一种无水砂层中土压平衡顶管用渣土改良材料

摘要

本发明涉及一种无水砂层中土压平衡顶管用渣土改良材料，由一种改良剂和一种填充剂组成，其中改良剂由膨润土、黄土、外掺剂和水混合搅拌均匀而成，并且，所述的膨润土为钠基膨润土，黄土为Q3黄土，外掺剂为聚丙烯酰胺（PAM）和水玻璃，并且改良剂各成分质量比为：钠基膨润土:Q3黄土:聚丙烯酰胺（PAM）:水玻璃:水=50~70:30~40:1~2:20~30:1000；填充剂由黄土和水混合搅拌均匀而成，并且，所述的黄土为Q3黄土，并且填充剂各成分质量比为：Q3黄土:水=1:0.8~1。应用本发明能够有效提高无水砂层中顶管顶进施工时土舱内掌子面切削下来的渣土的改良效果，有效降低掌子面前方土体的沉降位移，对顶管工程施工有着积极的意义。

权利要求

1.一种无水砂层中土压平衡顶管用渣土改良材料，其特征在于该改良材料由一种改良剂和一种填充剂组成，其中所述改良剂由膨润土、黄土、外掺剂和水混合搅拌均匀而成，并且，所述的膨润土为钠基膨润土，黄土为Q3黄土，外掺剂为聚丙烯酰胺（PAM）和水玻璃，并且改良剂各成分质量比为：钠基膨润土:Q3黄土:聚丙烯酰胺（PAM）:水玻璃:水=50 70:30 40:1 2:20 30:1000；

~ ~ ~ ~

所述填充剂由黄土和水混合搅拌均匀而成，并且，所述的黄土为Q3黄土，并且填充剂各成分质量比为：Q3黄土:水=1:0.8 1；

~

所述改良剂按照以下步骤制备得到：一、制备高分子聚合物溶液：向一个电动搅拌桶里加入100份水，控制其p H≥7，控制电动搅拌机的转速为650~

700r/min，然后向电动搅拌桶内缓慢均匀加入1 2份聚丙烯酰胺（PAM），搅拌均匀，得到高分~

子聚合物溶液；

二、制备膨润土泥浆：

（1）向一个电动搅拌桶里加入600份水，控制其p H≥7，控制电动搅拌机的转速为650~

700r/min，然后向电动搅拌桶内缓慢均匀加入50 70份钠基膨润土，搅拌均匀；

~

（2）将电动搅拌桶密封覆盖，将电动搅拌机转速调至550 600r/min，持续搅拌16 18h，~ ~

使膨润土充分膨化，得到膨润土泥浆；

三、制备黄土泥浆：

（1）向一个电动搅拌桶里加入300份水，控制其p H≥7，控制电动搅拌机的转速为650~

700r/min，然后向电动搅拌桶内缓慢均匀加入30 40份Q3黄土，搅拌均匀；

~

（2）将电动搅拌桶密封覆盖，将电动搅拌机转速调至550 600r/min，持续搅拌1 2h，得~ ~

到黄土泥浆；

四、制备改良剂：

（1）将已配好膨润土泥浆的电动搅拌桶置于电动搅拌机下，控制电动搅拌机的转速为

650 700r/min，向该电动搅拌桶内缓慢均匀加入已配好的高分子聚合物溶液和黄土泥浆，~

控制泥浆总体积不超过电动搅拌桶容积的三分之二，搅拌均匀；

（2）向该电动搅拌桶内缓慢均匀加入20 30份水玻璃，将电动搅拌机转速调至550~ ~

600r/min，持续搅拌1 2h，改良剂制备完成。

~

2.根据权利要求1所述的渣土改良材料，其特征在于：所述的膨润土为钠基膨润土三级品，2h吸水率≥200%，吸蓝量≥22g/100g，膨胀指数≥

15ml/2g；和/或

所述的Q3黄土为湿陷性黄土，200目通过量≥95%；和/或所述的聚丙烯酰胺（PAM）为一等品，含固量≥90%；和/或所述的水玻璃波美度≥40，含量≥34wt%；和/或所述的水p H≥7。

3.根据权利要求1所述的渣土改良材料，其特征在于所述填充剂按照以下步骤制备：（1）向一个电动搅拌桶里加入800 1000份水，控制其p H≥7，控制电动搅拌机的转速为~

550 600r/min，将1000份Q3黄土平均分成4份，每次向电动搅拌桶内缓慢均匀加入一份，搅~

拌10 15min，然后将电动搅拌机的转速降低100r/min，继续添加下一份，搅拌10 15min，直~ ~

至全部黄土添加并搅拌完毕；

（2）添加并搅拌完毕后将电动搅拌桶密封覆盖，再次加快电动搅拌机的转速至550~

600r/min，继续搅拌5 10min，填充剂制备完成。

~

4.根据权利要求1‑3任一项所述的渣土改良材料，其特征在于：上述步骤中，添加膨润土、黄土时每次添加量以泥浆液面出现明显漂浮粉末时为限，以防止膨润土、黄土在添加过程中结块。

5.根据权利要求1‑3任一项所述的渣土改良材料，其特征在于：上述步骤中，添加膨润土、黄土、聚丙烯酰胺（PAM）、水玻璃时，在桶壁与搅拌机转杆之间沿电动搅拌桶的一半径来回往复缓慢移动，移动速度越接近转杆时越快，越接近桶壁时越慢。

6.根据权利要求1‑3任一项所述的渣土改良材料，其特征在于：上述步骤中，将电动搅拌桶密封覆盖时，采用保鲜膜呈“井”字形密封覆盖。

7.一种使用权利要求1‑6任一项所述渣土改良材料的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）计算掌子面土压力，据此设置施工土舱压力值，并在顶管顶进施工过程中实时监测土舱压力值；

（2）计算螺旋出土机出土能力，出土能力包括理论出土量和实际出土量；

（3）顶管顶进施工时，实时向土舱内注入改良剂，同时对比实际出土量与理论出土量，并根据对比结果实时做出如下调整：当实际出土量小于理论出土量时，适当增加改良剂的注入量，以提高螺旋出土机的出土率；

当实际出土量大于理论出土量时，适当减少改良剂的注入量，以降低螺旋出土机的出土率；

（4）对比掌子面土压力计算值与土舱压力监测值，并根据对比结果实时做出如下调整：当土舱压力监测值低于掌子面土压力计算值，出现超挖现象时，向土舱内注入适量的填充剂，以填充土舱空隙来平衡掌子面土压力。

8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：计算螺旋出土机出土能力时，理论出土量根据管节的顶进进尺计算，实际出土量在实际顶进过程中根据出土料斗尺寸及出土刻度计算。

说明书

一种无水砂层中土压平衡顶管用渣土改良材料

技术领域

[0001] 本发明涉及一种顶管施工用材料及其制备方法，具体为一种无水砂层中土压平衡顶管用渣土改良材料，主要用于无水砂层中土压平衡顶管施工的渣土改良。

背景技术

[0002] 随着国内城市化进程的快速发展，由于地上空间的有限性，地下空间得到了广泛的开发与利用，地下管线、地下通道等已经成为了现代城市错综复杂网络系统的重要组成
部分。城市地下管网和地下交通线路的建设通常采用明挖施工和地下施工两种方式。明挖
施工通常会导致城市路面破坏、交通拥堵，并造成城市地面环境污染和施工噪音污染等各
种环境问题，对城市居民的日常生活造成严重影响。地下施工又分为巷道法、顶管法和盾构
法等，其中，顶管法由于具有经济、安全、高效和简便等优点，在城市地下空间的开发与利用
中得到了广泛的应用。

[0003] 根据工作原理的不同，顶管机分为泥水平衡、土压平衡、气压平衡和岩石顶管等。在众多的顶管机类型中，土压平衡顶管机的适应性相对较广，能用于粘结性或非粘结性、有
水或无水、软土或软岩、砾岩或圆砾等多种复杂的地层，能有效控制地表沉降，在砂性土层
的顶进施工中应用较为普遍。随着顶管机和辅助功能的完善与发展，如加泥加改良剂系统
的采用，以及防喷涌功能系统和保压泵渣装置的应用等，使得土压平衡顶管机具有了十分
完善的功能和先进的技术性能，施工效率和安全性都得到了较大的提高，但是应用于砂性
土层的顶进施工中仍存在一定的风险和挑战。

[0004] 应用土压平衡顶管法在砂性土层中修建地下管线和地下通道时，由于该类土体粘聚力小、成拱效应差、自稳时间短、刀盘上方土体极易形成小范围塌方、流塑性差、出土困
难、土舱土压力波动敏感等特点，容易产生“闭塞”、“喷涌”和“结饼”等现象，很难维持土压
舱与开挖面水土压力之间的动态平衡，严重时导致开挖面失稳、坍塌事故的发生。因此，如
何将土舱内渣土改良至塑性流动状态，即“良好的流动性”、“低摩擦性”、“高压缩性”、“低渗
透性”是无水砂层中顶管顺利顶进的重要前提。目前国内还没有对在无水砂层中进行顶管
施工时所用渣土改良剂的材料及其制备方法进行相关研究，施工所用配料、配比及其制备
方法完全靠经验确定，无试验数据支撑，对无水砂层中顶管施工时掌子面切削下来的渣土
改良效果差，土舱排土困难，土舱内压力大，易发生隆起。

发明内容

[0005] 鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无水砂层中土压平衡顶管用渣土改良材料及其制备方法，应用该方法能够有效提高无水砂层中顶管顶进施工时土舱内掌
子面切削下来的渣土的改良效果，有效降低掌子面前方土体的沉降位移，对顶管工程施工
有着积极的意义。

[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0007] 本发明首先提供一种无水砂层中土压平衡顶管用渣土改良材料，该改良材料由一种改良剂和一种填充剂组成，其中

[0008] 所述改良剂由膨润土、黄土、外掺剂和水混合搅拌均匀而成，并且，所述的膨润土为钠基膨润土，黄土为Q3黄土，外掺剂为聚丙烯酰胺（PAM）和水玻璃，并且改良剂各成分质
量比为：钠基膨润土:Q3黄土:聚丙烯酰胺（PAM）:水玻璃:水=50 70:30 40:1 2:20 30:
~ ~ ~ ~
1000；

[0009] 所述填充剂由黄土和水混合搅拌均匀而成，并且，所述的黄土为Q3黄土，并且填充剂各成分质量比为：Q3黄土:水=1:0.8 1。
~

[0010] 优选地，所述的膨润土为钠基膨润土三级品，吸水率（2h）≥200%，吸蓝量≥22g/100g，膨胀指数≥15ml/2g；和/或

[0011] 所述的Q3黄土为湿陷性黄土，200目通过量≥95%；和/或

[0012] 所述的聚丙烯酰胺（PAM）为一等品，含固量≥90%；和/或

[0013] 所述的水玻璃波美度≥40，含量≥34wt%；和/或

[0014] 所述的水PH≥7。

[0015] 本发明进一步提供一种所述渣土改良材料的制备方法，按照以下步骤制备改良剂：

[0016] 一、制备高分子聚合物溶液：

[0017] 向一个电动搅拌桶里加入100份水，控制其PH≥7，控制电动搅拌机的转速为650~
700r/min，然后向电动搅拌桶内缓慢均匀加入1 2份聚丙烯酰胺（PAM），搅拌均匀，得到高分
~
子聚合物溶液；

[0018] 二、制备膨润土泥浆：

[0019] （1）向一个电动搅拌桶里加入600份水，控制其PH≥7，控制电动搅拌机的转速为650 700r/min，然后向电动搅拌桶内缓慢均匀加入50 70份钠基膨润土，搅拌均匀；
~ ~

[0020] （2）将电动搅拌桶密封覆盖，将电动搅拌机转速调至550 600r/min，持续搅拌16~ ~
18h，使膨润土充分膨化，得到膨润土泥浆；

[0021] 三、制备黄土泥浆：

[0022] （1）向一个电动搅拌桶里加入300份水，控制其PH≥7，控制电动搅拌机的转速为650 700r/min，然后向电动搅拌桶内缓慢均匀加入30 40份Q3黄土，搅拌均匀；
~ ~

[0023] （2）将电动搅拌桶密封覆盖，将电动搅拌机转速调至550 600r/min，持续搅拌1~ ~
2h，得到黄土泥浆；

[0024] 四、制备改良剂：

[0025] （1）将已配好膨润土泥浆的电动搅拌桶置于电动搅拌机下，控制电动搅拌机的转速为650 700r/min，向该电动搅拌桶内缓慢均匀加入已配好的高分子聚合物溶液和黄土泥
~
浆，控制泥浆总体积不超过电动搅拌桶容积的三分之二，搅拌均匀；

[0026] （2）向该电动搅拌桶内缓慢均匀加入20 30份水玻璃，将电动搅拌机转速调至550~ ~
600r/min，持续搅拌1 2h，改良剂制备完成。
~

[0027] 优选地，按照以下步骤制备填充剂：

[0028] （1）向一个电动搅拌桶里加入800 1000份水，控制其PH≥7，控制电动搅拌机的转~
速为550 600r/min，将1000份Q3黄土平均分成4份，每次向电动搅拌桶内缓慢均匀加入一
~
份，搅拌10 15min，然后将电动搅拌机的转速降低100r/min，继续添加下一份，搅拌10
~ ~
15min，直至全部黄土添加并搅拌完毕；

[0029] （2）添加并搅拌完毕后将电动搅拌桶密封覆盖，再次加快电动搅拌机的转速至550600r/min，继续搅拌5 10min，填充剂制备完成。
~ ~

[0030] 优选地，上述步骤中，添加膨润土、黄土时每次添加量以泥浆液面出现明显漂浮粉末时为限，以防止膨润土、黄土在添加过程中结块。

[0031] 优选地，上述步骤中，添加膨润土、黄土、聚丙烯酰胺（PAM）、水玻璃时，在桶壁与搅拌机转杆之间沿电动搅拌桶的一半径来回往复缓慢移动，移动速度越接近转杆时越快，越
接近桶壁时越慢。

[0032] 优选地，上述步骤中，将电动搅拌桶密封覆盖时，采用保鲜膜呈“井”字形密封覆盖。

[0033] 本发明还提供一种使用所述渣土改良材料的施工方法，包括如下步骤：

[0034] （1）计算掌子面土压力，据此设置施工土舱压力值，并在顶管顶进施工过程中实时监测土舱压力值；

[0035] （2）计算螺旋出土机出土能力，出土能力包括理论出土量和实际出土量；

[0036] （3）顶管顶进施工时，实时向土舱内注入改良剂，同时对比实际出土量与理论出土量，并根据对比结果实时做出如下调整：

[0037] 当实际出土量小于理论出土量时，适当增加改良剂的注入量，以提高螺旋出土机的出土率；

[0038] 当实际出土量大于理论出土量时，适当减少改良剂的注入量，以降低螺旋出土机的出土率；

[0039] （4）对比掌子面土压力计算值与土舱压力监测值，并根据对比结果实时做出如下调整：

[0040] 当土舱压力监测值低于掌子面土压力计算值，出现超挖现象时，向土舱内注入适量的填充剂，以填充土舱空隙来平衡掌子面土压力。

[0041] 优选地，计算螺旋出土机出土能力时，理论出土量根据管节的顶进进尺计算，实际出土量在实际顶进过程中根据出土料斗尺寸及出土刻度计算。

[0042] 本发明相对于现有技术的有益效果是：由于无水砂层粘聚力小、内摩擦角大、保水性差、流塑性差、成拱效应差，本发明的渣土改良材料能够对无水砂层中顶管施工时渣土进
行很好的改良，便于排土的同时能够有效降低掌子面前方土体的沉降位移。具体而言，本发
明至少能够带来如下主要的益处：

[0043] （1）改良后的渣土具有较好的流塑性，更易由螺旋出土机排出，避免土舱压力过大，维持土压平衡，防止掌子面发生隆起，控制沉降；

[0044] （2）改良剂中的水分、膨润土和黄土填充渣土孔隙，能够减小渣土的内摩擦角，减小渣土内摩擦角一方面能够降低对刀盘的磨损，另一方面能够改善渣土和易性，较好的和
易性能够降低对刀盘的扭矩，减小对刀盘的损伤；

[0045] （3）改良剂中聚丙烯酰胺和水玻璃的作用，使得改良剂具有较好的保水性，能够显著增大渣土的粘聚力，增大渣土粘聚力能够在掌子面上形成泥膜，阻止水分的流失，使掌子
面土体更加稳定；

[0046] （4）改良的渣土具有适中的压缩性，能够对后部千斤顶顶推力的大幅波动起到很好的缓冲作用，将顶推力稳定传至掌子面上，维持掌子面土体的稳定，有效控制掌子面前方
土体的沉降位移。

具体实施方式

[0047] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但
并不作为对本发明的限定。

[0048] 需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而
且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方
法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定
的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

[0049] 本发明首先提供一种无水砂层中土压平衡顶管用渣土改良材料，由一种改良剂和一种填充剂组成，其中

[0050] 改良剂由膨润土、黄土、外掺剂和水混合搅拌均匀而成，并且，膨润土为钠基膨润土，黄土为Q3黄土，外掺剂为聚丙烯酰胺（PAM）和水玻璃，水玻璃即Na2SiO3水溶液，并且改良
剂各成分质量比为：钠基膨润土:Q3黄土:聚丙烯酰胺（PAM）:水玻璃:水=50 70:30 40:1 2:
~ ~ ~
20 30:1000；
~

[0051] 填充剂由黄土和水混合搅拌均匀而成，并且，黄土为Q3黄土，并且填充剂各成分质量比为：Q3黄土:水=1:0.8 1。
~

[0052] 进一步，膨润土应当符合GB/T 20973—2007的相关要求，如表1所示。

[0053] 表1 GB/T 20973—2007中膨润土的质量指标

[0054]

[0055] 本发明的膨润土取钠基膨润土三级品，吸水率（2h）≥200%，吸蓝量≥22g/100g，膨胀指数≥15ml/2g。

[0056] 进一步，本发明的Q3黄土为湿陷性黄土，200目通过量≥95%。

[0057] 进一步，本发明的PAM符合GB/T 17514‑2017的相关要求，如表2所示。

[0058] 表2 GB/T 17514‑2017中聚丙烯酰胺（PAM）的质量指标

[0059]

[0060] 进一步，本发明的水玻璃波美度≥40，含量≥34wt%。

[0061] 进一步，本发明的水PH≥7，防止酸性腐蚀管道、顶管机土舱及刀盘。

[0062] 本发明提供了两个实施例，分别编号实1、实2，其配比及实测参数见表3、表4。为了说明效果，本发明列举了两个常用改良剂配比进行对比，分别为普1（水+膨润土）和普2（水+
膨润土+CMC+Na2CO3）。

[0063] 改良剂特性采用液体密度计、API滤失仪、ZNN‑D6型六速旋转粘度计和1000ml量筒实测，改良剂改良效果采用塌落筒和自制带功率表搅拌机实测计算。实测中改良无水砂土
10L，改良剂加入量为土体体积的20%（即2L）。

[0064] 表3 改良剂配料配比表

[0065]

[0066] 表4 改良剂性能指标测试结果汇总表

[0067]

[0068] 注：改良剂密度在1.02 1.07g/cm3为宜；滤失量应小于10ml/30min；粘度不宜过~
大，否则不利于泵送；析水率应小于10%；塌落度应控制在10 20cm之间，15 20cm为宜，数值
~ ~
越大说明流塑性越好；搅拌扭矩表征的是顶管机的刀盘搅拌扭矩，其值越小越好。

[0069] 由以上测试所得改良剂和改良渣土的性能指标可见，就改良剂的密度而言，实施3
例1和实施例2的密度与普1、普2相差不大，且都在最佳值1.02 1.07g/cm范围内；滤失量、
~
析水率表征改良剂的保水性，实施例1和实施例2的滤失量、析水率要明显优于普1、普2，其
滤失量低于10ml/30min，析水率为0，低于10%，说明本发明的改良剂具有较好的保水性，在
改良渣土时能够显著减少渣土中水分的流失，水分、胶体和细粒成分填充渣土孔隙，显著提
高渣土的粘聚力，降低内摩擦角，确保改良效果；表观粘度和塑性粘度表征改良剂的粘度，
实施例1和实施例2的粘度略大于普1、普2，差别不大；塌落度表征改良渣土的流塑性，实施
例1和实施例2的塌落度高于普1、普2，且在最佳值15 20cm范围内，说明本发明改良的渣土
~
流塑性较好，经改良后的渣土更易由螺旋出土机排出；搅拌扭矩表征改良渣土的和易性，实
施例1和实施例2的搅拌扭矩低于普1、普2，在实际施工中由其改良的渣土对刀盘产生的搅
拌扭矩较低，从而对刀盘的损伤较小，更加节能环保，对设备造成的损坏程度越低。对于该
无水砂层，实施例2的渣土改良效果要明显优于实施例1，其它无水砂层在施工前需先进行
渣土改良试验，并结合实际效果对配比进行优选。

[0070] 由此可见，通过在膨润土泥浆中掺入聚丙烯酰胺（PAM）溶液，能将膨润土的膨胀指数从15ml/2g提升至20ml/2g，显著改善泥浆粘度和密度。

[0071] 通过在高分子聚合物泥浆中掺入Q3黄土和水玻璃，能显著提高泥浆的粘度和流塑性，即触变性，更易由螺旋出土机排出，维持土压平衡，控制沉降。

[0072] 另外，添加所述渣土改良材料后渣土的塌落度从5cm（注入同体积水）提升至18cm，刀盘搅拌扭矩降低90%，并且从施工日志及监测数据能够看出，螺旋出土机的出土率提升
60%，土舱前地表沉降值控制在±20mm之内，满足渣土的改良要求。

[0073] 下面阐述本发明的渣土改良材料的制备方法，包括改良剂的制备和填充剂的制备。

[0074] 本发明按照以下步骤制备改良剂：

[0075] 聚丙烯酰胺（PAM）能够促进膨润土的膨化，为了促进膨润土的充分膨化以及改良剂制备时各材料能够充分混合均匀，本发明分开制备，将聚丙烯酰胺（PAM）制备成高分子聚
合物溶液，将钠基膨润土制备成膨润土泥浆，将黄土制备成黄土泥浆，然后再混合。同时在
制备这几种材料时，根据聚丙烯酰胺（PAM）、膨润土和黄土的含量来划分水的分别添加量。

[0076] 根据试验结果同时考虑实际工程经验值，电动搅拌机转速达到600r/min以上时膨润土、黄土的膨化效果更好，混合更充分，同时考虑到长时间高功率运转会损耗电机，本发
明选择短时混合搅拌时适当调快转速，长时间持续搅拌时适当调慢转速。

[0077] 一、制备高分子聚合物溶液：

[0078] 向一个电动搅拌桶里加入100份水，控制其PH≥7，考虑防止浆液搅拌溢出，应当尽量控制加水体积不超过电动搅拌桶容积的二分之一，控制电动搅拌机的转速为650 700r/
~
min，然后向电动搅拌桶内缓慢均匀加入1 2份聚丙烯酰胺（PAM），搅拌均匀，实际加入量可
~
根据工程实际情况在此范围内优选最优值，加入聚丙烯酰胺（PAM）时在桶壁与搅拌机转杆
之间沿电动搅拌桶的一半径来回往复缓慢移动，移动速度越接近转杆时越快，越接近桶壁
时越慢。

[0079] 二、制备膨润土泥浆：

[0080] （1）向一个电动搅拌桶里加入600份水，控制其PH≥7，考虑防止浆液搅拌溢出，应当尽量控制加水体积不超过电动搅拌桶容积的二分之一，控制电动搅拌机的转速为650
~
700r/min，然后向电动搅拌桶内缓慢均匀加入50 70份钠基膨润土，搅拌均匀，实际加入量
~
可根据工程实际情况在此范围内优选最优值，加入膨润土时在桶壁与搅拌机转杆之间沿电
动搅拌桶的一半径来回往复缓慢移动，移动速度越接近转杆时越快，越接近桶壁时越慢，每
次添加量以泥浆液面出现明显漂浮粉末时为限，以防止膨润土在添加过程中结块；

[0081] （2）待加入全部膨润土搅拌均匀之后，将电动搅拌桶密封覆盖，将电动搅拌机转速调至550 600r/min，持续搅拌16 18h，使膨润土充分膨化，得到膨润土泥浆。
~ ~

[0082] 三、制备黄土泥浆：

[0083] （1）向另一个电动搅拌桶里加入300份水，控制其PH≥7，考虑防止浆液搅拌溢出，应当尽量控制加水体积不超过电动搅拌桶容积的二分之一，控制电动搅拌机的转速为650
~
700r/min，然后向电动搅拌桶内缓慢均匀加入30 40份Q3黄土，搅拌均匀，实际加入量可根
~
据工程实际情况在此范围内优选最优值，加入黄土时在桶壁与搅拌机转杆之间沿电动搅拌
桶的一半径来回往复缓慢移动，移动速度越接近转杆时越快，越接近桶壁时越慢，添加黄土
时每次添加量以泥浆液面出现明显漂浮粉末时为限，以防止黄土在添加过程中结块；

[0084] （2）将电动搅拌桶密封覆盖，将电动搅拌机转速调至550 600r/min，持续搅拌1~ ~
2h，得到黄土泥浆。

[0085] 三、制备改良剂：

[0086] （1）将已配好膨润土泥浆的电动搅拌桶置于电动搅拌机下，控制电动搅拌机的转速为650 700r/min，向该电动搅拌桶内缓慢均匀加入已配好的高分子聚合物溶液和黄土泥
~
浆，控制泥浆总体积不超过电动搅拌桶容积的三分之二，搅拌均匀；

[0087] （2）向该电动搅拌桶内缓慢均匀加入20 30份水玻璃，实际加入量可根据工程实际~
情况在此范围内优选最优值，加入水玻璃时在桶壁与搅拌机转杆之间沿电动搅拌桶的一半
径来回往复缓慢移动，移动速度越接近转杆时越快，越接近桶壁时越慢，将电动搅拌机转速
调至550 600r/min，持续搅拌1 2h，改良剂制备完成。
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[0088] 上述步骤中，将电动搅拌桶密封覆盖时，采用保鲜膜呈“井”字形密封覆盖，以减少搅拌过程中水分的蒸发。

[0089] 本发明按照以下步骤制备填充剂：

[0090] （1）向一个电动搅拌桶里加入800 1000份水，控制其PH≥7，考虑防止浆液搅拌溢~
出，应当尽量控制加水体积不超过电动搅拌桶容积的二分之一，控制电动搅拌机的转速为
550 600r/min，将1000份Q3黄土平均分成4份，每次向电动搅拌桶内缓慢均匀加入一份，搅
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拌10 15min，然后将电动搅拌机的转速降低100r/min，继续添加下一份，搅拌10 15min，直
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至全部黄土添加并搅拌完毕；

[0091] 本发明的填充剂中黄土含量较高，制备得到的填充剂较为粘稠，故分四次加入黄土进行搅拌，每次搅拌10 15min，经过试验，在对应的转速下搅拌10 15min的时间基本能够
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确保250份Q3黄土被充分搅拌均匀，形成黄土泥浆，随着黄土的持续加入，电动搅拌桶内浆
液越来越粘稠，继续添加下一份黄土时将电动搅拌机的转速降低100r/min，具体而言，添加
第一份时转速为550 600r/min，添加第二、三、四份黄土时转速依次调为450 500r/min、350
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400r/min、250 300r/min，如此在能够确保泥浆搅拌效果的前提下防止搅拌机功率过高，
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损耗电机。

[0092] （2）添加并搅拌完毕后将电动搅拌桶密封覆盖，静置待用，使用前加快电动搅拌机的转速至550 600r/min，持续搅拌5 10min，填充剂制备完成。
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[0093] 考虑到随着黄土的持续添加，浆液越来越粘稠，而电动搅拌机的转速越来越低，搅拌混合效果会有所降低，本发明在使用填充剂前再次将电动搅拌机的转速提升至最初的
550 600r/min，持续搅拌5 10min，具体搅拌时间看搅拌效果，以不超过10min为限，通过最
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后统一的短时快速搅拌，防止静置沉淀，以确保电动搅拌桶内全部泥浆的搅拌效果，这样也
减少了高速搅拌的时间，降低了搅拌机的损耗。

[0094] 下面以北京某地下综合管廊土压平衡顶管施工为例，阐述本发明渣土改良材料的使用方法：

[0095] （1）计算掌子面土压力，据此设置施工土舱压力值，并在顶管顶进施工过程中实时监测土舱压力值；

[0096] 根据隧道所处的位置以及隧道的埋深情况，对隧道进行分类，判断出隧道是属于深埋隧道还是浅埋隧道。

[0097] 根据判断的隧道类型初步计算出地层的竖向压力。

[0098] 根据隧道所处的地层以及隧道周边地地表环境状况的复杂程度，计算水平侧向力。

[0099] 根据不同的施工环境、施工条件及施工经验，考虑0.1 0.2bar的压力值作为调整~
值来修正施工土舱压力。

[0100] 根据确定的水平侧向力以及施工土舱压力调整值得出初步的顶管施工土舱压力设定值为：

[0101] σ初步设定=σ水平侧向力+σ调整

[0102] 式中，σ初步设定——初步确定的顶管土舱压力；

[0103] σ水平侧向力——水平侧向力；

[0104] σ调整——修正施工土压力。

[0105] 根据经验值和半经验公式进一步对初步设定的土舱压力进行验证比较，无误时应用施工之中。

[0106] 根据地表的沉降监测结果，对施工土舱压力进行及时调整，得出比较合理的施工土舱压力值。

[0107] 顶管机土舱隔板上设置有4个隔膜式压力传感器，用以监测土舱压力。传感器量程0 0.15MPa，精度0.01MPa。由于理论和实践存在差异，根据施工过程中试验段收集的实际参
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数并结合监测数据及时进行调整，再在实际顶进施工中进行参照指导。

[0108] （2）计算螺旋出土机出土能力，出土能力包括理论出土量和实际出土量；

[0109] 具体而言，理论出土量根据管节的顶进进尺计算，实际出土量在实际顶进过程中根据出土料斗（出渣容器）尺寸及出土刻度计算出。

[0110] （3）顶管顶进施工时，实时向土舱内注入改良剂，同时对比实际出土量与理论出土量的差异，并根据对比结果实时做出如下调整：

[0111] 当实际出土量小于理论出土量时，适当增加改良剂的注入量，提高渣土的改良效果，以利于排土，提高螺旋出土机的出土率；

[0112] 当实际出土量大于理论出土量时，适当减少改良剂的注入量，以降低螺旋出土机的出土率；

[0113] 通过向土舱内注入适量的改良剂并实时调整注入量，能够改善渣土性质。改良后的渣土具有较好的流塑性，更易由螺旋出土机排出；改良剂中的水分、膨润土和黄土填充渣
土孔隙，能够减小渣土的内摩擦角，减小渣土内摩擦角一方面能够降低对刀盘的磨损，另一
方面能够改善渣土和易性，较好的和易性能够降低对刀盘的扭矩，减小对刀盘的损伤；与聚
丙烯酰胺和水玻璃共同作用，又能够显著增大渣土的粘聚力和保水性，增大渣土粘聚力能
够在掌子面上形成泥膜，阻止水分的流失，使掌子面土体更加稳定；改良后的渣土具有适中
的压缩性，能够对后部千斤顶顶推力的大幅波动起到很好的缓冲作用，将顶推力稳定传至
掌子面上，维持掌子面土体的稳定，有效控制掌子面前方土体的沉降位移。

[0114] （4）对比掌子面土压力计算值与土舱压力监测值，并根据对比结果实时做出如下调整：

[0115] 当土舱压力监测值低于掌子面土压力计算值时，说明此时土舱内压力降低，存在空隙，若不及时处理，掌子面前方土体可能会发生沉降位移、塌陷，本发明通过向土舱内注
入适量的填充剂，以填充土舱空隙来平衡掌子面土压力，即维持掌子面土压力与土舱压力
的动态平衡，从而有效降低掌子面前方土体的沉降位移。

[0116] 本发明的填充剂为按基本1:1的比例配制的黄泥，具有良好的流塑性、和易性，适中的压缩性，其性能与经由本发明的改良剂改良后的渣土相近，既能够发挥较好的填充效
果，又不会影响渣土的改良效果，另外填充剂使用黄土成本较低，易于现场实施。

[0117] 本发明使用的渣土改良系统如下：

[0118] 顶管机配有渣土改良系统，用于对渣土进行改良，渣土改良剂及填充剂通过输送管路从刀盘喷口喷出。

[0119] 改良系统主要由螺杆泵、高压水泵、电磁流量阀、压力传感器和输送管路组成，分为改良剂及填充剂注入系统、刀盘喷水及搅拌系统。

[0120] 改良剂及填充剂注入系统：通过对土舱内、螺旋出土机及刀盘面板注入改良剂和填充剂，达到改良渣土及填充空隙的效果，采用6路管路，单管单泵模式，保证每路输送管路
压力、流量均匀，不容易堵管，其改良效果良好。

[0121] 刀盘喷水及搅拌系统：根据整个刀盘刀具布置及前期掘进经验总结，刀盘中心部位中心刀处及其它周边刮刀、开口处属于容易结泥饼薄弱区域，因此，为了减小此区域结泥
饼，在刀盘中心回转接头周边增开6路喷水系统，达到四周喷射效果，对刀盘中心区域能够
起到冲洗效果，增加土舱内渣土流动性，减小结泥饼现象。

[0122] PLC自动控制系统：

[0123] 顶管机的操作设计实现了司机在中控室内可以控制顶管掘进的绝大部分操作，如启动泵站、推进、调向、刀盘操作、土舱压力控制、油脂系统的注入、螺旋输送机的控制等，顶
管的主要状态参数如各种油压油温、气压力、顶管机的姿态等也直接反馈到主控室内，渣土
改良剂及填充剂注入过程的操作和参数控制也全部在一个操作面板上完成，其过程由PLC
自动控制。

[0124] 至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定
或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为
覆盖了所有这些其他变型或修改。