土压平衡盾构在砂层中掘进施工工艺.pdf

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1、土压平衡盾构在砂层中掘进施工工艺 1 前言 1.1 工艺工法概况 土压平衡盾构在砂层中的应用时间较晚，主要在近几年的成都、沈阳、北京和西安等城市的地铁施工中有应用，经过近年来盾构砂层掘进的施工和研究，也渐渐摸索出了一套行之有效的施工方法。1.2 工艺原理 1.2.1 充分利用加泥式土压平衡盾构的加泥功能，将膨化好的膨润土泥浆注入到刀盘前方、土舱、螺旋舱和盾体外，为渣土提供粘结力、附着力、悬浮力和润滑性等作用，提高渣土的和易性，达到良好建压和顺利出土的目的；1.2.2 加强盾构机刀盘的切削能力和耐磨性，加强盾体的凸出部分和螺旋机耐磨性，以增强盾构机在砂层中掘进的适应性和耐久性。2 工艺工法特点

2、2.1 根据砂层渗透系数高、摩擦阻力大、流塑性差等特点，结合盾构机设备的实际情况，对盾构机的薄弱处进行加强，如保水性能和耐磨性，这将增加盾构机在砂层中掘进的安全性，降低其换刀、更换螺旋的风险；2.2 针对砂层盾构掘进出土难的问题，正确的实施渣土改良技术，对渣土进行流塑性与和易性改良，只有解决了砂层盾构出土难的问题才能使盾构施工的安全和效率得到保证。3 适用范围 本工艺工法的编制是立足于加泥式土压平衡盾构机掘进砂层的施工，适用的地层为细砂、中砂、粗砂及砾石含量较小的砾砂地层。4 主要引用标准 4.1 设计图纸，地质勘察报告，盾构机说明书；4.2地下铁道工程施工及验收规范；4.3 当前国内土压平衡

3、盾构砂层掘进渣土改良运用成果；5 施工方法 由于砂层具有内黏聚力小、外摩擦角大、渗透系数高等特点，在土压平衡盾构机掘进时，不能满足其土舱建压和出土的要求，更不能满足沉降控制和快速掘进的要求，必须对渣土进行流塑性、渗透性及和易性的改良，才能较好的实现土舱建压和出土，从而实现安全和高效的掘进。盾构砂层掘进的关键技术是渣土改良，渣土改良的原理是用具有粘性和一定比重的泥浆对渣土进行流塑性、和易性改造，增强渣土粘聚力，减小内摩擦角，达到良好建立土舱压力和顺利出土的目的。渣土改良技术主要解决三个问题：一是配置出怎样的泥浆，二是如何使用泥浆，三是泥浆的注入量。本工法选用的渣土改良剂为钠基膨润土，配置成膨润土

4、与水的质量比为 1：10 的泥浆，膨化时间达到 22 小时左右，泥浆比重 1.06 以上，粘度 30s 以上，对于含有砾石等较大颗粒的地层，可以在膨润土泥浆中加入一定量的黄土，用来提高泥浆的比重，增强泥浆的浮力，黄土的掺入量为膨润土的 1/3。将泥浆注入到刀盘前方、土舱和螺旋舱，对渣土进行流塑性改良；对于盾构机注浆壳凸出或地层较为密实的情况，将泥浆注入到前胸板后 1020cm 的盾体外，用于较少盾构机与地层的摩擦。泥浆的使用要注重对刀盘前方的注入，起到提前改良土体的作用，同时也提高开挖面土体的稳定性。泥浆的注入量也是渣土改良技术的关键问题，通常和泥浆配比一样采用改良土体的塌落度来判定，对模拟开

5、挖地层颗粒级配的渣土，用膨润土泥浆进行改良，改良后渣土的坍落度范围在 100150mm 的泥浆和泥浆加入量是合适的。先采用试验所得数据进行施工，在施工过程中再进行不断的调整。6 工艺流程及操作要点 6.1 施工工艺流程 施工工艺流程见下图 图 1 工艺流程图 6.2 操作要点 6.2.1 碴土改良 6.2.1.1 碴土改良的必要性 碴土改良思路来源于使用泥水盾构的某些方法、措施来解决土压平衡盾构掘进砂层遇到的困难。由于砂层具有内粘聚力小、外摩擦角大、渗透系数高等特点，在土压平衡盾构机掘进时，不能满足其土仓建压和出土的要求，更不能满足沉降控制和快速掘进的要求，必须对碴土进行流塑性、渗透性及和易性

6、的改良，才能较好的实现土仓建压和出土，从而实现安全和高效的掘进。从严格的盾构选型的角度讲，这种地层更适用于泥水加压式盾构，对于加泥式土压平衡盾构，通过对碴土改良剂的室内试验研究和现场盾构机过砂层准备砂层掘进掘进参数选择添加剂使用地下水处理同步注浆盾构机姿态控制管环拼装、掘进参数调整掘进下一环掘进数据异常 等情况 注入添加剂是否实施，得出合理且经济的泥浆配比，然后在施工过程中向盾构机土仓、刀盘前方和螺旋机仓内注入适合的泥浆量，以改良开挖面土体和土仓内碴土，也可适用于砂层掘进施工。6.2.1.2 碴土改良方法 在土压平衡盾构砂层掘进时，应对碴土采取流塑化改良措施，即向开挖面、土压仓（必要时向螺旋输

7、送机）注入改性材料（泥浆、泡沫、聚合物等），以促进开挖面稳定，实现土压平衡掘进，同时有助于降低机械摩擦、减小地面沉降、提高掘进速度等。首先对开挖面，即刀盘前方土体注入泥浆，向开挖面土体注入泥浆后，泥浆包围在颗粒周围，形成了一层泥膜，增加了颗粒之间的粘聚力，使得颗粒之间的传力得到扩散，达到一种泥浆护壁的效果，有助于稳定开挖面土体。其次是向土仓内注入泥浆，通过刀盘旋转和螺旋机旋转使泥浆渗入砂性土颗粒之间，增强颗粒之间的作用力，并以较大的泥浆浮力减少颗粒的堆积，形成流塑性状态的渣土。最后是通过膨润土泥浆特殊的润滑性能，可以减轻颗粒与盾构机及其构件的摩擦。6.2.1.3 碴土改良材料及配比 常用的碴土

8、改良剂有水、膨润土泥浆、泡沫、高分子聚合物等，各类不同用途的改良比较见表 1。表 1 改良剂比较表 种类 代表材料 优点 缺点 适用土质 矿物类 膨润土 蒙脱土 不透水性，流动性 制泥设备 废物处理 各种土质 黄土 增加泥浆的比重 配合膨润土 使用 含 有 砾 石 的粗砂层 水溶性高分子 CMC 增大粘性 废物处理 无粘性土 高吸水性树脂 环氧树脂 胶凝状态，防止喷涌 酸碱地基化学加固 高水位，含水量高 界面活性材料 泡沫剂 不透水性，流动性，防止粘附 无 各种土质 膨润土、发泡剂及高分子聚合物在理论上均适应于砂层。但其侧重的效果又不太一样，砂层掘进的碴土改良剂的首选膨润土泥浆和泡沫，如果遇到

9、卵石、砾石较多的地层或渗透系数较大的地层，再综合考虑在膨润土泥浆中加入其它的改良剂。经过试验室数据采集及对比分析及现场实践结果，对于全断面砂层碴土改良参数参考值如下：膨润土：纳基膨润土 泡沫剂：砂性土专用气泡剂 膨润土泥浆性质：浆液比重 1.07，粘度 2535s；注入率 10%20%（与碴土体积比）；膨润土与水质量比控制在 1:81:10 之间。泡沫剂：发泡倍率 12 倍，原液注入量 3050L，注入率为 35%（与碴土体积比）对于含有砾石或少量卵石的粗砂层或砂砾层，可以采取在膨润土泥浆中加入黄土的方法改良渣土，其配比参考值如下：膨润土:黄土=3:2，注入率为 20%。（说明：膨润土泥浆性质

10、将受到膨润土质量、现场温度、搅拌方式等多种因素影响，膨润土泥浆的优劣，可以根据塌落度试验判定，经膨润土泥浆改良后的最优塌落度为 100150mm。）6.2.1.4 碴土改良对应的泥浆系统改造 为了更好的发挥泥浆碴土改良和减摩的作用，有必要对泥浆系统进行改造（见表 2）。表 2 泥浆系统改造表 泥浆系统 注入部位 作用 改造方法 1#加泥泵系统 刀盘前方 改良刀盘前方土体，止水，泥浆护壁 盾体外 减摩，必要时可注 聚氨酯止水 在前盾胸板后 80cm 的 3、9 和 12 点打孔，焊管头接上膨润土管 2#加泥泵系统 土仓 增强泥浆浮力，改善土仓内碴土流塑性 螺旋仓 改善螺旋仓内碴土流塑性，保护叶片

11、 6.2.2 准备施工阶段 1 盾构机的选型，本工法所选用的盾构机为面板式的加泥式土压平衡盾构，要求对盾构机的总推力设置在 40000kN 或以上，刀盘的工作扭矩设置在 5500kNm 或以上，在面板边缘加焊刮刀；2 盾构井施工完成，具备盾构始发的硬性条件后，开始吊装、组装、改造盾构机。根据盾构机在砂层中掘进磨损较大的特点，对刀盘面板、凸出的注浆壳，螺旋输送机叶片加焊网格耐磨层，在凸起的注浆壳前方加焊刀具，起到超挖的作用，在先行刀和边缘刮刀附近加焊刀具，增强刀盘的切屑能力。3 渣土改良试验室试验，配置合适的泥浆，根据开挖地层的颗粒级配，对模拟地层原状土的渣土进行改良后的塌落度试验，先用试验的方

12、法得出理论的泥浆配比和注入量。6.2.3 掘进阶段 1 开始掘进前，计算盾构掘进地层的水土压力，根据计算值设定初始掘进参数，在掘进过程中依据建压和地面沉降监测不断进行调整；2 在掘进过程中，将泥浆加入到设定部位，泥浆的注入率为 20%，在密实砂层段掘进，有必要加大盾构机壳体与砂层的润滑性，将膨润土泥浆注入到盾体外，在掘进的同时进行壁后注浆补充盾构机开挖断面与管片之间的空隙，同步注浆的流量应与掘进速度相匹配；表 3 泥浆注入部位 泥浆系统 注入部位 作用 改造方法 1#加泥泵系统 刀盘前方 改良刀盘前方土体，止水、护壁 盾体外 减摩，必要时可注聚氨在前盾胸板后 80cm3 在盾构掘进的同时，2

13、号编组列车在井口吊装管片和物资，放置泥浆和同步注浆浆液，准备下一环的施工。6.2.4 管片拼装 盾构掘进达到一个进尺后，进行管片拼装，盾构砂层施工时管片拼装要注意管片的防水质量，采用正确的拼装模式保护好止水条，管片拼装的同时两组列车完成进出洞的交换。为下一循环做好准备。7 劳动力组织 盾构施工采用两班轮流作业，每个班组作业人员包括地面和地下三组，第一组为洞内作业，负责具体的盾构施工，第二组负责井口的管片、物资的装卸，泥浆的放置等，第三组为地面保障，负责各项施工物资的准备并配合将其垂直运输至井内。表 4 盾构作业人员岗位表 序号 工作岗位 数量 工作内容 1 队长 1 人 全面负责盾构工序，协调

14、物资保障 2 盾构司机 1 人 负责盾构掘进，协助队长工作 3 土建工程师 1 人 负责管片选型、同步注浆和渣土改良 4 拼装手 1 人 负责管片拼装 5 打螺栓 2 人 负责上管片螺栓 6 注浆手 1 人 负责同步注浆 7 单双轨梁 1 人 负责卸吊管片 8 电工 1 人 负责电力部分检修和维护 9 机械工人 2 人 负责机械部分检修和维护 10 机修 4 人 负责看土、清泥、接轨、接水管、换盾尾油脂和黄油；11 电瓶车司机 2 人 负责电瓶车 12 龙门吊司机 1 人 负责龙门吊 酯止水 的 3、9 和 12 点打孔，焊上管头，接上泥浆管 2#加泥泵系统 土舱 改善土舱内渣土流塑性 螺旋舱

15、 改善螺旋舱内渣土流塑性，保护叶片 13 井口负责人两名 2 人 负责指挥龙门吊，装载所需物资 14 地面保障队 3 人 负责准备所需物资。8 主要机具设备 隧道内的主要作业内容除盾构掘进与拼装外，还有管片的二次注浆、管片清洗、螺栓复紧、轨道连接、清泥、更换油脂等，所需的工具如下：表 5 主要机具设备 序号 机具 数量 用途 1 清洗机 1 台 清洗管片 2 水泵 1 台 盾尾抽水 3 泥浆泵 1 台 抽膨润土泥浆 4 铁锹 6 个 清泥 5 风动扳手 2 把 复紧螺栓 6 快速扳手 2 把 复紧螺栓 7 注浆机 1 台 二次注浆 8 泥浆箱 7 个 拌制膨润土 9 搅拌机 12 个 搅拌膨润

16、土 9 质量控制 9.1 易出现的质量问题 9.1.1 沉降控制不到位，造成地面建筑物沉降、倾斜甚至倒塌；9.1.2 隧道线形与设计值相差较大；9.1.3 隧道内漏水。9.2 保证措施 9.2.1 沉降控制 沉降控制主要分为两个方面，一方面是建立良好的土舱压力，另一方面是填补地层空隙。为实现良好的土舱压力，可以采用库伦土压力理论计算地层的土压力，得出一个计算初始值，在施工过程中根据各种反应进行调整。掘进时，满足 2/3 舱或满舱掘进，在建压的基础上，调节各项参数。填补地层空隙主要通过同步注浆和二次注浆，砂层中考虑其渗透系数，同步注浆量应控制在理论空隙值的150%-200%，通过地面监测，及时进

17、行二次注浆。砂层盾构掘进，要注重对沉降监测数据的整理和分析，通过对沉降速率和累计沉降量的分析，回归出该地层的各项沉降数据，为沉降分析和预测提供依据。9.2.2 隧道线形控制 1 盾构掘进应严格按照设计线路进行，掘进时注意对盾构机姿态的控制，合理分配四组油缸的加力差。尽量避免选择大推力掘进，保证盾构机推力随时都有富余量用于纠偏。纠偏的主要手段是形成推力差，或者是先利用转弯环抵消行程差，便于形成较好的受力形式。纠偏时需要遵守的原则是缓慢纠偏，在砂层中切忌过快纠偏，过快的纠偏有可能导致纠偏量过大，使线形的蛇形波动增大，每环的纠偏量不应大于 5mm。2 管片是隧道唯一衬砌、受力体系。所以管片的正确选型

18、非常重要，如管片选型有错误，会造成盾尾间隙过小，致使纠偏更难，甚至造成盾壳拉裂管片，影响管片的使用。管片选型应根据盾尾间隙、行程差和隧道线形综合考虑，在保证盾尾间隙的情况下减小行程差，在盾构间隙和行程差都良好的情况下，根据隧道线形选择最合适的管片，保证隧道的走向正确，线形顺滑。9.2.3 管片防水 在管片防水处理前必须对管片进行清理，然后再进行密封圈的粘贴。安装过程中彻底清除盾壳安装部位的渣土和积水，同时必须注意管片的定位精确，尤其第一环要做到居中安放。用管片拼装机将管片吊起，沿吊机梁移动到盾尾位置。安装时千斤顶交替收回，即安装那块管片收回相对应的千斤顶，其余千斤顶仍顶紧。管片安装把握好管片环

19、面的平整度，环面的超前量以及椭圆度，还有用水平尺将第一块管片与上一环管片精确找坡。第二块管片与上一环管片和第一环管片大致对准后，先纵向压紧环向止水条，再环向压紧纵向止水条，并微调对准螺栓孔，边拼装管片边拧紧纵、环向联接螺栓。在整环管片脱出盾尾后，再次按规定扭矩拧紧全部联接螺栓。对于有漏点的地方，及时采取二次注浆的方法进行堵漏；在成型隧道中出现渗漏，二次注浆不便开展时或应急时，也可以采取聚氨酯注浆堵漏，但聚氨酯注入时较高的压力对混凝土结构具有一定的不利影响，不推荐适用。10 安全措施 10.1 主要安全风险分析 10.1.1 喷涌 10.1.2 盾尾涌砂涌水 10.1.3 人为不当操作 10.2

20、 保证措施 10.2.1 在地下水压较大，水量丰富的地段，易发生喷涌现象，在发生喷涌时采取提升螺旋机的转速，降低后闸门的开度，即所谓的“高转速、低开度”的方法来控制喷涌的发生；喷涌本身并不可怕，但喷涌严重，会造成地层的损失，引发更大的沉降，在发生喷涌的地段及时进行注浆，尤其是二次注浆。10.2.2 盾构砂层施工，盾尾尾刷被击穿的事故较为常见，这往往还是产生涌水、涌砂事故的源头。在施工过程中要针对尾刷失效的两个原因进行严格控制。尾刷失效主要原因主要有两个：（1）油脂注入不及时、注入量不足，尾刷磨损严重；（2）盾尾注浆压力过大，尾刷被击穿。根据尾刷失效的原因，在施工中要重点控制好油脂的注入量和注浆压力。10.2.3 人为不当操作是盾构施工的主要风险源，在砂层中施工重点要注意以下问题：（1）掘进姿态控制不良，纠偏没有按要求进行；（2）管片选型有误；（3）不按规定打开土舱人闸和螺旋机底板；（4）注浆不及时。在施工过程中，要尽量避免此类事故的发生。11 环保措施 11.1 在选择渣土改良剂时，应考虑环境因素，避免使用对环境影响恶劣的改良剂；11.2 渣土弃运时，在含水量较大的渣土中拌入白灰，避免泥浆状的渣土污染环境。