土压平衡盾构在复合地层中带压进仓施工技术(常用版).docx
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1、土压平衡盾构在复合地层中带压进仓施工技术(常用版)(可以直接使用,可编辑 完整版资料,欢迎下载)都市快轨交通第 27 卷 第 5 期 2021 年 10 月 土建技术 doi: 10 3969 / j issn 1672-6073 2021 05 019土压平衡盾构在复合地层中 带压进仓施工技术李志军高波王光伟( 中铁隧道集团二处河北燕郊 065201)摘 要 结合南京地铁土压平衡盾构在复合地层中带 压进仓的具体情况,通过采取带压进仓压力计算、现场 试验压力确定以及实施过程,成功地解决了土压平衡 盾构进行带压进仓作业,了解掘进面存在的问题以及 解决方式等技术难点。通过对监测数据的对比、分析,
2、说明该方法的可行性及合理性,为土压平衡盾构在复 合地层中带压进仓的施工提供参考与借鉴。关键词 城市轨道交通; 土压平衡盾构; 复合地层; 带 压进仓中图分类号 U455 4文献标志码 A文章编号 1672-6073( 2021) 05-0070-06在现代城市建设中,地下空间的开发利用已成 为 重要的组成部分1,随着我国地铁线路规划、建设项目 的不断增加,国内各大城市均开始大力发展地铁工程, 以便缓解地面交通拥堵现状。盾构法因具有机械化程 度高、施工速度快,对地面影响小等特点逐渐成为修建 地下隧道的第一大工法。然而,由盾构工法的特点可 知,盾构隧道开挖不可避免地会对周围地层产生扰动, 从而引起
3、地层变形,严重时可能会危及地下管线及周 围建( 构) 筑物的安全2-8。在采用盾构法施工时不可 避免地还会出现诸如推力大、掘 进速度慢、渣 土温度 高、齿轮油油温高、盾构机及螺旋输送机扭矩过大9、 难以实现开挖面土压力的动态平衡10 等现象。为此, 需要通过带压进仓处理掘进面存在的问题,这将给进 仓工作人员带来一定的技术风险,甚至威胁到其生命 安全。因此,总结这样的工程经验,以供类似工程借鉴 就显得非常必要。收稿日期: 2021-10-16修回日期: 2021-02-26作者简介: 李志军,男,高级工程师,国家一级建造师,主要从事隧道 及城市地下工程方面的管理工作,439645772qq co
4、m1工程概况1 1工程范围及地理位置南京地铁五塘广场站小市站区间隧道位于中央 北路下方,当盾构掘进至第 413 环 418 环( 对应刀盘 里程 YK13 + 474 9 + 481 7) 时,盾构机出现推力大、 掘进速度慢、渣土温度高、齿轮油油温高、刀盘扭矩大 等现象。其中,在第 413 环盾构掘进时,其掘进参数与 白班施工的第 411 环 412 环掘进参数相比出现明显 变化。最终在掘进至 418 环,里程 YK13 + 481 7 的位 置停止掘进。1 2停机处地质情况图 1 刀盘前方地质纵剖面盾构停机时刀盘位置处于复合地层中,具体 情况 见图 1 2。隧道纵向: 刀盘里程处主要为强、中
5、 风化砂岩,岩 面沿隧道掘进方向逐渐爬升,坡比约为 1 0 32。隧道横向: 盾构隧道推进方向右侧中风化砂岩岩土压平衡盾构在复合地层中带压进仓施工技术图 2 刀盘位置地质横剖面面高 5 13 m; 左侧中风化砂岩岩面高 2 89 m、强风化砂 岩厚 1 64 m、粉土厚 1 86 m; 中风化砂岩岩面横向坡比 为 1 0 36。2021 年 8 月 12 日,对渣土取样进行了筛分试验, 含水率 22% 、大于 10 mm 石子颗粒 3 9% 、大于 5 mm 石子颗粒 3 7% 、大 于 2 5 mm 石子颗粒 2 2% ,大 于 2 5 mm 石子颗粒 90 2% 。1 3 原因分析通过对地
6、质情况以及掘进参数进行分析,主要 原 因是由于渣土改良不佳造成。可能出现的情况有刀盘 结泥饼、土 仓内结泥饼、刀 具偏磨或个别刀具损坏几 种。为解决目前的问题,必须实施带压进仓,并结合开 仓后的具体情况采取相应措施。2 带压进仓工作原理、工艺流程2 1 基本原理对盾构机土仓、盾壳处注入高浓度膨润土泥浆,泥 浆渗入地层后形成泥膜以封堵地层; 在保证刀盘前方 周围地层和土仓满足气密 性要求的条件下 ,通 过 在 土仓建 立 合 理 的 气 压 来 平 衡 刀 盘 前 方 的 水 、土 压 力 ,达 到稳 定 掌 子 面 和 防 止 地 下 水 渗 入 的 目 的 ,为 在土仓内进行检查 、更 换刀
7、盘刀具和处理刀盘泥饼 创造工作条件。2 2 施工工艺流程施工工艺流程见图 3。3 带压进仓准备工作3 1 注浆封堵带压进仓前主要应对以下几个部位进行注浆封堵:图 3 带压作业工艺流程1) 利用盾构中体、前 体上四周的注入口,对 盾构 主机周围进行注浆封堵,以防止压缩空气从盾壳与地 层之间泄露。2) 利用盾构机上的膨润土注入系统对掌子面进 行封堵。3 2渣土置换利用盾构机土仓隔板顶部预留的闸阀、膨润 土注 入系统,往土仓内泵入 泥浆,在 确保上部土压不小于 0 12 MPa 的条件下,通过螺旋输送机排土直至将土仓 内的渣土排空。当土仓内渣土已全部置换完成,关闭螺机仓 门与 螺机出渣口的上、下插板
8、,停止排渣,继续向土仓内注 入泥浆,让泥浆充分渗透到地层,形成泥膜。注浆过程 中上部土压范围为 0 13 0 14 MPa。为防止刀盘面板前的掌子面无泥浆渗透,在排渣过 程中可按每间隔 1 h 缓慢转动一次刀盘; 在渣土置换前, 需确保准备的膨润土泥浆量至少为土仓容量的 70% 。71都市快轨交通第 27 卷 第 5 期 2021 年 10 月3 3泥浆置换启动德国 samson 公 司 土 仓 自 动 保 压 系 统,用 气 体置换泥 浆。 缓 慢 打 开 进 气 阀,使土仓内的压 力 上 升,当 气压开始上升时,启动螺旋输送 机排出土仓内 泥浆( 排出量为 1 /2 土仓容量) 。为保证土
9、仓内压力 的稳定,一 定要将螺旋输送机的仓门开启度放小,缓 慢置换。在泥浆置换过程中盾构机上部土压范围为 0 12 0 14 MPa。3 4土仓气密性试验当土仓内的膨润土泥浆排除至 1 /2 土仓容量后, 即可进行土仓气密性试验。启动 samson 自动保压系 统,在系统上设置上部土仓气压为 0 12 MPa,根据系统 记录的补气量大小( 补气量小于 30% 为合格) 及地表图 4 土体自重应力分布式中: z 为深度为 z 处的地层自重应力 + 地面荷载,c 为土的黏着力,z 为地层深度, 为地层内部摩擦角。2通过上述公式计算出:沉降监测情况,确定土仓气密性是否满足要求。3 5进仓压力确定3
10、5 1理论计算3 5 1 1浅埋、深埋的划分Hp = ( 2 2 5) hq( 1) 式中: Hp 为深、浅埋隧道 分界的深度,m; hq 为施工坍 方平均高度,hq = 0 45 26 S ,m; S 为围岩类别,如 类围岩,则 S = 2; 为宽度影响系数,且 = 1 + i ( B 5) ; B 为隧道净宽度,m; i 为以 B = 5 m 为基准,B 每增 减 1 m 时的围岩压力增减率。当 B 5 m 时,取 i = 0 2; 当 B 5 m 时,取 i = 0 1。则 Hp = ( 2 2 5 ) ( 0 45 26 2 ) ( 1 + 0 1 a = = 34 kN / m= 0
11、 034 MPa( 6 46 5) ) = 16 5 20 6 m当隧道埋深为 14 2 m 时,即属于浅埋隧道。3 5 1 2浅埋隧道的土压计算1) 静止土压( 见图 4) 。x = k0 z = kh( 2)图 5 主动土压力计算3) 被动土压力计算( 见图 6) 。2p = 1 = z tan ( 45 + /2) + 2ctan( 45 + /2)= 466 3 kN / m2 = 0 46 MPa 4) 地下水压力式中: k0 为侧向土压力系数,k0 = /1 ; 为岩体的泊w = qh( 4)松比。z = 1 h1 + 2 h2 + 3 h3 + + n hn = i hi( 3)
12、2式中: i 为第 i 层土的天然容重( 地下水位以下一般采式中: q 为根据土的渗透系数确定的一个经验数值,砂 土中 q = 0 8 1 0,黏性土中 q = 0 3 0 5; 为水的容 重,kN / m3 ; h 为地下水位距离刀盘顶部的高度,m。i用浮容重) ,kN / m3 ; h为第 i 层土的厚度,m; n 为从地w = 0 4 10 ( 14 2 3 6) = 42 4 kN / m= 0 042 MPa面到深度 z 处的土层数。通过上述公式计算出2x = 166 1 0 75 = 124 5 kN / m 2) 主动土压力( 见图 5) 。2= 0 125 MPa5) 地面动荷
13、载,按挂 120 t 考虑。计算模型: 挂 120 t 作用在刀盘上方,挂 120 t 按 12 个车轮,车轮接触面积长按 1 2 m、宽按 1 0 m 计 算,扩散角按 35、埋深按 14 2 m 计算,即刀盘处地面a = a = z tan ( 45 /2) 2ctan( 45 /2)动荷载产生的垂直土压力为: 120 10 / ( ( 2 14 2 72土压平衡盾构在复合地层中带压进仓施工技术图 6 被动土压力计算tan35o + 1) ( 214 2tan35o + 1 2) ) = 2 72kN / m2 ; 侧向土 压力系数 k0 = 0 75; 地面动荷载产生的侧压力 = 2 7
14、2 0 75 = 2 04 KN / m2 = 0 002 MPa6) 预备土压。按照施工经验,在对沉降要求比较 严格的地段计算土压力时,通常在理论计算的基础之 上再考虑 10 20 kg / m2 ( 0 01 0 02 MPa) 的压力作为 预备压力。7) 上部土压计算。在盾构掘进时,计算采用“静 止土压 + 水压 + 地面动荷载 + 预备土压”,即 0 125 + 0 042 + 0 002 + 0 02 = 0 189 MPa带压进仓时,最小保压值应为“主动土压 + 水压 + 地面动荷载 + 预备土压”,即 = 0 034 + 0 042 + 0 002 + 0 02 = 0 098
15、MPa3 5 2 现场试验确定压力根据上述计算结果,带压进仓时土仓内保压值 应 在 0 098 0 189 MPa 的范围内,具体数值应根据保压 试验过程中地面监测情况确定。根据现场保压试验,对理论计算取值范围进行 折 中后,设定保压初始值为 0 145 MPa。连续监测 1 h 后, 监测数据稳定( 见图 7 ) ,上下浮动均在 0 5 mm 以内, 表明保压设定值合理,予以采用。图 7 地面监测数据分析3 6人员设备准备由于带压进仓的特殊性,所以要求经过高压 潜水 培训的人员才可以进仓作业,加压仓操作人员必须具 备高压氧仓操作资格。盾构司机负责整个带压作业过 程的操作,土木工程师负责监控开
16、挖仓补气量并及时 安排补浆或置换泥浆加固掌子面泥膜。气压仓保压性能检测 1 h 内压力波动不超过 0 02 MPa即为合格。4带压进仓作业4 1进仓步序及操作方法1) 进仓前,由操仓手检查工 ( 器) 具、水等是否放 入主仓,以免动用准备仓。2) 操仓手慢慢打开加气阀门,严格按照流量增加 主仓室的压力直到到达操作压力值,作业人员也可以 根据自己身体的实际状况在人仓内操作门阀来增加主 仓室压力。本次开仓的工作压力为 0 14 MPa,根据要 求仓内压力从 0 到 0 14 MPa,加压时间为 2 min。3) 加压过程中,操仓手打开主仓外的卸压球阀以 保证主仓内一定的通风量。4) 当主仓室的压力
17、等于盾构机土仓的压力时,主 仓内人员缓慢打开主仓和土仓之间的平衡球阀开关, 使土仓与主仓之间压力平衡。5) 在主仓和土仓之间进行压力补偿之后,作业人 员打开压力挡板的门进入土仓。6) 在达到每仓的工作时间 ( 或有人员身体不适 时) ,主仓操作人员应全部进入主仓,立即关闭主仓与 人仓之间的门,锁紧螺栓,同时将副仓加压至与主仓压 力一致。7) 主仓操作人员将主仓与副仓之间的门打开,操 仓手确认主仓操作人员安全后开始减压,每仓的减压 时间应根据高压进仓操作时间确定。本次进仓操作时 间为 160 min 左右,减压时间应为 36 46 min。4 2仓内情况及处理措施根据进仓检查,土仓内全部为泥饼,
18、几乎把仓门遮 盖完。根据现场分析,采用高压水枪射水的方法将刀 盘及隔板上的泥饼冲散,每次冲洗仓门正对的 部 分( 03 点钟方向) 。每仓冲洗完毕后( 或将主仓门关闭, 人员撤至主仓) ,盾构操作司机旋转刀盘,将冲散的泥饼 搅拌均匀后从螺机排出,直至螺机排出的全部为空气 时,螺机停止排土,使刀盘继续旋转,将土搅拌至螺机出 渣口,防止刀盘仓气体从螺机逃逸。每仓冲洗前在刀盘73都市快轨交通第 27 卷 第 5 期 2021 年 10 月回转接头处做好记号,每次将刀盘逆时针旋转 90,保证 冲洗完后相邻的部分正对刀盘仓门,防止漏冲。4 3刀具磨损情况及评估意见根据进仓检查,个别齿刀存在崩齿的现象,滚
19、刀无 偏磨现象( 见图 8 9 ) 。刀具的整体磨损程度在可接 受范围内,不用更换刀具。 图 8 刀刃轮迹线图 9 滚刀4 4监测实施及数据分析由测量组对刀盘位置处地表沉降情况实施监测, 白天人员进仓期间监测频率按 15 min / 次,夜间出渣期 间监测频率按 2 h / 次。地表沉降稳定判断指标为: 当 次测量与上次测量成果相比下沉大于 1 mm 时,需通知 进仓人员加强注意观察掌子面稳定情况; 大于 2 mm 时,仓内人员必须立即撤出。整个带压进仓实施 4 d,地面累计最大隆起为 1 4 mm, 仓内土体未出现坍塌涌水等情况( 见图 10) 。图 10 各点位实时监测变化曲线5带压进仓中
20、遇到的问题及处理措施5 1渣土置换困难当泥浆置换渣土时,出现螺机不转动、仅开启其出 土口上下插板的情况下,螺机喷涌现象严重,并伴随土仓 内土压快速下降( 上部土压由 0 12 MPa 下降到 0 08 MPa 左右) ; 关闭螺机出土口、往土仓内仅注入少量泥浆时, 其土压回升速度较快。从出土口喷出的样品分析,泥 浆含量大、土块含量少,即往土仓内注入的泥浆基本上 已全部从螺机出土口喷出、但仓内渣土未得到排出,泥 浆置换土仓内渣土难度大,从而会影响掌子面泥膜生 成质量,导致人员不能安全带压进仓。从 413 417 环掘 进时螺机喷渣情况以及盾构停机过程中土仓内压力的波动情况分析,可以排除因地层中或
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