本發(fā)明涉及地下隧道盾構(gòu)施工領(lǐng)域，特別是一種富水地層盾構(gòu)渣土改良裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著中國經(jīng)濟高速發(fā)展，各大城市迎來了大規(guī)模擴展，為了解決交通擁堵以及滿足大容量快速交通需求,國內(nèi)各大城市正在加速開發(fā)利用地下空間，尤其是各種地下隧道的建設(shè)，目前地下隧道有相當(dāng)一部分采用盾構(gòu)法施工，當(dāng)盾構(gòu)機掘進在富水砂層及地下水較大的地層時，經(jīng)常會出現(xiàn)螺旋機噴涌的現(xiàn)象，多數(shù)會使用泡沫或者膨潤土泥漿改良方式以增加渣土流塑性從而減少螺旋機噴涌，但若出現(xiàn)地下水一直匯入土倉的情況下，泡沫和膨潤土泥漿也不能起到有效的改良作用，且需提前配置，花費時間較長，成本也較高，且在盾構(gòu)機掘進無進尺的情況下注入泡沫或者膨潤土?xí)斐啥軜?gòu)土倉壓力的突然增大，可能會造成或增加螺旋機噴涌現(xiàn)象。因此，如何解決盾構(gòu)機在富水地層中掘進無進尺，減少噴涌現(xiàn)象是盾構(gòu)施工中過程控制的關(guān)鍵因素。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種富水地層盾構(gòu)渣土改良裝置及方法，以改良盾構(gòu)土倉渣土，增加渣土流塑性，改善盾構(gòu)機在富水地層中掘進無進尺問題，減少螺旋機噴涌現(xiàn)象。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種富水地層盾構(gòu)渣土改良方法，包括以下步驟：

4、s1：確定并檢查盾構(gòu)機的人倉隔板的球閥的完好性；

5、s2：確定渣土改良劑注入裝置需連接至拼裝機平臺的管線長度；

6、s3：根據(jù)螺旋機處的渣土樣本計算實測渣土滲透系數(shù)hc；

7、s4：根據(jù)盾構(gòu)機的機械參數(shù)和地層參數(shù)計算渣土最大滲透系數(shù)hcmax；

8、s5：對比實測渣土滲透系數(shù)hc和渣土最大滲透系數(shù)hcmax，若hc>hcmax，則連接渣土改良劑注入裝置；若hc≤hcmax，則無需操作；

9、s6：計算改良劑注入量；

10、s7：進行改良劑注入工作。

11、s2中，渣土改良劑注入裝置包括殼體，殼體下端連接氣體進入閥，氣體進入閥另一端通過高壓注漿管與拼裝機平臺上的預(yù)留管路連接；殼體上端連接單向閥，單向閥通過高壓注漿管與人倉隔板上的球閥連接；殼體一側(cè)連接改良劑注入閥。

12、殼體內(nèi)固定有多個攪拌扇，攪拌扇包括支架，支架與殼體固定且底部為錐體；支架上部設(shè)有扇葉。

13、s3中，計算實測渣土滲透系數(shù)hc，具體包括：

14、s3.1：取部分螺旋機渣土作為試驗樣本；

15、s3.2：建立達西定律，單位時間 t內(nèi)流過試驗樣本的水量為：

16、（1）；

17、其中：dve為單位時間流過的體積，α為承載試驗樣本玻璃管的截面積，dh是水頭損失；

18、s3.3：根據(jù)達西定律，微分時間內(nèi)流出試驗樣本的滲流量為：

19、（2）；

20、其中：vo為滲流速度；hc為實測渣土滲透系數(shù)，δ h為任意時刻 t作用于兩段的水頭差， l為試驗樣本長度， a為試驗樣本截面積；

21、s3.4：根據(jù)水流連續(xù)原理，可得：

22、（3）；

23、聯(lián)立上述公式，即可推導(dǎo)出：

24、（4）；

25、其中：δ h1為起始水頭差 ，δ h2為結(jié)束水頭差。

26、s4中，計算渣土最大滲透系數(shù)hcmax，具體包括：

27、s4.1：各取盾構(gòu)土倉和螺旋機任意一段截面，設(shè)單位時間內(nèi)通過兩截面的地下水流量分別為 s1和 s2，設(shè)水平方向上土倉前端到螺旋機距離為 x， h為此時盾構(gòu)機所處地層地下水的水頭高，用 h對 x進行微分，可得盾構(gòu)土倉內(nèi)水流 s1和螺旋機內(nèi)水流 s2：

28、

29、其中： dh為地下水通過界面的水頭損失， dx為截面水平方向距離， a1為盾構(gòu)土倉截面積， a2為螺旋機截面積，為螺旋機與水平線角度；

30、s4.2：設(shè)掌子面處地下水位高度為 h1，螺旋機出閘口的水位高度為 h2，即可推導(dǎo)出：

31、（3）；

32、其中： l1為盾構(gòu)土倉長度， l2為螺旋機長度；

33、聯(lián)立上述公式，可推導(dǎo)出盾構(gòu)土倉內(nèi)水壓力為：

34、（4）；

35、螺旋機內(nèi)水壓力為：

36、（5）；

37、s4.3：根據(jù)流量守恒定律可知 s1= s2=s，另外，盾構(gòu)土倉與螺旋機交接處高度相同，可推導(dǎo)出螺旋機的出閘口水壓力 h2與掌子面處地下水壓力為 h1關(guān)系式為：

38、（6）；

39、則渣土最大滲透系數(shù)hcmax可表示為：

40、（7）。

41、s5中，連接渣土改良劑注入裝置，具體包括：

42、s5.1:清理各接口灰塵及異物；

43、s5.2:關(guān)閉所有閥門；

44、s5.3:將渣土改良劑注入裝置頭部的高壓注漿管與盾構(gòu)機的人倉隔板的球閥連接；

45、s5.4:將渣土改良劑注入裝置底部的高壓注漿管與拼裝機平臺的預(yù)留管路的閥門連接。

46、s6中，計算改良劑注入量，具體包括：

47、s6.1:計算盾構(gòu)土倉渣土的含水量：取部分螺旋機渣土作為試驗樣本，采用烘干法計算出渣土的含水量 k，則可計算出盾構(gòu)倉土內(nèi)的含水量為：

48、（1）；

49、其中： a1為盾構(gòu)土倉截面積， l1為土倉長度，m為盾構(gòu)倉土內(nèi)的含水量；

50、s6.2:計算出盾構(gòu)土倉內(nèi)含水量后，再計算改良劑注入量，改良劑注入量與盾構(gòu)土倉內(nèi)含水量比例分別為2:400，1.5:400和1:400，則改良劑注入量為：

51、（2）；

52、其中：pam表示聚丙烯酰胺，cmc表示羧甲基纖維素鈉，sap表示聚丙烯酸鈉，c為改良劑注入量。

53、s7中，進行改良劑注入工作，具體包括：

54、s7.1：打開改良劑注入閥；

55、s7.2：向殼體內(nèi)注入改良劑，根據(jù)實際情況適量注入；

56、s7.3：關(guān)閉改良劑注入閥；

57、s7.4：打開拼裝機平臺上的預(yù)留管路的閥門；

58、s7.5：打開氣體進入閥；

59、s7.6：待殼體內(nèi)改良劑全部被吹入盾構(gòu)機人倉隔板后，關(guān)閉所有球閥；

60、s7.7：當(dāng)需要注入的改良劑較多時，重復(fù)s7.1-?s7.6，分批注入。

61、本發(fā)明提供一種富水地層盾構(gòu)渣土改良裝置及方法，具有以下技術(shù)效果：

62、1）、通過采用渣土改良劑注入裝置，改良盾構(gòu)土倉渣土，增加渣土流塑性，改善盾構(gòu)機在富水地層中掘進無進尺問題，減少螺旋機噴涌現(xiàn)象。

63、2）、通過渣土樣本計算實測渣土滲透系數(shù)hc，通過盾構(gòu)機的機械參數(shù)和地層參數(shù)計算渣土最大滲透系數(shù)hcmax；通過對比實測渣土滲透系數(shù)hc和渣土最大滲透系數(shù)hcmax，從而控制渣土改良劑注入裝置對改良劑的精確注入量，保證滿足實際工程。