黏性地层盾构渣土改良剂性能试验研究.pdf
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1、-105-黏性地层盾构渣土改良剂性能试验研究杜 冰(山东高速青岛产业投资有限公司,山东 青岛 266000)摘要:基于黏性地层土压平衡盾构渣土改良剂性能要求,开展黏性地层专用的“泡沫剂+抗黏剂”组合改良剂的性能试验研究。首先对改良剂组合进行优选,并开展常温和变温条件下的性能试验,试验结果表明:抗黏剂中的非离子分散剂会使得泡沫液体表面张力降低,泡沫变薄,体积增大。溶液浓度过高时,表面活性剂浓度超过了临界胶束浓度,增加液膜厚度,阻碍泡沫内气体膨胀使得泡沫体积变小,最大发泡倍率出现在3%浓度时;温度升高会降低改良剂溶液中的分子间作用力,增强起泡能力,提高发泡倍率,但温度升高会出现水分蒸发,膜变薄易破
2、灭,难以堆积,泡沫半衰期会大幅减少。关键词:黏性地层;土压平衡盾构;渣土改良;改良剂性能中图分类号:U443文献标识码:AExperimental study on the performance of shield soil conditioning agent for clay strataDU Bing(Shandong High-speed Qingdao Industry Investment Co.,Ltd.,Shandong Qingdao 266000 China)Abstract:Basedontheperformancerequirementsofearthpressure
3、balanceshieldsoilconditioningagentforclaystrata,thispapercarriedouttheperformancetestresearchof“foamagent+anti-clayagent”combinationconditioningagentforclaystrata,firstly,thecombinationofagentisselectedandtheperformancetestwascarriedoutundernormalandvariabletemperatureconditions.Thetestresultsshowth
4、atthenon-ionicdispersantintheanti-clayagentwouldmakethesurfacetensionofthefoamliquiddecrease,thefoambecomethinnerandthevolumeincrease.Whenthesolutionconcentrationwastoohigh,thesurfactantconcentrationexceededthecriticalmicelleconcentration,whichincreasedtheliquidfilmthicknessandhindersthegasexpansion
5、inthefoam,makingthefoamvolumesmaller,andthemaximumfoammultiplierappearedat3%concentration;thetemperatureincreasewouldreducetheintermolecularforceinthemodifiersolution,enhancedthefoamingabilityandincreasedthefoammultiplier,butthetemperatureincreasewouldresultinwaterevaporation,filmthinningandeasytobr
6、eak,difficulttoaccumulate,andthefoamhalf-lifewouldbesignificantlyreduced.Key words:claystrata;earthpressurebalanceshield;soilconditioning;theperformanceofconditioningagent引言城市轨道交通建设过程中,隧道施工中土压平衡盾构施工因其施工效率高、受环境影响小及安全可靠等优点得到广泛应用1。土压平衡盾构施工关键是将前方地层土体切削下来,在土仓和螺旋输送机内调整成一种易于运输的“流塑性状态”,保证排渣顺畅,平衡土仓和掌子面的压力,保证
7、施工安全高效进行2。盾构施工会面临各种严峻的工程挑战3。在渗透性较大的砂卵石地层进行盾构开挖时,会遇到地层出现液化及螺旋输送机喷涌等问题,还易出现刀盘磨损严重、轴承损耗加重和换刀频繁的工程问题4;而在盾构穿越黏性土含量较高地层时,容易产生刀盘结泥饼、堵塞等问题导致施工效率低下及盾构姿态难以控制等工程问题5。解决问题最常用的方法就是进行渣土改良,常见的改良剂有水、膨润土、泡沫剂、分散剂及聚合物等。盾构刀盘切削渣土进行改良并运输的整个施工过程需要时间,对渣土改良剂性能也提出具体要求,如泡沫发泡倍率及泡沫稳定性要符合一定标准,才能使渣土在开挖运输的整个过程都保持流塑性状态,相关学者开展了许多对改良剂
8、性能的研究。李树忱收稿日期:2022-12-05作者简介:杜冰(1986),男,山东德州人。杜 冰:黏性地层盾构渣土改良剂性能试验研究-106-等6研发了新型的泡沫剂和喷涌防止剂,对改良剂进行半衰期及发泡倍率试验测定,评价其性能,并对富水砂层的改良效果进行评价,提出富水砂层的喷涌防治工艺。赵世森等7自主研发了泡沫性能测试系统,可同时测定压力条件下泡沫衰变过程中的平均半径及溶液析出量半衰期,建立了泡沫的平均半径演变规律与半衰期统一联系。贾恒琼等8近似模拟盾构机泡沫发生装置,并提出了评价泡沫性质的发泡倍率和半衰期,并建立对应测试方法。张新全等9研制了用于室内检测泡沫剂性能的试验装置,研究了泡沫剂的
9、半衰期、发泡倍率、表面张力等性能、对泡沫剂的性能优劣做出了判断,为盾构施工泡沫剂选择提供参考。目前针对高黏性地层通常采用泡沫剂+抗黏剂组合改良的方式对黏性地层进行改良,但针对组合改良剂的性能研究较少。1 改良剂优选及性能试验装置针对实际盾构施工穿越黏土矿物含量较高地层,易出现结泥饼、堵塞及排渣不畅等问题,优选适用与黏土改良的TecSoil-210NF新型高性能泡沫剂、TecSoil-260AC抗黏剂。试验室泡沫发生装置由空压机、混合器、流量计、改良剂流量控制器、改良剂容器、气体管道、液体管道组成。该设备可以控制压力、气体和液体流量,控制气液体流动比率,得到一定发泡倍率的泡沫。泡沫半衰期测定装置
10、由泡沫测定桶、电子秤、液体滴落盛放容器以及支撑架组成。该装置可以测定泡沫的稳定性,通常用泡沫消散一半所用的时间即半衰期来衡量。除上述主要试验装置外,还需要天平、烧杯、温度计、电加热水壶等试验设备。2 试验方案2.1 常温下改良剂性能试验方案发泡倍率主要反映泡沫质量,发泡倍率的高低将直接影响泡沫性能,在盾构施工过程中,泡沫剂改良渣土是通过大量微小的气泡来实现的,大量增加土体中的气相,改变土体的三相组成。为了达到渣土改良目的,泡沫剂应具有优秀的发泡能力,需要对选用的泡沫剂及泡沫剂+高分子抗黏剂组合改良剂发泡倍率进行测定,并根据实际选择较优性能的组合改良剂浓度及配合比10。泡沫剂溶液通过发泡生成泡沫
11、的体积膨胀倍数,是盾构施工工程中衡量泡沫剂性能的常用指标,通过相关文献查阅和盾构施工调研发现,一般盾构施工渣土改良所用泡沫剂发泡倍率都在520倍之间11。半衰期是表征泡沫稳定性重要指标12。一般通过测试泡沫随时间的消散程度进行研究,当泡沫消散程度为一半泡沫质量时对应时刻称为泡沫的半衰期。通过试验研究不同泡沫剂与高分子抗黏剂组合作用下改良剂性能变化,抗黏剂与泡沫剂配合比,即抗黏剂与泡沫剂原液体积比。试验按照不同配合比配制不同改良剂,试验选取组合改良浓度为1%5%,试验用水采用常温水(16),分组进行发泡倍率和半衰期的测定。设置试验组见表2。表 2 常温条件下改良剂基本性能测定试验方案试验组号配合
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