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土压平衡盾构施工中渣土改良技术的应用

 

(中铁隧道局集团二处有限公司)

0引言
    本项目施工区段范围包括4个区间,分别为:赛马场西站~赛马场南站区间、赛马场南站~联大街站区间、联大街站~呈贡东站区间、呈贡东站~昆明火车南站区间。
1工程概况
    在进行土压平衡盾构施工过程中,盾构隧道穿越地层为中砂、细砂、粗砂,其中粗砂、细砂平均贯击数在54击以上,最大贯击数超过了88击,对施工造成了比较大的影响,为了顺利完成施工,需要对渣土进行改良。
2渣土改良的重要性
    作为一种典型的不稳定砂质地层,渣土具有极为灵敏的地层反应,如果遇到刀盘旋转削切,渣土地层原来的平衡状态会被打破继而产生坍塌,对围岩产生较大程度的扰动,使得开挖面失去稳定性,最终造成地表塌陷。砂土流塑性不佳,盾构机在进行掘进的过程中,不管是刀盘对土体的切削效果,还是螺旋机对土体的输送效果都不能达到预计的效果,严重的甚至不能顺利的进行排土。盾构在进行施工的过程中,比较困难的工作就是保持平衡的土压,使得开挖面土压不能得到合理的控制,最终导致喷涌或者冒顶的现象发生,严重的甚至会造成坍塌,地面会发生较大规模的沉降,不仅严重影响施工安全,对已有建筑物的安全危害也较大。
    土压平衡式盾构施工最为基本的目的就是确保土压的平衡,为了实现这个目的,将开挖下来的土体状态经过合理的调整,成为塑性流动状态。这种状态的土体经过一定的搅拌,就可以顺利的输送出来,方便后续施工可以继续进行。但是如果在施工过程中遇到的地层土质粘性较大,这种调整的过程就十分困难,土体进入压力舱后很难形成塑性流动状态的土体,对盾构机工作产生严重的影响。
3渣土改良方案
    通过一定的方案对渣土土质进行适当改良,方便盾构机施工。例如,在渣土中掺入一定量的泡沫剂,泡沫剂的加入使得渣土的粘度和流动性都有大幅度改善,盾构机再继续工作时,渣土以及地层就可以保持一定的稳定性,降低盾构部件磨损的同时,增加了盾构施工的速度和安全。
    泡沫的混合率Q(注入率)取值55%,则每环泡沫用量。根据类似工程经验,泡沫发泡率取8,则需泡沫混合液30.6/8=2.68
m3泡沫原液稀释比例1%,则每环泡沫消耗量26.8kg。
    在盾构掘进前应再次进行泡沫试验,完成发泡率的确定后,方可对其他参数进行适当调整,旨在调整出土状态为蓬松状态。在盾构掘进过程,应根据地质勘查、补勘资料提前对地层进行预判,提前做好交底工作。
4实验室配比
    (1) 膨润土。正式施工前,需要通过试验对膨润土浆液进行验证,验证结果如表1所示,验证结果表明:1号浆液配比所配成的膨润土,状态较为稀薄,而3号浆液呈膏状,很难进行泵送,相对来说2号配比效果较好,因此使用2号配比开展施工(见表1)。
 
    (2) 泡沫。泡沫溶液由97%的水和3%的泡沫添加剂构成,泡沫由5%~10%的泡沫溶液以及90%~95%的压缩空气混合而成,不同地层选择对应的泡沫用量,如表2所示。借鉴类似工程的相关经验,在进行掘进施工时,利用泡沫溶液+膨润土溶液进行渣土改良,并设计下述配比。膨润土:水=1:6,也就是在1m3的水中加入167kg膨润土,施工现场实际加入膨润土量为200kg。设计泡沫溶液比为2.5%~3%(见表2)。
 
5施工验证
    通过对文章涉及标段的地层特点进行研究发现,涉及标段适宜采用三种方式对土质进行改良:泡沫+膨润土+高分子聚合物、泡沫、泡沫+膨润土。
5.1泡沫改良
    文章盾构进出洞端头加固段需要凭借泡沫改良剂进行加固,为了确保加固效果,端头加固标段需要采取两种加固方式相互结合:三轴搅拌桩+高压旋喷桩,加固工作完成后,为了验证加固效果,需要进行现场取芯验证。通过对验证效果进行查看发现加固效果较好。另外始发段渣土具有较高的黏度,端头加固区适宜采用普通型泡沫剂+分散剂进行加固的方法,将泡沫全部注入刀盘六路注入口,控制泡沫浓度处于1%~2.5%范围之间,根据加固区距离随时调整泡沫浓度。
5.2膨润土浆+泡沫改良
    盾构边驶出加固区,边将泡沫和膨润土加入加固区,最终达到改良渣土的效果。一般来说,改良渣土的方式有2种:
    (1) 盘面注入泡沫+膨润土,将膨润土注入土仓(螺旋机)内对渣土进行。为了避免刀盘中心有泥饼结出,需要将泡沫剂全部注入刀盘中心2个喷口;这样的改良方式不仅具有较好的渣土改良效果,刀盘扭矩降低的效果也十分明显。将膨润土注入仓内,也可明显改善渣土性能以及螺旋机扭矩。在施工过程中,注意泡沫剂和膨润土注入的位置均为刀盘,停机后立即清洗和疏通相关管路,否则会造成泡沫管路的堵塞,不能继续对前方土体进行改良,使得推力和扭矩持续增加,盾构形式速度变慢。
    (2)将泡沫注入刀盘面或者土仓或者将膨润土螺旋注入到盘面及土仓。将泡沫全部注入刀盘6个注入口,另外将膨润土注入土仓,通过对掘进情况进行分析发现,如果用泡沫和膨润土注入刀盘面的方式对渣土进行改良,泡沫用量约为40~60L,膨润土用量约为2.0~3.0
m3
,刀盘扭矩3000~3500kN·m,掘进速度在20~30mm/min,推力维持在15000~18000kN;如果只用泡沫注入到盘面的方式对渣土进行改良,刀盘扭矩增大至4000~4500kN·m,在施工过程中,因为不均匀的地层结构,使得扭矩发生一定的波动。另外因为膨润土的注入,出土相相对较为稀薄,使得推力得到一定程度的减小,节省泡沫用量,推进速度较快。
    因为充分考虑降低刀盘扭矩、降低刀锯磨损,通过对掘进相关参数进行分析发现,膨润土注入土仓(螺旋机)以及泡沫+膨润土注入刀盘面的改良效果较佳,同时具有较好的安全性。
5.3膨润土浆+泡沫改良+高分子聚合物
    通过相关参数表明,虽然泡沫及膨润土对渣土进行改良的效果比较好,但是在盾构施工过程中容易产生喷涌现象,对盾构的正常掘进产生影响,严重的甚至会造成地面塌陷。为了避免喷涌事故的发生,在对渣土进行改良时,将高分子聚合物注入开挖掌子面、土仓。
    通过对施工情况的分析发现,如果出土较为稀薄,而且螺旋机出土口的位置压力超过0时,可以调整刀盘管路的注入物质,将膨润土改为聚合物溶液,另外可以单独或者同事对螺旋机或者土仓注入聚合物溶液。
    如果盾构停机时间较长,完成刀盘的启动后,为了避免螺旋机出渣口发成泥水飞溅的现象,首先将聚合物注入土仓或者螺旋机,而正常掘进过程中,需要将聚合物通过刀盘注入掌子面。
6结语
    综上所述,在进行区间正常掘进施工时,利用膨润土和泡沫剂对渣土进行改良,取得了良好的控制效果,穿越桥梁左线最大沉降值为4.5mm,右线最大沉降为7.2mm,取得了良好的改良效果,保证了建筑物的安全,顺利完成了盾构施工。
文章来源:(中国知网)
 

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