层问能吸附大量的水,层间距离大,膨胀率高,钠离子连接各层薄片。膨润土水化后,形成不透水的可塑性胶体,同时挤占与之接触的土颗粒之间的孔隙,形成致密的不透水的防水层,从而达到防水的目的。 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。土压平衡式盾构施工对加入的膨润土泥浆的一个基本要求就是它能够形成“滤饼”,可以形成于土粒内部和土粒之间,由胶结和固结的膨润土组成。这个“滤饼”可以演变为一个低渗透性的薄膜,从而可以将过量的地下水压力中的液体压力转化为土颗粒和土颗粒之间的有效应力,这对稳定地层防止推进中的地面塌陷至关重要。

不同压实密度的
膨润土的主要差别在于其土体颗粒问孔隙的大小,当密度大时,单位空间中的土体颗粒及吸附水层所占的体积就大,渗流液体通道就窄。由于膨润土的高吸湿膨胀性和自封闭性,遇水时极度膨胀,其密度越大,膨胀倍数越大,同样的渗流空间留给过流液体的通道就越窄,其渗流系数也就降低了。 3.3 适合使用膨润土改良的地层 (1)细粒含量少的土体 根据国内外众多的施工经验,在土压平衡式盾构施工中,为了使开挖下来的渣土具有一定的流动性和止水性,保证盾构机的正常推进,盾构机压力舱内的土体必须保证一定含量的微细颗粒,有相关资料显示这种微细颗粒的含量应该在 35%以上。所以膨润土泥浆适用于细料含量少的中粗砂土、砂砾土、卵石漂石地层等等,主要原因就在于膨润土泥浆能够补充砂砾土中相对缺乏的微细粒含量,提高和易性、级配性,从而可以提高其止水性。 (2)透水性高的土体 膨润土泥浆这种添加材料适用于高透水性的土体,这主要是因为在透水性较低的地层中,膨润土泥浆相对难以渗入土体并填充孔隙,渗入的距离短因此难以和土体广范围结合从而包裹土体颗粒。土体的低透水性最终导致土颗粒周围的低渗透性的膨润土泥膜非常难以形成。 风井始发后进入全断面砂层,砂层地质细粒含量少,土体摩擦很大,透水性也很高。所以本工程是非常适合使用膨润土进行土体改良。 3.4 膨润土浆液的作用 在会黄区间全断面砂层中掘进选择膨润土作为渣土改良剂可提高砂土的含量,补充土体的微细粒组成成份,使土体的内摩擦角变小,增加开挖土体的流动性和不透水性,主要作用如下: (1)降低土体的渗透系数,使其具有良好的止水性,以控制地下水的流失。 (2)可有效的提高土体的保水性,防止渣土的离析、沉淀和板结。膨润土在地铁盾构施工中的应用 

(3)使渣土具有较好土压平衡效果,有利于开挖面,控制地表沉降。 (4)使土体有较低的内摩擦角,降低刀盘扭矩,减少对刀盘和螺旋输送机的磨损。 (5)使切下来的渣土顺利快速的进入土舱,并利于螺旋机顺利排土,提高掘进速度。 3.5 
膨润土浆液使用配比研究 3.5.1 膨润土浆液的配比研究 通过对掘进过程中各项参数及出渣效果研究发现,采用膨润土浆液进行渣土改良的效果有: (1)渣土粘性、和易性明显增大,但渣土也明显变得更稀,对渣土的改良效果较差; (2)相同的掺入量,水土比越大,渣土和易性越好,对渣土的稀释作用越小。 在富水砂层中掘进采用膨润土对渣土进行改良,能有效降低刀盘扭矩,改善渣土的和易性。 3.5.2 膨润土浆液与渣土配比研究 通过膨润土浆液与渣土的配比实验,指导施工如何使用膨润土浆液。 按比例 1:7 配制出来的土样为可塑状、流动性大;按比例 1:9 配制出来的土样为可塑状、有少许流动性;按比例 1:10,配制出来的土样为可塑性、即不可流动性又干土样。由上述几种配比可知,浆液与粉质粘土较为合适的配比为 1:9。此外,实验时还在膨润土浆液中加入少许泡沫剂,改良效果更好,盾构每掘进一环理论出土量为 46m3,在中细砂掘进一环使用膨润土浆液为 11.5m3。结合现场实际情况每环使用膨润土浆液为 6~8m3。

膨润土浆液在实际施工中的使用 本工程使用的海瑞克盾构机上配备了膨润土浆液注入系统,膨润土系统主要包括:1 个4m3 的膨润土罐,1 台膨润土螺杆型注射泵, 流量为 10m3/h,分四条管路注入土舱内,土舱内设有四个出浆孔,能够保证膨润土能够均匀的注射到切削面。 由于膨润土浆液用量较大,更简便快捷的使用膨润土浆液成为施工能够顺利开展的前提条件。首先在风井处修砌一个容量约 300m3 的膨润土浆液池,由于膨润土浆液刚搅拌出来改良砂层土体不理想,放置 24 个小时后有更好的改善效果,所以将膨润土池平均分为两部分,一部分为新浆调制池,另一部分为放置 24 小时后的浆液作为盾构掘进使用,膨润土浆液池容量可满足 24 小时内掘进 20 环的施工需求。 膨润土浆液池通过镀锌钢管连接盾构机备用管路,最后用胶皮管引入盾构机上膨润土罐内。地面用 22KW 的泥浆泵进行供给。盾构机操作室内配备电话与膨润土搅拌站直接相连接,保证地上地下的及时沟通,做到了信息化施工,使地面膨润土搅拌站能够及时迅速的供给膨润土浆液,满足了快速均匀连续的施工要求。 膨润土在地铁盾构施工中的应用

膨润土浆液实际使用的效果 本工程在全断面砂层中掘进使用膨润土改良土体的措施解决了推进速度缓慢,推进一环的时间过长,刀盘扭矩偏大,超挖严重的现象。膨润土不仅可以有效改良砂层土体,防止超挖现象严重引起的地面过大的沉降,而且形成的“泥膜”也可以稳固富水砂层的流动性,减小发生喷涌的可能性,同时同步注浆也可以顺利的注入,更进一步减小了地面的沉降量。 在工期短,施工质量要求高的前提下,全断面高压富水砂层中盾构机掘进使用膨润土浆液进行改良土体不仅做到了使盾构机均匀、迅速、稳定的穿越,缩短了工期,节约了成本,并且达到了施工质量要求。 6 结语 通过膨润土浆液配比的研究,使得盾构在掘进过程中针对粉细黏土砂地质添加膨润土改良剂的方法,有效地解决了盾构机在全断面砂层及粘土层掘进效率低下的问题,避免了刀盘泥饼的生成,本文通过对膨润土浆液的研究和实验效果对比的方式,系统阐述了盾构掘进过程中膨润土改良剂的使用,为今后类似地层盾构施工提供借鉴与依据。
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