土压平衡盾构的渣土改良

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泡沫的作用原理
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表面张力减小 水的表面覆盖了一层表面活性剂，其憎水基与空 气接触，从而减小了水的表面张力 。如图所示
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渣土改良的方法
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渣土改良就是通过盾构配置的专用装置向刀盘 面，土仓内或螺旋输送机内注入水﹑泡沫﹑膨润 土﹑高分子聚合物等添加剂，利用刀盘的旋转搅 拌﹑土仓搅拌装置搅拌或者螺旋输送机旋转搅拌 使添加剂与土渣混合，使盾构切削下来的渣土具 有好的流塑性﹑合适的稠度﹑较低的透水性和较 小的摩阻力
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常用添加剂的比较
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常用添加剂的作用原理
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一
泡沫的作用原理
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膨润土泥浆的作用原理
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蒙脱石是含水的层状铝硅酸盐，其晶体结构由两 个硅氧四面体晶片中夹一个铝（镁）氧（氢氧） 八面体晶片组成，属2:1型层状硅酸盐矿物，其 微观结构可以如图所示
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防泥饼措施
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首先
其次
再次
最后
加强盾构掘进 时地质预测和 泥土管理， 密切注意开挖 面的地质情况 和刀盘的工作 状态
增加刀盘前部 中心部位泡沫 注入量并选择 较大的泡沫注 入比例，减少 渣土的粘附性 降低泥饼产生 的几率
在螺旋输送机 内加入泡沫， 以增加渣土的 流动性，利于 渣土的排除
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黏性土层的开挖面稳定机理
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粘土是由硅酸盐矿物在地球表面风化后形成，有 些成岩作用也会产生粘土。黏性土层切下的土砂 比原地层强度低，具有塑性流动性，土仓内的土 砂具有一定压力，以便与开挖面的水压力和土压 力相抗衡
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高吸水性树脂的用料是高分子类、不溶性聚合物 的高吸水性树脂，这种材料吸水而不溶于水，可 防止高水压地层的地下水喷出，树脂填充砂土的 颗粒空隙，提高土体的流动性
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纤维类多糖类负离子类
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黏性土层的开挖面稳定机理
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如土室内土砂过多，黏性土会压密固化，需注入 外加剂并搅拌，提高土体流塑性，确保渣土顺利 排放
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砂性土层的开挖面稳定机理
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高分子聚合物的作用原理
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当可溶聚合物或部分可溶聚合物加入混合土体 中，聚合物因吸水而膨胀，使得混合土体变得 “干燥”，防止发生喷涌。
水是最普通的添加剂，向高粘性渣土中注水，可 在增加其流动性的同时，降低其粘着力，防止掘 削土附着于刀头或土舱内壁上形成泥饼。
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复合添加剂
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根据添加剂的特性和掘削地层的性状，发展了两 种添加剂混合使用发挥其优势互补，近年来两种 添加剂的例子逐渐增加。 从现场施工中添加的添加剂来看，泡沫和膨润土 是最常见的两种，并得到了广泛的应用，并取得 了良好的效果。
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泡沫的作用原理
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加入泡沫的混合土体的密实度有较大的变化，泡 沫置换了渣土中的一部分土颗粒和水分，使得混 合土体密度减小，减小了颗粒之间的接触，气泡 起到一定的润滑作用，降低了接触面的粗糙度， 使摩擦系数降低 泡沫混合土具有一定的弹性，能维持土舱内必要 的土压，并使其均匀变化防止产生较大的起伏
采用人工处理 的方式清 除泥饼
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压力仓内土体塑性流动状态
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不透水性 塑流状态 不易固结排水
当推力通过隔板传 递到土舱内时，如 果土舱内土体迅速 排水固结，就会在 压力舱内形成固结“ 土饼”，土水分离会 影响压力舱内土体 的循环和排土
表面活性材料是特殊气泡剂，也有在特殊气泡剂 中添加高分子类水溶性聚合物的气泡添加剂。这 种气泡添加剂是典型的气－液二相系，其90% 以上为空气，不足10%为发泡剂溶液；而发泡 剂溶液90%～99%为水，其余为发泡剂。
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水
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膨润土又名膨土岩、斑脱岩，有时也称白泥，主 要是由蒙脱石类矿物组成的粘土。呈油脂光泽、 蜡状光泽或土状光泽，贝壳状或锯齿状断口
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高吸水性树脂
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膨润土泥浆的作用原理
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膨润土是以蒙脱石为主要成分的非金属粘土类矿 物，蒙脱石含量占到30%~80 %。 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
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泡沫的作用原理
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吸附性 当表面活性剂加入液体中，他吸附在固体-液体、 液体-气体和不同液体分界面上，如图所示
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泡沫的作用原理
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流塑状态可保证土 体受到挤压时向螺 旋输送机内发生塑 性流动，而顺利完 成排土，就是所谓 的“挤牙膏”效应
只有压力舱的土体 具有足够的不透水 性，才能保证维持 开挖面上的水压力 ，同时也能防止排 土口发生“喷涌”现 象
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添加剂种类
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添加剂的分类
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高吸水性树脂
纤维类多糖类负离子类
矿物类
添加剂
表面活性材料
复合添加剂
水
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矿物类添加剂
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此材料是粘稠性的高分子类水溶性聚合物，此类 添加剂可以把砂颗粒间隙中的自由水挤走。负离 子类乳胶添加剂可在砂颗粒与水之间形成絮状凝 聚物，使其发生粘结，可以减小内摩擦角，提高 流动性
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表面活性材料
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膨润土泥浆作用原理
二
高分子类聚合物作用原理
三
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泡沫的作用原理
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泡沫是发泡液（表面活性剂）和压缩空气经过发 泡装置产生的，作为发泡液的主要成分表面活性 剂是由聚合而成的长链分子构成的，含有憎水基 和亲水基.如图所示：
润滑作用 表面张力的减小增加了润滑作用，由于结合水的 流动使得原先被结合水束缚的土颗粒可以自由流 动，如图所示
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泡沫的作用原理
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静电排斥作用，使得由静电力结合的土粒分开 表面活性剂吸附在土体内的微小裂缝的表面，增 加裂缝的深度，减弱微小裂缝愈合的能力，增强 扩散能力，并使得土颗粒带有相同的电荷而相互 排斥
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土压平衡盾构开挖面稳定机理
土压平衡盾构 稳定机理
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因工程地质条 件不同而不同
黏性土层的开挖 面稳定机理.
砂性土层的开挖 面稳定机理
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膨润土泥浆的作用原理
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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间，引 起晶格膨胀，吸水后形成一道不透水的防渗层。 膨润土自身吸水结构发生变化的过程见图所示。
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膨润土泥浆的作用原理
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膨润土在水化时，钠离子连接各层薄片，同时挤 占与之接触的土颗粒之间的孔隙，积聚于土壤与 泥水的接触表面，形成不透水的可塑性胶体，从 而形成泥膜。
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渣土改良的目的
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第一
使渣土具有良好的土压平衡效果，利于稳 定开挖面，控制地表沉降
第二
提高渣土的不透水性，使渣土具有较好的 止水性，从而控制地下水流失
提高渣土的流动性，利于螺旋输送机排土
砂性土和砂砾土的内摩擦角大，土的摩擦阻力 大，难以获得好的流动性，地层渗透系数大，仅 靠土仓和螺旋输送机内的压缩效应不可能完全止 水
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砂性土层的开挖面稳定机理
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在开挖面活土仓内注入外加剂和加装搅拌棒进行 强行搅拌，让开挖土具有流动性和止水性
矿物类添加剂（也称泥材），主要包括膨润土、 粘土、陶土等天然矿物。目的是补充土体的微、 细粒组分，使土体的内摩擦角变小，提高土体的 流动性和止水性。矿物类添加剂主要是泥浆的形 式，其浓度和注入量根据开挖土的级配、不均匀 系数等确定
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矿物类添加剂
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防泥饼措施
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掘进速度下降，刀盘扭矩上升，开挖效率降低 掘进速度下降，刀盘扭矩上升，开挖效率降低
刀盘中心区部位产生泥饼
泥岩
泥质粉砂 岩
砂岩
黏土层
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土压平衡盾构的渣土改良
建筑工程学院 马超
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目录
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1 2 3 4
土压平衡盾构开挖面稳定
渣土改良的目的和方法
添加剂的分类
改良土体的微观机理
第三
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wenku.baidu.com 渣土改良的目的
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第四
防止开挖的渣土黏结刀盘而产生泥饼
防止螺旋输送机排土时出现喷涌现象
第五
第六
降低刀盘扭矩和螺旋输送机的扭矩，同时 减少对刀具和螺旋输送机的磨损，提高盾 构的掘进效率