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1、工程建筑论文-泥水盾构在不良地层的气压开舱施工摘要:在广州地铁某区间施工中,由于地质条件变化而需要在软弱土层中对盾构机刀具进行更换,通过采取优质泥膜、封堵漏气通道等措施及保压实验、合理的作业流程等,顺利实现了气压开舱作业,是软土施工中的一次突破。关键词:盾构;气压开舱;压缩气体;泥膜;保压试验;开挖面盾构施工作为先进的地下空间非开挖技术,近年在市政工程中的应用越来越广,但地下隧道盾构施工经常会因刀具磨损、清除泥饼、更换刀具等原因,需要施工人员进入土舱内作业,而由于土舱与开挖面存在刀盘开口,开挖面坍塌或涌水、涌砂等都会对舱内作业造成很大的风险,因此开舱作业在很大程度上受到地质条件的制约。本文通过
2、在砂层浅覆土段盾构气压开舱施工实践,对在不良地层进行气压开舱作业的问题进行探讨。1 盾构施工概况广州珠江新城土建 1 标林体盾构区间由林和西站始发,向体育中心站方向掘进,左、右线隧道分别长 586.9m 和 587.5m,采用泥水平衡盾构法、德国产的盾构机进行施工。当该区间隧道掘进至天河体育中心体育馆旁(295 环,442.5m)位置时扭矩和推力增大,导致盾构机掘进困难。在进行补充勘探后发现地层有较大变化,微风化岩层已进入隧道 1 3 的范围,与原勘查资料有较大出入。该岩层完整性好且强度高达 35MPa,而盾构刀盘原配置的刀具破岩能力不足,需要进行开舱更换硬岩刀具才能继续掘进。由于体育馆内正举
3、办国际体育赛事,地面不具备处理条件,因此考虑采用隧道内开舱换刀的施工方案。根据补勘获得的地质剖面图,可以发现盾构机正处于特殊的上软下硬地层,盾构埋深仅 7.9m,上覆土层为-1 杂填土、-2 砂层、-1 粉质粘土层;隧道范围为-1 粉质粘土层、-2 砂层、-2 粘土层、微风化岩层,隧道下部为地层。其中-2 砂层级配良好,粉粒、粘粒含量 28%,-1 地层粘性好,透水性较差。各土层分布如图 1 所示。2 气压开舱作业气压开舱作业是指利用压缩空气充填至开挖面,利用气压平衡开挖面围岩的水土压力,以保证土层稳定,在气压状态下施工人员进入土舱内作业。施工时必须保证气压稳定及土体稳定,由于盾构机上部及上覆
4、土层均为软弱地层,开舱作业存在坍塌的风险,且砂层气体容易泄漏,气压易失稳,在这种地层中一般不考虑气压开舱作业。由于本地层砂层粘粒含量较大,而盾构机采用泥水平衡方式,在开挖面形成的泥膜对防止气体泄漏及维持土体稳定很有利,在盾构停机 12d 期间地层未发生变化,证明在该地层进行保压作业是有可能的。为确认气压保压情况及土体稳定,需要采取一些措施和试验验证。2.1 提高泥膜质量泥膜是泥浆在开挖面形成的一种隔膜,可使泥浆与土体隔离开来,如果在气压开舱前能在开挖面形成优质泥膜,则能有效防止气体泄漏,并使气体压力有一个作用面与水土压力保持平衡,因此保证开挖面的泥膜质量尤其对于砂质地层很有必要。施工中通过在泥
5、浆加入膨润土和 CMC,调整泥浆比重达到 1.3g cm3,粘度达到 30s,再将优质泥浆泵送至开挖面。为了增大泥膜的厚度,需要使泥浆尽量渗入土层中,采用压力差的方式增加泥浆的渗透量。在盾构机内提高开挖面泥浆的设置压力,使其较理论切口水压大 40kPa,并保持压力 1h,以使泥浆充分渗透入土体而形成较厚的泥膜。2.2 封堵漏气通道由于盾构机开挖直径较盾构机筒体大,筒体与土体间形成间隙,将使开挖面的气体泄漏至盾尾,并从盾尾管片间隙漏出(如图 2),为保证气压稳定,必须封堵漏气通道。经研究决定在筒体内向外注入膨胀性材料进行封堵,具体是在盾构机中体上按圆周分 4 个点位向外周灌注聚氨酯材料,遇水膨胀
6、后可有效封堵间隙以免漏气。2.3 保压试验为了确保开舱期间气压稳定以及检验供气设备的持续供气能力,开舱前进行了保压试验,其流程如图 2 所示。气压设置为盾构机所处位置的水土压力增加20kPa,从试验记录发现保压期间土舱内气压稳定在设定值,空压机启动频率稳定,供气正常,地面未发生变形及漏气现象,证明该地层可以实现气体稳压,空压机的供气量也完全满足稳压要求,从环流出渣情况看来,没有多余的渣土被带出,说明开挖面土层稳定,未发生坍塌情况。2.4 带压进舱检查为了进一步检查开挖面土体稳定及泥膜形成情况,正式开舱作业前由施工人员带压进舱检查,发现开挖面完整,没有流水、坍塌现象,泥膜形成均匀,拨开局部泥膜发
7、现露出砂层较硬结,说明气压有效将土层中的水挤压出去,可以平衡水土压力。2.5 带压进舱作业根据试验及检查情况,项目部制定了进舱作业流程,如图 4 所示。考虑到泥膜在气体压力作用下的干缩(类似真空预压),泥膜长时间暴露在压缩气体中会产生龟裂而影响保压效果,因此设定每次气压作业不超过 12h,每次完成后立即注入优质泥浆,重新保压和修复泥膜。本次带压进舱作业共 4d,顺利更换了 15把刀具,其间开挖面稳定,地面监测正常,实现了预期目标。2.6 施工注意事项气压设定必须合理,除要求稳定开挖面外,还应考虑施工人员在高压情况下的身体承受能力;作业人员在高压环境中作业有严格的要求,除了必须保证气压稳定外,还
8、需严格规定作业时间、升压降压的时间和程序等; 为保障进舱作业人员在开挖面失稳的情况下能及时撤离,在刀盘开口部位要安装挡板保护; 在舱内作业时要有专人负责观察土体稳定情况,做好应急准备工作; 在实施过程中要求进行实时监测,及时反馈地层变化情况,以指导施工。3 小结本次工程实践是盾构在软弱地层中施工的一次突破,证明了在不良地质条件下, 只要满足一定条件就可以进行气压开舱作业。本次气压开舱作业虽然处于软弱地层,但有以下有利条件:砂层的粘粒含量较大,具有一定的自稳性;采用泥水平衡工艺,泥浆在开挖面形成的泥膜有利于气压稳定和气压与水土压力的平衡,从而保证了开挖面的稳定;对于土层的一些漏气,由于设备供气充
9、足,及时补充了压缩空气,维持了气压的稳定。在软弱地层进行气压开舱存在一定的风险,本次施工的成功是建立在严谨实验基础上的,在不良地层中进行气压开舱,其方案的选定必须深入分析地质条件,通过严格的实验程序检验气压稳定、气体泄露、开挖面稳定等情况,并分析气压与水土压力平衡机理,采取有效措施如优质泥膜等加以保证。在实施过程中也必须制定合理的开舱流程,泥水盾构必须考虑泥膜的干缩影响,并及时对泥膜进行修复。参考文献1鞠世建,竺维彬.复合地层中的盾构施工技术M.北京:中国科学技术出版社,20062项兆池,楼如月,傅德明.最新泥水盾构技术M.上海隧道工程股份有限公司施工技术研究情报室,20013黄景鹏.压气作业在盾构施工中的应用M
