阅读说明：本技术 一种富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂及其制备方法 (Water-rich sand-gravel stratum shield muck improvement additive and preparation method thereof ) 是由 李树忱 段壮 袁超 王修伟 支斌 周慧颖 万泽恩 王九公 刘祥坤 王曼灵 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂及其制备方法,所述渣土改良外加剂一种富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂,其包含或由以下质量含量的成分组成：增粘剂A 0.1～1wt％,增粘剂B 0.025～1wt％,表面活性剂0.025～0.5wt％,泵送剂1～10wt％、pH调节剂0.01～0.06wt％、矿物类改良剂5～15wt％和水。采用本发明所述的渣土改良外加剂对富水砂卵地层盾构渣土进行改良后,能较好的避免和减轻土压平衡盾构施工时喷涌的发生,保障施工的安全顺利实施,而且切削下的土体易于输送。(The invention provides a water-rich sand-gravel stratum shield muck improving additive and a preparation method thereof, wherein the muck improving additive is a water-rich sand-gravel stratum shield muck improving additive which comprises or consists of the following components in percentage by mass: 0.1-1 wt% of tackifier A, 0.025-1 wt% of tackifier B, 0.025-0.5 wt% of surfactant, 1-10 wt% of pumping agent, 0.01-0.06 wt% of pH regulator, 5-15 wt% of mineral modifier and water. After the muck improving additive is used for improving the shield muck of the water-rich sand-gravel stratum, the occurrence of gushing during the construction of the earth pressure balance shield can be better avoided and reduced, the safe and smooth implementation of the construction is ensured, and the cut soil body is easy to convey.)

一种富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及道施工技术领域，具体涉及一种富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

土压平衡盾构通过土仓土压与开挖面水土压力平衡进行隧道开挖，需要将刀盘切削下的土体调节为具有一定流动性、低渗透、低粘聚的土体，工程以及实验中一般认为渗透系数不大于10^-5cm/s量级、坍落度为150～220mm的土体满足开挖条件。

在渣土改良过程中要根据具体的地层情况选择合适的改良剂，主要的改良剂包括以下几种：第一，矿物类改良剂。主要是以膨润土以及蒙脱土作为主要原料，使用制浆设备对其进行均匀拌制后，泵送到开挖土体内，保证土体的流塑性以及不透水性。第二，水溶性高分子类改良剂。同样采用的是高分子化合物材料，在盾构施工过程中，一般使用CMC等能够增加开挖施工面土体的黏性。第三，界面活性材料类改良剂。这是当前我国盾构施工过程中应用比较广泛的渣土改良剂，是在开挖的土体内直接注入泡沫剂，提高渣土的流塑性以及不透水性，能够防止在开挖过程中土体产生黏附效果。

工程中一般采用泡沫剂与膨润土单独或混合使用来改良地层，然而，发明人发现，在掘进中遇到高水压、高渗透性的富水砂卵石地层时，由于砂卵石含量高、无粘聚力等特点，土体传送效果差，排土困难，极易发生喷涌事故，并且一旦发生大规模喷涌，易造成管片衬砌垮塌、隧道结构失稳，不仅威胁施工人员的安全，而且区间隧道以及施工设备也将直接报废，损失难以估量，在这种土体条件下，地下水丰富，土体颗粒中的自由水不能充分被泡沫置换出来，土体渗透性得不到较大程度改善；若用膨润土泥浆改良，丰富的地下水丰起到稀释作用，膨润土泥浆黏度下降，容易从渣土中析出，故仅添加泡沫与膨润土难以满足要求。

发明内容

因此，本发明的目的是针对富水砂卵地层土体渗透系数大、易发生喷涌，无粘聚力，土体流塑性较差，传送效果差，排土困难等问题，提供一种富水砂卵地层土压平衡盾构的渣土改良剂及其制备方法，改良后能较好的避免和减轻土压平衡盾构施工时喷涌的发生，保障施工的安全顺利实施，而且切削下的土体易于输送。

具体地，本发明的技术方案如下所述：

在本发明的第一方面，本发明提供了一种富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂，其包含或由以下质量含量的成分组成：增粘剂A 0.1～1wt％，增粘剂B 0.025～1wt％，表面活性剂0.025～0.5wt％，泵送剂1～10wt％、pH调节剂0.01～0.06wt％、矿物类改良剂5～15wt％和水(各成分含量总量≤100％)。

在本发明的一些实施方式中，所述富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂由以下质量含量的成分组成：增粘剂A 0.2～0.8wt％，增粘剂B 0.04～0.8wt％表面活性剂0.05～0.4wt％，泵送剂1～6wt％，pH调节剂0.02wt％，矿物类改良剂5～12wt％，余量为水(各成分含量总量为100％)。

在本发明的一些实施方式中，所述富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂由以下质量含量的成分组成：增粘剂A 0.2～0.8wt％，增粘剂B 0.1～0.4wt％表面活性剂0.05～0.4wt％，泵送剂4wt％，pH调节剂0.02wt％，矿物类改良剂8～12wt％，余量为水(各成分含量总量为100％)。

在本发明更为优选的实施方式中，所述富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂由以下质量含量的成分组成：增粘剂A 0.2wt％，增粘剂B 0.1wt％，表面活性剂0.06wt％，泵送剂4wt％，pH调节剂0.02wt％，矿物类改良剂8wt％，余量为水；或者，所述富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂由以下质量含量的成分组成：增粘剂A 0.4wt％，增粘剂B 0.2wt％，表面活性剂0.12wt％，泵送剂4wt％，pH调节剂0.02wt％，矿物类改良剂9wt％，余量为水；或者，所述富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂由以下质量含量的成分组成：增粘剂A 0.6wt％，增粘剂B 0.3wt％，表面活性剂0.25wt％，泵送剂4wt％，pH调节剂0.02wt％，矿物类改良剂10wt％，余量为水；或者，所述富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂由以下质量含量的成分组成：增粘剂A 0.8wt％，增粘剂B 0.4wt％，表面活性剂0.3wt％，泵送剂4wt％，pH调节剂0.02wt％，矿物类改良剂12wt％，余量为水；具有以上组成的改良外加剂用于改良富水砂卵地层，且在相同注入率地情况下，改良后的地层流塑性更好，渗透系数相对更低。

在本发明的实施方式中，矿物类改良剂的加入，增加了土体的保水性和流塑性，易于出渣。其中，所述矿物类改良剂为蒙脱土和/或膨润土，尤其为膨润土时该效果更好，进一步地，所述膨润土为钠基膨润土和/或钙基膨润土。

在本发明的实施方式中，所述增粘剂A选自阴离子聚丙烯酰胺、阳离子聚丙烯酰胺和两性聚丙烯酰胺中的一种或多种，优选为阴离子聚丙烯酰胺。

在本发明的实施方式中，所述增粘剂B选自疏水改性纤维素，优选为十六烷基羟乙基纤维素。

在本发明的实施方式中，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂，选自十二醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二水合硫酸钠中的一种或多种，优选为十二醇聚氧乙烯醚硫酸钠。

在本发明的实施方式中，所述pH调节剂为纯碱。

在本发明的实施方式中，泵送剂的加入，增加了渣土改良剂的泵送性，降低了堵管的风险。其中，所述泵送剂选自聚乙二醇、甲氧基聚乙二醇和聚丙二醇中的一种或多种，尤其为聚乙二醇时效果更好。

在本发明的实施方式中，pH调节剂的加入，提高了增粘剂的粘度，有助于更进一步提高土体的抗渗性，作为较优的实施方式，所述pH调节剂为纯碱溶液或烧碱溶液；本发明中，pH控制在8-9，发明人在研究中发现，在本发明的配方组成下，聚丙烯酰胺溶解时，若pH值在10及其以上时，其效果会降低甚至丧失。因为碱性物质会使聚丙烯酰胺分子链上的极性基团脱落，从而使部分聚合物链节静电斥力减小，卷曲程度增加而导致粘度下降。影响其粘度、分子链和吸附架桥作用，当碱性物质增加过多时，它还会与聚丙烯酰胺溶液发生化学反应，产生大量白色絮体，其粘度和应用效果受到严重影响，不利于本发明技术效果的实现。

在本发明的实施方式中，矿物类改良剂膨润土尤其钠基膨润土中加入碱类pH调节剂特别是纯碱可以进一步增强膨润土泥浆的保水性能；而增粘剂特别是阴离子聚丙烯酰胺水溶液中有其他阳离子存在，带负电的聚丙烯酰胺分子会围绕阳离子而蜷曲，从而降低溶液粘度，一般而言在分子量相当的条件下，粘度随蜷曲度的增加而降低，伸展的聚丙烯酰胺分子更容易将不同的土壤颗粒网络在一起，从而增加使用工作的效率，同时钠基膨润土泥浆在碱性条件下带负电，阳离子吸附性更强，钠基膨润土泥浆在碱性条件下带负电，阳离子吸附性更强，可以吸附溶液中的阳离子，从而使聚丙烯酰胺溶液具有更高的粘度。在本发明的实施方式中，本发明所述的聚丙烯酰胺为高分子量聚丙烯酰胺，其分子量一般大于700万。

进一步地，在本发明的实施方式中，本发明的增粘剂与表面活性剂质量比为3.5:1-5:1。

本发明的外加剂配方中添加了增粘剂A和B以及表面活性剂，表面活性剂为阴离子表面活性剂(以下表面活性剂均指阴离子表面活性剂)，随着表面活性剂质量分数的增加，溶液的黏度逐渐增加并达到最大黏度值(本发明实施例中增粘剂与表面活性剂的配比均在可以使粘度增加的范围内，即本发明的增粘剂与表面活性剂质量比为3.5:1-5:1)，然后随着表面活性剂质量分数的继续增加，溶液的黏度开始逐渐下降。这是因为增粘剂A与B尤其是增粘剂B，在溶液中同时存在分子内和分子间缔合，每个疏水微区都含个数不等的疏水链，表面活性剂浓度较低时，表面活性剂形成的胶束容纳数个疏水链，使得聚合物疏水微区中的疏水链不断减少，而溶液中的复合胶束数增多，形成更加致密的网络结构，造成溶液黏度的增大。表面活性剂质量分数再升高，能与聚合物疏水基团形成混合胶束的表面活性剂胶束增多，即复合胶束中聚合物的疏水链的个数降低，形成的网络结构逐渐被破坏，导致溶液表观黏度下降。

本发明所述的针对富水砂卵地层盾构渣土的改良外加剂配方，其由特定含量和组成的增粘剂、表面活性剂、泵送剂、pH调节剂、矿物类改良剂和水制成，上述组分协同作用能够提高渣土的流塑性、显著增加富水砂卵地层的粘聚力和抗渗性，避免和减轻喷涌的发生，并且方便出渣。

在本发明的第二方面，本发明提供了一种制备上述第一方面中所述的富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂的方法，其包括按质量配比将矿物类改良剂加入水中，搅拌使其溶解，加入pH调节剂调节pH为8-9，优选为8，将上述质量比增粘剂A、B以及表面活性剂加入水中，搅拌速度控制在每分钟45～60转，搅拌使其溶解均匀，加入泵送剂搅拌使其充分溶解混合。

在本发明的第三方面，本发明还提供了一种改良富水砂卵地层盾构渣土的方法，其包括将上述第一方面中所述的富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂施用于富水砂卵地层盾构渣土中。

在本发明的实施方式中，所述改良富水砂卵地层盾构渣土的方法包括：将富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂注入富水砂卵地层盾构渣土中，注入率为2-8％，体积百分比。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下所示：

本发明的改良外加剂可以显著增加富水砂卵地层的粘聚力和抗渗性，避免和减轻施工时喷涌的发生，保障施工的安全顺利实施，而且能够提高渣土的保水性和流塑性，方便出渣，切削下的土体易于输送；改良后的渣土坍塌度在150-220mm的范围内，渗透系数不高于10^-5cm/s量级，具有较好的流动性和抗渗性。以及，本发明的改良外加剂的配方中泵送剂的加入，除有助于上述功能的发挥外，还增加了泵送性，能够有效降低堵管的风险，提高了改良效率。此外，本发明的改良外加剂配制方法简单，便于推广使用。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

在本发明的实施方式中，本发明所述富水砂卵地层盾构渣土改良外加剂包含或由以下质量含量的成分组成：增粘剂A 0.1～1wt％，增粘剂B 0.025～1wt％，表面活性剂0.025～0.5wt％，泵送剂1～10wt％、pH调节剂0.01～0.06wt％、矿物类改良剂5～15％和水(各成分含量总量≤100％)；尤其当所述改良外加剂的组成为：增粘剂A 0.2～0.8wt％，增粘剂B 0.04～0.8wt％表面活性剂0.05～0.4wt％泵送剂1～6wt％，pH调节剂0.02wt％，矿物类改良剂5-12wt％，余量为水(各成分含量总量为100％)时效果尤佳，改良后能够提高渣土的流塑性、增加富水砂卵地层的粘聚力和抗渗性。

在本发明的实施方式中，矿物类改良剂选用蒙脱土和/或膨润土，尤其是钠基膨润土，其与pH调节剂(特别是纯碱)和增粘剂聚丙烯酰胺(比如阳离子聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺或两性聚丙烯酰胺，特别是阴离子聚丙烯酰胺)的组合能够更好的网络土壤颗粒、增强保水性能、提升粘度，提升工作效率和改良效果。

以下为了更好的说明本发明的效果，以具体的实例形式展现本发明。如无特殊说明，以下实施例及对比例中所述矿物类改良剂为钠基膨润土。

本发明实施例及对比例中用实验渣土主要以砂岩、灰岩为主，浑圆状，磨圆度较好，粒径组成：2～20mm约15％，20～60mm约30％，大于60mm约35％；余为杂砂砾砂与粉黏粒充填，含水率为20％。

本发明实施例及对比例中坍塌度及渗透系数的测定方法及判断标准为：坍塌度测定：用一个上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭状的坍落度桶，灌入改良后渣土分三次填装，每次填装后用捣锤沿桶壁均匀由外向内击25下，捣实后，抹平。然后拔起桶，渣土因自重产生坍落现象，用桶高(300mm)减去坍落后渣土最高点的高度，称为坍落度。

渗透系数测定：试验时，在透明塑料筒中装填截面为A，长度为L的饱和试样，打开水阀，使水自上而下流经试样，并自出水口处排出。待水头差△h和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间t内流经试样的水量V，则根据达西定律k＝QL/(A△h)计算得到渗透系数。

判定标准：坍落度范围为150-220mm，在此范围内得到土体均可以满足开挖条件，数值越大流动性越好，而渗透系数代表了透水性，要求不大于10^-5cm/s量级，数值越低越好，抗渗性越好。

实施例1

将8％质量含量的矿物类改良剂加入水中，搅拌使其溶解，加入碳酸钠调节pH至8，将0.2％质量含量阴离子聚丙烯酰胺、0.1％质量含量十六烷基羟乙基纤维素以及0.06％质量含量十二醇聚氧乙烯醚硫酸钠混合并加入水中，搅拌速度控制在每分钟45～60转，搅拌使其溶解均匀，加入4％质量含量的聚乙二醇搅拌使其充分溶解混合。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％体积百分含量)后，测得坍落度为180mm，渗透系数为6.25×10^-6cm/s。

实施例2

将9％质量含量的矿物类改良剂加入水中，搅拌使其溶解，加入碳酸钠调节pH至8，将0.4％质量含量阴离子聚丙烯酰胺、0.2％质量含量十六烷基羟乙基纤维素以及0.12％质量含量十二醇聚氧乙烯醚硫酸钠混合并加入水中，搅拌速度控制在每分钟45～60转，搅拌使其溶解均匀，加入4％质量含量的聚乙二醇搅拌使其充分溶解混合。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％体积百分含量)后，测得坍落度为203mm，渗透系数为4.24×10^-6cm/s。

实施例3

将10％质量含量的矿物类改良剂加入水中，搅拌使其溶解，加入碳酸钠调节pH至8，将0.6％质量含量阴离子聚丙烯酰胺、0.3％质量含量十六烷基羟乙基纤维素以及0.25％质量含量十二醇聚氧乙烯醚硫酸钠混合并加入水中，搅拌速度控制在每分钟45～60转，搅拌使其溶解均匀，加入4％质量含量的聚乙二醇搅拌使其充分溶解混合。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％体积百分含量)后，测得坍落度为215mm，渗透系数为2.74×10^-6cm/s。

实施例4

将12％质量含量的矿物类改良剂加入水中，搅拌使其溶解，加入碳酸钠调节pH至8，将0.8％质量含量阴离子聚丙烯酰胺、0.4％质量含量十六烷基羟乙基纤维素以及0.3％质量含量十二醇聚氧乙烯醚硫酸钠混合并加入水中，搅拌速度控制在每分钟45～60转，搅拌使其溶解均匀，加入4％质量含量的聚乙二醇搅拌使其充分溶解混合。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％体积百分含量)后，测得坍落度为206mm，渗透系数为1.78×10^-6cm/s。

对比例1

按照实施例3的方法制备渣土改良外加剂，与实施例3相比，其区别在于配制时未加入阴离子聚丙烯酰胺，为了使增粘剂总质量分数不变，将十六烷基羟乙基纤维素的加入量改变为0.9％。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％体积百分含量)后，测得坍落度为182mm，渗透系数为7.15×10^-6cm/s。

制备渣土改良外加剂时，改良剂中十六烷基羟乙基纤维素的侧链相互缔合，会在溶液中形成网状结构，阴离子聚丙烯酰胺和十六烷基羟乙基纤维素二者相互结合使得聚合物分子网状结构更为致密，注入并与渣土混合，实现改良渣土的流动性和渗透性，而缺少阴离子聚丙烯酰胺使得这种结合作用丧失，导致粘度降低，并引起坍塌度的下降以及渗透系数的升高。

对比例2

按照实施例3的方法制备渣土改良外加剂，与实施例3相比，其区别仅在于配制时未加入十六烷基羟乙基纤维素,为了使增粘剂总质量分数不变，将阴离子聚丙烯酰胺的加入量改变为0.9％。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％体积百分含量)后，测得坍落度为180mm，渗透系数为1.12×10^-5cm/s。

制备渣土改良外加剂时，改良剂中阴离子聚丙烯酰胺和十六烷基羟乙基纤维素二者相互结合使得聚合物分子网状结构更为致密，此外，十二醇聚氧乙烯醚硫酸钠与十六烷基羟乙基纤维素疏水缔合作用更强，注入并与渣土混合，实现改良渣土的流动性和渗透性，而缺少十六烷基羟乙基纤维素使得上述结合作用以及疏水缔合作用丧失，导致粘度降低，并引起坍塌度的下降以及渗透系数的升高。

对比例3

按照实施例3的方法制备渣土改良外加剂，与实施例3相比，其区别仅在于配制时未加入矿物类改良剂。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％体积百分含量)后，测得坍落度为173mm，渗透系数为8.45×10^-6cm/s。

对比例4

按照实施例3的方法制备渣土改良外加剂，与实施例3相比，其区别仅在于未加入泵送剂。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％)后，测得坍落度为168mm，渗透系数为3.88×10^-6cm/s。

对比例5

按照实施例3的方法制备渣土改良外加剂，与实施例3相比，其区别仅在于加入碳酸钠调节pH至10。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％)后，测得坍落度为106mm，渗透系数为4.52×10^-5cm/s。

增粘剂A在pH为10的条件下会水解；同时盐的浓度会大大增加，“盐效应”使聚合物分子尺寸减小，分子链高度蜷曲，使得链间缔合被大量拆散，空间网络结构被破坏，故改良效果大大降低。

对比例6

按照实施例3的方法制备渣土改良外加剂，与实施例3相比，其区别仅在于阴离子聚丙烯酰胺、十六烷基羟乙基纤维素以及十二醇聚氧乙烯醚硫酸钠三者的添加量不同，分别为0.6wt％、0.3wt％和0.45wt％。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％)后，测得坍落度为119mm，渗透系数为3.66×10^-5cm/s。

对比例7

按照实施例3的方法制备渣土改良外加剂，与实施例3相比，其区别仅在于阴离子聚丙烯酰胺、十六烷基羟乙基纤维素以及十二醇聚氧乙烯醚硫酸钠三者的添加量不同，分别为0.6wt％、0.3wt％和0.15wt％。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％)后，测得坍落度为144mm，渗透系数为1.67×10^-5cm/s。

对比例8

按照实施例3的方法制备渣土改良外加剂，与实施例3相比，其区别仅在于未添加十二醇聚氧乙烯醚硫酸钠。

将制备得到的外加剂注入实验渣土(注入率为5％)后，测得坍落度为134mm，渗透系数为2.58×10^-5cm/s。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。