渣土改良Word文档格式.docx
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烘干状态25.7-108.7Mpa;
天然状态23.4-51.8Mpa;
软化系数K1为0.35-0.64,K2为0.71-0.74。
为不易软化的较软岩。
2渣土改良目的
施工过程中由于地质条件变化,出现了大量施工困难,主要出现的现象有:
刀盘结饼,螺旋机堵塞,刀具磨损过快,螺旋机叶片磨损过快等。
膨胀性泥质粉砂岩
粉砂岩
角砾岩
煤
图3-1岩石样本
刀盘结饼
泥质膨胀岩遇水膨胀且泥土与岩石固结后强度很高,且具有很高的粘黏性,在掘进施工过程中极易粘黏在刀盘开口及不平整位置,伴随着渣土不断地粘黏固结,刀盘重量不断增加,刀盘开口不断减小,刀盘刮刀、齿刀及滚刀的有效切削深度不断降低,致使刀盘外表面与岩石掌子面直接接触。
由于本掘进机主要为硬岩隧道施工而设计,盾构机刀盘开口率只有25%,当粘性渣土在开口位置粘黏时,很容易出现刀盘结饼现象。
刀盘结饼大大增加了刀盘扭矩,使得盾构机主驱动超负荷运转或者直接卡死。
刀盘结饼现象主要由于渣土流塑性低,渣土粘稠度高,掌子面岩层切削后有较高的粘黏性,岩屑固结能力强,岩层遇水膨胀等原因造成。
基于造成不良现象的原因分析,我们对渣土进行所要做到的主要有提高渣土流塑性,降低渣土粘稠度,减弱渣土固结能力。
螺旋机堵塞
在隧道掘进过程中,工程面临了多次特殊性质的岩层。
在盾构机穿越泥质膨胀性粉砂岩(里程0~1.2km)过程中,被切削下来的岩石遇到刀盘内部的水从而体积膨胀,使得渣土总量远大于开挖的土方量,增加了掘进过程中的出渣量。
所切削下来的岩石碎屑遇水软化,产生的渣土具有很高的粘黏性,渣土在压力作用下极易固结。
从而在螺旋机出渣过程机身外壳内表面和螺旋轴内部,极易出现大量渣土粘黏聚集。
导致螺旋机扭矩增大,甚至堵塞螺旋机,使得螺旋机出土不畅,甚至于无法正常出土。
角砾岩层掘进过程中岩层完整性好,角砾岩胶结物强度较高,从而使得掘进时切削下来的岩块粒径小,岩石粉末极多。
渣土粒径小极易固结,使得螺旋机堵塞出土不畅。
螺旋机堵塞主要原因在于渣土流塑性太差,且渣土粒径小粘滞性高,细粒粉粒成分高容易固结成块,岩石在螺旋机内部遇水体积膨胀等引起。
基于此为了保障螺旋机正常出渣,应当尽量提高渣土流塑性,降低渣土粘稠度,使渣土具有较高的流动能力。
刀盘及刀具磨损
在隧道掘进过程中盾构机面临膨胀性泥岩和软弱岩层的挑战,部分被切削下来的岩屑粘黏在刀盘表面,使得刀盘表面通过岩屑于掌子面接触受力。
掘进过程中刀盘转动岩屑摩擦刀盘表面,从而使得刀盘表面出现大量磨损。
在软弱岩层掘进过程中,由于岩石强度低刀盘贯入度增高,开挖掌子面直接与刀盘表面及滚刀刀圈外表面接触。
开挖过程中使得滚刀及刀盘外表面大量磨损。
刀盘及刀具磨损主要因为其外表面与掌子面接触摩擦而产生,为了降低摩擦可以通过对刀盘及刀具表面添加润滑剂,减低摩擦力,减小摩擦热来降低磨损。
另外降低岩石强度软化围岩,也是有效的解决方案。
螺旋机叶片磨损
螺旋输送机叶片的磨损不同于普通的接触磨损,螺旋叶片的磨损主要在外缘,磨损随物料移动其磨损量增大。
螺旋输送机工作时掘进区间岩体呈大块状砌体结构,岩体较完整。
隧道硐身主要围岩以粉砂岩和细砂岩为主,岩石强度较高。
在此种情况下,刀盘切削下的渣土在螺旋输送机搅拌出渣过程中仍对叶片有较大的摩擦,造成叶片磨损。
随着螺旋机叶片的磨损,旋转轴在自身的重力作用下会出现偏磨现象,加速螺旋机叶片磨损。
对于螺旋机叶片磨损而言,螺旋机运输过程中一直伴随着叶片磨损,根据经验来讲,渣土流塑性好,岩块充分被泥浆包裹,渣土粘稠度底等,能够有效的降低螺旋机叶片磨损。
图3-2岩层钻探
图3-3刀盘开口堵塞
图3-4螺旋机叶片磨损严重
图3-5刀盘磨损严重
渣土改良的必要性
根据上述生产中的困难分析可以得出结论,为了解决生产过程中所遇到的以上困难,有效的解决问题,渣土改良势在必行,且渣土改良主要进行渣土流塑性改良,渣土粘稠度优化,降低渣土粘滞性,减小渣土于设备间的机械摩擦,软化围岩等方面进行改良。
3改良研究
DZT6240复合式硬岩掘进机设计有泡沫注入系统、膨润土泥浆注入系统和土仓加水系统。
施工过程中所面临的地质条件:
膨胀性泥质粉砂岩,具有很高的含泥量和遇水膨胀性等特点,施工中极易产生刀盘结饼和螺旋机堵塞现象;
角砾岩层岩石完整性好,胶结物强度高,掘进过程中产生的渣土颗粒小,粘滞性高。
本工程施工过程中的渣土改良选择膨润土泥浆和泡沫剂混合液。
图3-6试验岩样
图3-7坍落度桶
膨润土:
膨润土细小颗粒土,能增加渣土的粘滞性、不透水性,改善刀盘、刀具、螺旋输送机的工作环境,改善土仓和螺旋输送机内渣土的性能,便于渣土的流动与运输。
泡沫剂:
改善土仓和螺旋输送机内的渣土的性能,便于渣土的流动与运输,当盾构施工通过透水性较强的砂土、含有少量粘土、粉砂细屑的砾石层或透水性较强的风化花岗岩地层时,用泡沫剂进行渣土改良的效果明显优于应用膨润土泥浆。
水:
作为极常见和普通的粘土改良材料,普遍应用于所有的渣土改良工作中,水的使用可以降低设备工作运行中产生的温度,可以作为润滑剂降低渣土与设备间的摩擦,可以降低渣土间的粘黏性,可以有效的提高渣土流动性。
泡沫剂
工程所使用泡沫剂性能参数
本工程施工过程中所使用的泡沫剂,其主要技术指标如下:
表3-1泡沫剂特性表
项目
指标
外观
无色透明液体
水溶性
完全溶解
密度,25℃
1.00±
0.02
PH值
7~9
起泡能力,mm
≥220
泡沫剂厂方建议使用参数如下:
⑴泡沫剂的使用量主要取决于三个参数:
泡沫混合液浓度,膨胀率和注入率。
a泡沫混合液浓度a:
混合液中所含发泡剂的比例,一般取值为2%~8%。
b膨胀率E=泡沫量/混合夜体积,一般取值为8~15。
c注入率I=泡沫注入量/开挖土方量,一般取值为5%~65%。
有上述公式可以导出:
V混合液=IV土方E
V混合液—泡沫剂混合液量,V土方—开挖土方量
V泡沫剂=V混合液a
V泡沫剂—泡沫剂量
⑵土层用量(泡沫占开挖土体积的百分比)
表3-2不同地层中泡沫用量建议表
土层
用量
粘土
20%~35%
砂,粘土混合物
25%~35%
砂,砾石性土
30%~45%
砂性土
35%~60%
岩石
100%
泡沫剂研究
盾构掘进过程中的泡沫剂注入工艺
泡沫剂能产生气体,气体很容易分散于溶液中形成大量的微细气泡。
这种泡沫的液膜具有一定的表面黏度和弹性,而且泡沫内的液体有一定的黏度,能减缓液膜变薄的速度,使泡沫具有一定的稳定性,并产生一定的支撑力。
泡沫注入开挖面,利用刮面膏状微细泡沫的润滑效果使开挖土呈塑性流动;
泡沫在受到强力搅拌作用下,微细气泡与开挖土均匀混合,将置换土颗粒中的孔隙水,因而可提高其止水性。
泡沫剂注入方式如图所示:
图3-8泡沫工艺流程图
施工过程中随着岩层岩性的变化应当适时的调整泡沫剂混合液浓度,从成本节约、有效的提高工作效率等方面服务于施工生产。
下以膨胀性泥岩为例进行最优混合液浓度试验。
实验步骤:
图3-9泡沫剂实验步骤流程图
步骤1:
竟可能的模拟施工环境,试验所用岩样直接从掘进掌子面利用取芯机选取。
所取岩样切割为规则的圆柱,可以计算出岩样体积:
取芯机内径d=10cm,岩样切割为高h=15cm,V岩样=hd2π4=1177.5cm3。
步骤2:
按照一定比例量取水和泡沫剂并充分混合。
步骤3:
根据岩样体积加入一定量的混合液充分混合,并记录注入率。
步骤4:
通过以上步骤反复试验按照控制变量法得出实验结论。
泡沫剂混合液浓度选择
实验过程中保持不变的混合液注入量,即选取混合液注入率为I=50%,标准坍落度桶体积为5500cm3,因此为了是渣土装满坍落度桶,每次需要5个标准的岩样岩块,计算得出所需要注入的混合液体V混合液=5V岩石IE=5×
1177.5×
50%÷
12=245.31mL,在不同泡沫剂混合液浓度条件下,观察测试渣土坍落度,通过坍落度大小体现渣土流动性及粘稠度。
得出数据如下:
表3-3注入率50%条件下不同泡沫剂浓坍落度表
浓度
2%
3%
4%
5%
6%
7%
8%
坍落度
108mm
121mm
129mm
133mm
137mm
140mm
141mm
根据上表实验数据可以得出结论,在膨胀性泥质粉砂岩体制条件下,泡沫剂浓度在厂方建议的浓度使用范围内,对于渣土流动性、粘稠度的影响不是很大。
泡沫剂注入率选择
实验过程中保持不变的混合液注入量,即选取混合液泡沫剂浓度a=3%,标准坍落度桶体积为5500cm3,因此为了是渣土装满坍落度桶,每次需要5个标准的岩样岩块,在不同泡沫剂注入率条件下,观察测试渣土坍落度,通过坍落度大小体现渣土流动性及粘稠度。
表3-4泡沫剂浓度3%条件下不同注入率坍落度表
注入率
15%
25%
35%
45%
55%
65%
混合液
24.5mL
73.5mL
122.5mL
171.5mL
220.5mL
269.5mL
318.5mL
24mm
56mm
84mm
102mm
114mm
128mm
144mm
根据上表实验数据可以得出结论,在膨胀性泥质粉砂岩体制条件下,泡沫剂混合液注入率在厂方建议的浓度使用范围内,对于渣土流动性、粘稠度的影响很大,伴随着注入率增大渣土流动性剧增,渣土粘稠度急剧降低,同时发现随着注入率过大渣土和易性变差,渣土稳定性也降低,渣土透水性增大,出现水渣分离现象。
膨润土泥浆
膨润土泥浆能增加渣土的粘滞性、不透水性、流动性,改善螺旋输送机的工作环境,改善土仓和螺旋输送机内渣土的性能,便于渣土的流动与运输。
在螺旋机对渣土的运输过程中,膨润土泥浆可以作为润滑剂有效的降低渣土对螺旋机叶片的磨损,防止运输过程中出现螺旋机堵塞现象。
图3-10膨润土泥浆制备及注入流程图
实验研究
受到施工条件影响,膨润土泥浆在制备到水平运输阶段,电机车每次运输量为4m3,每次运输必须完成盾构机掘进一环所需的膨润土泥浆用量。
因此施工过程中膨润土泥浆注入率为I=膨润土泥浆量/开挖土方量=4m3/47.4m3=8.4%,为了研究膨润土泥浆对渣土的改良效果,需要控制膨润土泥浆配合比,做实验如下:
图3-11膨润土实验流程图
取芯机内径r=10cm,岩样切割为高h=15cm,V岩样=hd2π4=11
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- 关 键 词:
- 渣土 改良