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富水圆砾地层土压平衡盾构机长距离掘进施工技术

摘 要:国内地铁工程项目中已经大量采用土压平衡盾构技术,施工技术已日趋成熟,并因地区和水质各异形成不同的特点。以呼和浩特市轨道交通建设为例,对富水圆砾地层土压平衡盾构机长距离掘进施工技术进行分析研究,对施工过程中易出现的问题进行总结,以期为相关工程提供参考。
  呼和浩特市轨道交通建设以圆砾地层为主,在盾构施工过程中,由于圆砾孔隙率大,盾构掘进扰动后造成土体损失、地表沉降。由于部分圆砾地层中包含着砂层,通常容易在开挖面发生涌水或涌砂等情形,导致涌水带走大量圆砾中的颗粒物,进一步降低开挖面的稳定性,甚至会发生塌方。因此,开发盾构富水圆砾地层长距离连续掘进施工技术,提高盾构施工水平,可进一步发挥盾构施工的优势。
1 富水圆砾地层土压平衡盾构施工特点及适用范围
  1)特点 在富水圆砾地层中,复合型刀盘土压平衡盾构机采用气压辅助平衡模式与土压平衡模式切换掘进,建立稳定土压,以保证掌子面稳定,防止盾构施工过程中超挖。采取膨润土与泡沫剂两种渣土改良材料混合使用,保证在富水圆砾地层盾构施工中的渣土改良效果,有效控制各项参数;结合掘进模式切换,有效地保护刀盘,保证盾构施工平稳高效。
  2)适用范围 在富水砂层、砾砂、圆砾等松散性大、渗透系数大的易超挖软弱地层,可采取土压平衡盾构法施工。
2 工艺原理
  土压平衡模式是用来确保掌子面稳定,平衡开挖面土压和水压。其原理是当机器在挖掘时,采用渣土加压或增加辅助用料施加压力,可有效避免塌方的发生或者因流水较多而出现下沉的现象。
  气压辅助平衡是指将压缩空气或泡沫输入土仓内部的一种开挖模式。为了减小刀盘扭矩,利于掘进,此时土仓下部为渣土,上部为压缩空气,有利于稳定工作面,避免地层出现较大形变,便于渣土顺利流动、及时排出。
  采用泡沫剂和膨润土浆液按比例组合进行渣土改良。泡沫剂可使砾砂层具有较好的止水性,同时具有支撑的效果,其优良的润滑性能不但能降低刀盘上土的黏着力,还明显减小扭矩,优化盾构参数;依靠膨润土可有效提高圆砾的含砂量,对土体微细颗粒进行相应的补充,能适当减小土体内部的摩擦角,增加开挖位置土体的流动性和防水性,强化渣土的和易性,并减小土仓内水土比和降低喷涌风险,实现最佳的改良效果。
3 施工工艺流程及操作要点
3.1 推进模式的选择
  选择合理的推进模式以及模式的转换,在富水圆砾地层掘进过程中至关重要。根据隧道的环境状况,同时结合掘进机器经过地层的具体状况来确定掘进模式。富水圆砾地层采用气压辅助平衡模式并不仅仅是为了像 TBM 掘进机一样获得较高的掘进速度,其目的还在于保证刀盘和刀具的完好,提升刀盘的使用率,从而延长刀具的使用寿命,有效减少施工方面的支出。在富水圆砾地层的盾构施工中,根据地质情况,圆砾颗粒不大于 8mm 时,地下水无承压或微承压,可采用气压辅助平衡模式进行掘进。该模式与复合地层中的气压模式有所不同,敞开度相对较小(1/4~1/5)。
  由于富水圆砾地层气密性相对较差,掘进过程中须注意控制补气量。当圆砾颗粒不小于 8mm 时,掘进出现喷涌,出土量控制困难,土压波动较大,说明气压辅助平衡模式无法满足当前施工需要,此时需转换成土压平衡模式进行掘进。无论采取何种掘进模式,均需要正确合理地匹配掘进速度和排渣速度,做到掘进时产生的渣土量同排出的渣土量平衡。采用气压辅助平衡的模式时,在供气速度正常的掘进中,如土仓中的压力频繁波动,或是在出料口位置出现喷涌的情况,表明地层已经变软,甚至会发生部分区域塌方的状况,当气压不能阻止水渗入土仓中时,应及时切换掘进模式,采取土压平衡的模式。
3.2 设定刀盘扭矩、转速
  在选择适宜的施工模式后,由于难以确定施工地层节理裂缝的详细分布情况和地层的均匀性等问题,对盾构机刀盘的转速与扭矩的合理匹配是工作的难点(见图 1)。
  富水圆砾地层掘进扭矩包括:土仓内部搅动力矩、刀盘前端面摩擦力矩、刀盘后端面摩擦力矩、刀盘开口剪切力矩、刀盘旋转阻力矩、刀盘受推力的反力矩、切削扭矩、密封装置摩擦力矩等。上述扭矩中切削扭矩与刀盘摩擦力矩和掘进参数相关,余下扭矩保持稳定。如在掘进富水圆砾地层时,扭矩为 2 200~6 125kN·m,刀盘转速为 1.1~1.8rpm。
  然而在具体施工时,上述确定的参数仍需不断进行相应调整,原因:
  ①地层中岩石和土壤的性能在变化;
  ②渣土对掘进参数具有较大的影响;
  ③机器的运转情况或者其他因素也会影响掘进参数。
3.3 设定泡沫 - 膨润土注入参数
  在掘进富水圆砾地层时,如仅采用膨润土作为渣土的改良剂,会使刀盘增大扭矩,从而出现推进受阻;如仅采用泡沫作为渣土的改良剂,则使得土仓水土加大,增加喷涌的风险,使得改良起不到效果。为实现良好的改良渣土的效果,需要将泡沫剂与膨润土进行组合使用,合理制订方案,提出二者的配比数值,从而取得理想的改良效果。
  1)膨润土配比参数
  ①膨润土:钠基膨润土;
  ②膨润土泥浆,膨润土∶水 =(1∶8)~(1∶10)(质量比);
  ③膨润土最优膨化时间为 20h。当膨润土泥浆与圆砾体积比为(1.5∶10)~(2∶10),拌合料坍落度为 150~170mm 时,圆砾坍落度才可实现最优坍落度。
  2)泡沫剂配比参数 泡沫剂浓度控制在 3%~5%;当泡沫剂稀释液与圆砾的质量比为(1∶2)~(1∶4),拌合料的坍落度下降,由 200mm 减少至 150mm,此时拌合料具备最强的黏性和最好的流塑性能,并且圆砾坍落度达到最佳值。
3.4 出渣量控制
  在掘进富水圆砾地层中,应着重关注出渣量和掘进的速度是否相匹配,并及时查看渣土的改良情况:
  ①当土仓内部压力下降时,表明工作面暂时处于稳定状态,但会产生一定沉降,导致地表层也产生较大的沉降,此时应降低螺旋输送机的转速,同时将出渣速度相应放缓,保证出渣速度和掘进速度二者相匹配,并适当增大补气量,确保土仓内部的压力处于稳定状态。
  ②当土压力保持不变,加大出渣量时,掘进必会导致地层出现部分塌陷,所以对这种“短暂的平衡”应格外重视,合理控制和调整旋转输送机的速度,正确匹配排渣量和掘进速度。
  ③土压力变大表明地层中出现了塌方情况,这时应减小出料口开启度并降低旋转输送机转速,转换为土压平衡模式掘进,以确保坍塌不再发展。然而放缓出渣速度会导致土仓内部的压力上升,使得掘进速度降低,严重时可使地表层出现隆起,此时应合理调控好旋转输送机的转速,正确匹配排渣量和掘进速度。
3.5 管片壁后同步注浆
  在掘进富水圆砾地层时,盾构隧道的质量受到壁后注浆质量的影响。壁后注浆的作用:
  ①有效控制地层下降;
  ②增强隧道止水效果;
  ③确保管片衬砌稳定,进一步把控掘进效果以及避免发生管片破损或错台等情况。
  如果对管片和土体之间的缝隙不及时进行填充,会导致管片接缝位置的螺栓孔出现损坏,还会导致其纵向连接的位置发生损坏。若注浆压力过小,管片环会发生破损;若注浆压力过大,不但会造成管片环间错台,还会造成盾尾密封刷失效导致盾尾密封处漏浆,浆体注入刀盘的土仓内。所以,盾构施工中的注浆压力值控制在 200~250kPa,有助于稳定岩层。为实现连续注浆,避免管路发生堵塞,安装管片时应泵送 2~3下,掘进前期应采取较低一点的注浆压力,随着掘进进度不断增加压力值,最终增加至预先设定值,并且注浆速度应与掘进速度相匹配。比如盾构机的刀盘直径是 6.5m,但管片环的外径是 6.2m,所以采取每延米的环形注浆量 4.4~5.4m3 较为适宜。
  由于圆砾地层的渗透性较好,实际注浆量应大于理论计算量,以保证管片背后空隙得以及时和足量的充填。为有效防止地面出现严重的塌陷,应合理掌控砂浆的比例,加大水泥的使用量,减少砂浆的初次凝固时间,以加快管片位置土体的固结速度。在具体操作中,可将砂浆的初次凝结时间控制在 4~8h,使得砂浆的最终凝固强度大于 5MPa;并为有效避免砂浆压力对管片位置造成损坏,应采取非惰性且具备水泥系数的砂浆,其注浆时的压力值不大于 500kPa,一般注浆压力应控制在 200~300kPa。在安装管片时,为确保注浆管道的顺畅,可采取适当增加注浆压力的方法,但应将注浆的压力值控制在不高于 0.4MPa。所以,也可通过确保注浆的压力值与理论值的比不低于 1.5,以有效减少地面下沉情况的出现。
4 结语
  我国城市轨道交通发展迅速,正在施工或已竣工的轨道交通各式各样,作为地铁施工中的重要组成部分,盾构区间隧道施工难度非常大,且资金投入高。因此,必须对富水圆砾地层土压平衡盾构机掘进速度进行严格控制,以保证工程的安全性与经济性,使施工质量和施工安全风险得到有效控制。

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