一种同步注浆用泥水盾构渣土处理系统及处理方法
技术领域
本发明属于泥水盾构隧道工程领域，具体涉及到一种同步注浆用泥水盾构渣土处理系统及处理方法。
技术背景
泥水盾构以无需特殊土体改良、地质适应性强、开挖面稳定性高等优点成为国内外穿江过河隧道建设首选施工技术。在其盾构施工过程中，盾构机的刀盘挖掘的渣土，进入土仓，通过螺旋输送机、皮带运输机排放到盾构机后部的渣土运送车上，在经过水平运输运至地面进行堆存。
泥水盾构施工多处于城区或交通繁忙地区，施工场地紧张，现场渣土储存有限，如果不及时处理渣土，会污染施工场地、妨碍场地施工和施工活动，但盾构施工过程中产生的渣土含水率高、渣土颗粒极细等问题，渣土施工场外运成本高，运输过程中很容易发生泄漏，污染市政道路，这不符合环保要求且还伴随许多安全隐患。
盾构施工在掘进过程必须要向衬砌环与地层之间间隙注入由膨润土、水泥、建筑用细砂（细度模数1.8）等组成的同步注浆，而泥水盾构施工产生的渣土多为细砂颗粒，具备制备同步注浆用砂的可能性，目前有学者的室内研究证实利用其和洁净黄砂或直接采用筛分渣土制备同步注浆性能能够达到要求。但这些渣土细度模数在1.0以下，含水率较高难以风干，比表面积大粘附力强，直接加入现有常用的同步注浆拌和站的砂仓，很难下料至混料仓，造成实际应用困难，很难做到大规模应用。因此需要对渣土进行改性处理后就地再利用作为同步注浆用砂，不仅节约了同步注浆用砂的成本，而且大大降低了渣土外运产生的费用，符合现代环保理念。
发明内容
本发明提供一种同步注浆用泥水盾构渣土处理系统，已解决现有技术中渣土下料困难的难题，便于大规模制备同步注浆。解决渣土含水率高，卸料困难，难以卸到料仓里面；很难下料至混料仓，造成实际应用困难，以及做同步注浆浆液后，其改良合格的渣土做同步砂浆的砂源时，浆液的性能可以达到规范要求。将渣土经过渣土增粗改良装置中加入合适的改良剂后，使得渣土能较快干化，黏性减弱，并降低其内摩擦角从而提高其细度模数。
为了达到上述目的，本发明提供一种同步注浆用泥水盾构渣土处理系统，该处理系统包括渣土收集装置，渣土收集装置由左仓和右仓构成混料仓，混料仓上部设有2条滑道；
2条滑道上分别设置有可滑动的A仓和B仓，在A仓及B仓的底部分别设有用于出料的第一电磁阀及第二电磁阀；还包括用于带动A仓及B仓滑动的第一电机及第二电机，第一电磁阀、第二电磁阀、第一电机及第二电机与中央处理器的输出端电连接。
所述的第一电磁阀包括第一线圈、第一铁芯、第一阀体，其中，第一线圈经第一弹簧与第一铁芯连接，第一铁芯经连接杆与第一阀体连接；所述的第二电磁阀包括第一线圈、第二铁芯、第二阀体，其中，第二线圈经第二弹簧与第二铁芯连接，第二铁芯经连接杆与第二阀体连接。
渣土收集装置上还设置有渣土改良装置，所述的渣土改良装置上设置有药剂罐。
所述药剂罐内药剂喷撒速率、调速器转速和出料口开关等均由电信号传输由中央控制器调控。所述系统中渣土改良剂涉到四种改良剂，分别为凸凹棒粉、偏高岭土、粉煤灰、膨润土。在对渣土进行改良中，其改良剂混合使其具有较强的吸附性能，吸附渣土颗粒中的自由水，包裹在颗粒表面从而达到增粗改良的效果，并且凸凹棒粉、偏高岭土、粉煤灰、膨润土具有一定胶结性能，可改善后续同步注浆中胶凝能力，提高浆液的泵送性能，防止浆液在管道输送过程较早沉积而产生堵管危害，使得改良渣土后做同步注浆的砂源，其稳定性可以大大提高。
改良剂配方加入渣土改良装置中药剂罐中混合均匀。然后与渣土在所述装置中间段内进行拌和，拌和过程按照所设置程序进行并由中央控制器控制。
渣土改良装置前段还设置有渣土进料装置；渣土进料装置上包括振动网筛和皮带传送装置；所述的振动网筛的孔径为10-20mm的4*4m的方形振动网筛，并设有自动称量系统（由中央处理器控制），为方便将筛分完渣土顺利进入传送带，方形网筛下设有一倒梯形槽口进行卸料，槽口正对所述皮带传送装置（电机转速由中央控制器控制），皮带长度分两段宽度设置1m，一段水平布置，一段倾斜连接到渣土改良装置进料口处，为方便运输，皮带两段之间连接处采用圆弧过渡。
A仓和B仓内设置有多层网筛，网筛的孔径从上到下依次递减。
A仓和B仓内设置有7层网筛，网筛的孔径从上到下依次为10-8mm、5-3mm、2.5-1.8mm、1.25-0.85mm、0.63-0.45mm、0.315-0.2mm和0.16-0.07mm。
所述盾构渣土在中间段按照程序拌和均匀后，进入装置前半段出料口，通过渣土挡板收集到改良渣土进入检测仓内收集并检验是否合格，所述系统设置有A仓和B仓两个收集仓，底部设置有卸料口，卸料开口由控制器控制，同时内部设置有细度模数检测装置通过传感器传入中央控制器；A仓和B仓下设有一同步注浆的混料仓，混料仓上内设置有左仓（不合格仓）和右仓（合格仓），混合仓上部安置两条滑道，其中AB仓检测渣土完毕后，便于控制其滑动到左仓和右仓进行卸料。由于检测装置需要一定时间，因此设置AB仓交替接受出料口卸出的改良渣土，通过中央控制器控制，AB仓内的监测装置将测得的改良渣土的细度模数Mx信号值传回中央控制器，若判定信号值细度模数Mx≥1.8时，此时改良渣土合格，则A仓或B仓移动到混料仓右仓进行卸料可直接进入同步注浆的砂源；若中央控制器判定信号值细度模数Mx＜1.8时，此时改良渣土不合格，则A仓或B仓移动到混料仓左仓内，进行回收。从而实现渣土增粗改良一整套连续控制。
根据上述装置，本发明还提供一种处理泥水盾构渣土的方法，包括如下步骤：
（1）盾构渣土自渣土进料装置（014）称量、过筛后传动至渣土改良装置（013）；
（2）在渣土改良装置（013）内经螺旋搅拌混料过程中喷洒改良剂，并搅拌均匀；
（3）经步骤（2）改良后的渣土进入A仓（006）或B仓（007）进行细度模数检测，若细度模数Mx≥1.8时，则A仓（006）或B仓（007）移动到混料仓右仓进行卸料可直接进入同步注浆的砂源，下料至右仓；若细度模数Mx＜1.8时，则A仓（006）或B仓（007）移动到混料仓左仓内，进行回收。
所述的步骤（2）中所述的改良剂的添加量所占质量百分比为25~30%，盾构渣土固体质量百分比为70~75%；其中改良剂中各物质的质量百分比为：凸凹棒粉4~5%、偏高岭土4~5%、粉煤灰6~8%、膨润土11~12%，所述的凸凹棒粉、偏高岭土、粉煤灰、膨润土需要50-60℃下烘干后放入球磨机进行粉磨10~25分钟，所得比表面积大于450m2/Kg。
所述的步骤（3）中所述的细度模数的检测方法为改良渣土进入A仓（006）或B仓（007）内，开启电机振动，除去＞8mm粒径，将计算得到累计筛余百分率＞3mm粒径进行称重设为A1，将累计筛余百分率＞1.8mm粒径进行称重设为A2，将累计筛余百分率＞0.85mm粒径进行称重设为A3，将累计筛余百分率＞0.45mm粒径进行称重设为A4，将累计筛余百分率＞0.2mm粒径进行称重设为A5，将累计筛余百分率＞0.07mm粒径进行称重设为A6，所设程序设置的细度模数
计算公式如下：
Mx=(A2+A3+A4+A5+A6-5A1)/(100-A1)
设置程序Mx大于等于1.8时，系统判定合格，系统开启A仓或B仓进行卸料到下部右仓；Mx小于1.8时，系统判定不合格，系统开启A仓或B仓进行卸料到下部左仓。
作为优选方案，所述的细度模数的检测方法为改良渣土进入A仓（006）或B仓（007）内，开启电机振动，除去＞10mm粒径，将计算得到累计筛余百分率＞5mm粒径进行称重设为A1，将累计筛余百分率＞2.5mm粒径进行称重设为A2，将累计筛余百分率＞1.25mm粒径进行称重设为A3，将累计筛余百分率＞0.63mm粒径进行称重设为A4，将累计筛余百分率＞0.315mm粒径进行称重设为A5，将累计筛余百分率＞0.16mm粒径进行称重设为A6，所设程序设置的细度模数
计算公式如下：
Mx=(A2+A3+A4+A5+A6-5A1)/(100-A1)
设置程序Mx大于等于1.8时，系统判定合格，系统开启A仓或B仓进行卸料到下部右仓；Mx小于1.8时，系统判定不合格，系统开启A仓或B仓进行卸料到下部左仓。
步骤（1）中的称量、传动，步骤（2）中改良剂的喷洒，步骤（3）中细度模数检测过程均采用中央处理器进行调控。
采用本发明的技术方案具有如下优点：1、能够连续处理泥水盾构所产生的渣土进行改良后，回收利用作为同步注浆浆液的砂源，全过程实现系统自动控制，试用范围广等特点；2、所采用的改良剂多为施工盾构常用材料，成本低，且对渣土无有害物质添加，对渣土后续利用更加方便。
附图说明
图1同步注浆用泥水盾构渣土处理系统流程图。
图2为出料口监测收集装置平面图。
图5为 A仓、B仓底部构造图。
图3为细度模数监测装置示意图。
图4是用于对泥水盾构渣土改良装置的结构示意图。
上述图中：001振动网筛、002皮带输送装置、003不同粒径网筛、004传感器、005电动机、006 A仓、007 B仓、008左仓、009右仓、010电动滑道、011药剂罐、012混料仓、013渣土改良装置、014渣土进料装置、015中央处理器，016-1第一线圈、017-1第一弹簧、018-1第一铁芯、016-2第二线圈、017-2第二弹簧、018-2第二铁芯、020-1第一阀体、020-2第二阀体。
10混合筒体、11药剂罐、12流量控制器、13排风扇、14进料口轴承、15进料口、17搅拌螺纹、18螺杆、19渣土挡板、20变速器、30出料口轴承、31出料口、32金属过滤网。
具体实施方式
实施例1
一种同步注浆用泥水盾构渣土处理系统，该处理系统包括渣土收集装置，渣土收集装置由左仓008和右仓009构成混料仓012，混料仓012上部设有2条滑道010；
2条滑道010上分别设置有可滑动的A仓006和B仓007，在A仓006及B仓007的底部分别设有用于出料的第一电磁阀及第二电磁阀；还包括用于带动A仓006及B仓滑动的第一电机021-1及第二电机021-2，第一电磁阀、第二电磁阀、第一电机021-1及第二电机021-2与中央处理器015的输出端电连接。
所述的第一电磁阀包括第一线圈016-1、第一铁芯018-1、第一阀体020-1，其中，第一线圈016-1经第一弹簧017-1与第一铁芯018-1连接，第一铁芯018-1经连接杆与第一阀体020-1连接；所述的第二电磁阀包括第一线圈016-2、第二铁芯018-2、第二阀体020-2，其中，第二线圈016-2经第二弹簧017-2与第二铁芯018-2连接，第二铁芯018-2经连接杆与第二阀体020-2连接。
渣土收集装置上还设置有渣土改良装置013，所述的渣土改良装置013上设置有药剂罐011。
渣土改良装置013前段还设置有渣土进料装置014；渣土进料装置014上包括振动网筛001和皮带传送装置002；所述的振动网筛001的孔径为10-20mm，所述的振动网筛001下方设有一倒梯形槽口，槽口正对皮带传送装置002。
A仓006和B仓007内设置有多层网筛003，网筛003的孔径从上到下依次递减。
A仓006和B仓007内设置有7层网筛003，网筛003的孔径从上到下依次为10mm、5mm、2.5mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm和0.16mm。
针对上述的渣土改良装置013，本发明还提供该装置的结构（具体见图4），具体如下：对泥水盾构渣土的改良装置包括混合筒体10，混合筒体10的前段设置有进料口15；混合筒体10内设置有贯穿混合筒体10的螺杆18，螺杆18上设置有螺纹搅拌桨17；混合筒体10末端设置有出料口30，出料口30末端设置有倾斜的渣土板19。
螺杆18前端设置有进料口轴承14，螺杆18末端设置有出料口轴承30，出料口轴承30外设置有变速器20。
混合筒体10上部还设置有药剂罐11，药剂罐11下方设置有流量控制器12。
混合筒体10前段的进料口处设置有排风扇13。
混合筒体10下壁内侧设置有金属过滤网32。
采用对泥水盾构渣土的改良装置进行的工艺中，用于将盾构机掘进所产生的渣土前处理后运输至进料口15，提供临时储存和卸料，并进入中间段进行渣土改良处理。设有的搅拌螺纹17接连在螺杆18上用于将进料口15的渣土和药剂进行搅拌和拌和，使其在装置内部能充分和药剂结合，反应更加充分。设有一药剂罐11储存和渣土结合的改良剂，在要药剂罐11下方设有一流量控制器12用来控制改良剂的喷洒量。所述装置右上和右下各连接排风扇13并设有若干通风孔，风力大小可由程序控制，用于将药剂罐11喷洒下来的改良剂进行分散化处理，使搅拌螺纹17能将和进料口15出的渣土和改良剂充分混合，此外中间段内残留的水还能通过金属过滤网32流出，同时排风扇13还能加速渣土内水分的蒸发，大大降低其渣土含水率，改变传统加热使渣土受热脱水，大大降低能耗。螺杆18将盾构渣土和改良剂混合均匀后的改良渣土输送到前端出料口31，在出料口31下方设置一渣土挡板19，方便收集改良后的渣土。此外渣土挡板19后可连接改良渣土收集装置，进行储存和利用。
实施例2
如图1同步注浆用泥水盾构渣土处理系统流程图，包括渣土前段进料口预处理、中间段渣土改良和尾部出料收集装置所组成的系统。其中所述系统前半段将倔出的渣土通过挖土机连续送入振动网筛001上，当系统感应送入网筛的渣土达到200Kg时，中央处理器开启网筛振动（振动频率设置为500r/min），筛分后的渣土即可通过槽型漏斗进入下方皮带传送装置002，当皮带感应重力时，系统开启皮带运转将预处理的渣土送入改良渣土增粗装置的进料口处。
当前半段筛分处理完成后的渣土送入进料口时，系统开启设置螺杆转速为20r/min，同时计算出所需要的改良剂的药量，其中改良剂的添加量，其中各物质的质量百分比设定为：凸凹棒粉3%、偏高岭土3%、粉煤灰5%、膨润土14%，其余为渣土质量的百分占比，所述的凸凹棒粉、偏高岭土、粉煤灰、膨润土需要50-60℃下烘干后放入球磨机进行粉磨120分钟，所得比表面积为550m2/Kg，在药剂罐中预先混合均匀，通过药剂罐下方控制器以一定量进行均匀喷撒；此时开启中间段改良装置内置排风扇，对上方输送的渣土风干处理，同时能使渣土和药剂很合均匀。当渣土和改良剂进行混合10min后，打开出料口，通过中央控制器调节电动滑道010使得A仓进入出料口下方进行卸料，当改良渣土装到A仓满状态80%时停止卸料，此时进行内部渣土细度模数检测；同时调节B仓滑动到出料口进料，以形成连续卸料系统。
所述的细度模数的检测方法为改良渣土进入A仓（006）或B仓（007）内，开启电机振动，除去＞10mm粒径，将计算得到累计筛余百分率＞5mm粒径进行称重设为A1，将累计筛余百分率＞2.5mm粒径进行称重设为A2，将累计筛余百分率＞1.25mm粒径进行称重设为A3，将累计筛余百分率＞0.63mm粒径进行称重设为A4，将累计筛余百分率＞0.315mm粒径进行称重设为A5，将累计筛余百分率＞0.16mm粒径进行称重设为A6，所设程序设置的细度模数
计算公式如下：
Mx=(A2+A3+A4+A5+A6-5A1)/(100-A1)
设置程序Mx大于等于1.8时，系统判定合格，系统开启A仓或B仓进行卸料到下部右仓；Mx小于1.8时，系统判定不合格，系统开启A仓或B仓进行卸料到下部左仓。
其中A仓取定量渣土输检测，若所测仓内改良渣土细度模数Mx≥1.8时，传感器传入中央控制器内判定A仓或B仓内改良渣土合格，则调节电动滑道010进入右仓009，进行卸料，可以直接作为同步注浆浆液的砂源装入混料仓内；若A仓或B仓检测的改良渣土细度模数Mx不满足1.8时，则系统判定改良渣土不合格，将调节电动滑道010进入左仓008内收集，可运输到进料口再次进行改良或其他处理。
实施例3
根据上述实施例1、2实施后所得到的合格渣土应用在同步注浆中浆液的砂源时，每方含泥水盾构废弃渣土的同步砂浆按干基重量百分比计，注浆材料搅拌方法与搅拌机选择参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》的规定；注浆材料浆液的表观密度、稠度、稠度经时损失、分层度参考JGJ/T 70-2009；注浆材料的流动度和流动度经时损失参照GB/T50448-2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》进行测试；泌水率试验方法参考GB/T 2582-2010《预应力孔道灌浆剂》规定，注浆材料抗压强度JGJ/T233020-11制成70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体试件，抗压强度按照JGJ/T 233-2011《水泥配合比设计规程》中无侧限抗压强度测试进行测试。
分别取左仓008内细度模数＜1.8时的不合格渣土，取右仓009内合格渣土，按照水泥基单液同步注浆材料配合比设计，根据《盾构法隧道同步注浆浆液应用技术规程（T/CECS563-2018）》即同步注浆浆液的性能宜符合下列要求：稠度100~130mm，稠度经时损失≤10mm/h，流动度≥160mm，流动度经时损失≤20mm/h，泌水率≤3.5%，分层度为≤6mm，凝结时间10~24h；水泥基单液同步注浆浆液硬化性能应符合：抗压强度在3d达到≥0.5MPa，28d为≥2.5MPa，水陆强度比28d达到65%，结石率为≥95%。
对于不合格渣土，本次选取水胶比为0.60、胶砂比为0.5、膨润土掺量10%和水泥掺量86%，另外添加保塑剂（长沙市保坍剂保塑剂保塌厂家的乐宝）4%，所得的同步注浆浆液的稠度100mm，稠度经时损失10mm/h，流动度165mm，流动度经时损失21mm/h，泌水率3.6%，分层度为7mm，凝结时间23h，抗压强度在3d达到0.3MPa，28d为4.7MPa，水陆强度比28d达到63.8%，结石率为85.9%。可知用左仓制作的同步注浆的浆液中，泌水率、稠度较、流动度等不满足规范性能；浆液的硬化性能在早期强度不能满足规范《盾构法隧道同步注浆浆液应用技术规程（T/CECS 563-2018）》要求。
对于合格渣土，本次选取浆液水胶比为0.60、胶砂比为0.5、膨润土掺量10%和水泥掺量86%，另外添加保塑剂4%（长沙市保坍剂保塑剂保塌厂家的乐宝）；所得的同步注浆浆液的稠度104mm，稠度经时损失9mm/h，流动度155mm，流动度经时损失18mm/h，泌水率3.3%，分层度为5mm，凝结时间16h，抗压强度在3d达到0.6MPa，28d为5.4MPa，水陆强度比28d达到69%，结石率为96%。可知用右仓合格渣土制作的同步注浆的浆液中，泌水率、稠度较、流动度等满足规范性能；浆液的硬化性能在早期强度能满足规范《盾构法隧道同步注浆浆液应用技术规程（T/CECS 563-2018）》要求，后期强度较高。结合2、3案例分析，经过此系统处理后的合格渣土运用在同步注浆泥水盾构内浆液性能和硬化性能有较好提升。
实施例4
实施方式如实施例2，仅药剂配方上的不同，具体如下：
当前半段筛分处理完成后的渣土送入进料口时，系统开启设置螺杆转速为20r/min，同时计算出所需要的改良剂的药量，其中改良剂的添加量，其中各物质的质量百分比设定为：凸凹棒粉5%、偏高岭土5%、粉煤灰7%、膨润土10%，其余为渣土质量的百分占比，所述的凸凹棒粉、偏高岭土、粉煤灰、膨润土需要50-60℃下烘干后放入球磨机进行粉磨25分钟，所得比表面积大于490m2/Kg，在药剂罐中预先混合均匀，通过药剂罐下方控制器以一定量进行均匀喷撒；此时开启中间段改良装置内置排风扇，对上方输送的渣土风干处理，同时能使渣土和药剂很合均匀。
实施方式如实施例3，分别取左仓008内细度模数＜1.8时的不合格渣土，取右仓009内合格渣土。
对于不合格渣土，本次选取水胶比为0.80、胶砂比为0.95、膨润土掺量7%和水泥掺量91%，另外添加保塑剂（长沙市保坍剂保塑剂保塌厂家的乐宝）2%，所得的同步注浆浆液的稠度128mm，稠度经时损失7.4mm/h，流动度174mm，流动度经时损失16mm/h，泌水率4.2%，分层度为7mm，凝结时间26h，抗压强度在3d达到0.42MPa，28d为3.95MPa，水陆强度比28d达到57.4%，结石率为79.8%。可知用左仓制作的同步注浆的浆液中，泌水率、稠度较、流动度等不满足规范性能；浆液的硬化性能在早期强度不能满足规范《盾构法隧道同步注浆浆液应用技术规程（T/CECS 563-2018）》要求。
对于合格渣土，本次选取浆液水胶比为0.60、胶砂比为0.5、膨润土掺量10%和水泥掺量90%，另外添加保塑剂4%（长沙市保坍剂保塑剂保塌厂家的乐宝）；所得的同步注浆浆液的稠度122mm，稠度经时损失8.8mm/h，流动度163mm，流动度经时损失17.5mm/h，泌水率4.6%，分层度为5mm，凝结时间15h，抗压强度在3d达到0.72MPa，28d为5.8MPa，水陆强度比28d达到72.3%，结石率为97.4%。可知用右仓合格渣土制作的同步注浆的浆液中，泌水率、稠度较、流动度等满足规范性能；浆液的硬化性能在早期强度能满足规范《盾构法隧道同步注浆浆液应用技术规程（T/CECS 563-2018）》要求，后期强度较高。结合2、3案例分析，经过此系统处理后的合格渣土运用在同步注浆泥水盾构内浆液性能和硬化性能有较好提升。
以上所述的仅是发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明系统的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
