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1、土压平衡盾构在砂层中掘进施工工艺工法1 前言1.1工艺工法概况土压平衡式盾构(EPBS)自1974年在日本首次使用以来，以其独到的优势已广泛用于世界各地的隧道工程中。我国于二十世纪八十年代引入土压平衡盾构施工技术，目前已广泛用于各大城市的地铁建设中，尤其是在粘性土地层中，其设计和施工技术水平、工程经验和业绩都达到国际先进水平。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、
2、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2.1 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
3、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，中国中铁一局企业施工指导书汇编；4.3 当前国内土压平衡盾构砂层掘进渣土改良运用成果；4.4 西安地区砂层掘进经验及渣土改良试验成果。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
4、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
5、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。根据我公司在西安地区砂层施工的经验，泥浆的注入量为4m3/m。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
6、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
7、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
8、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
9、、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
10、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
11、碴土流塑性螺旋仓改善螺旋仓内碴土流塑性，保护叶片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
12、土进行改良后的塌落度试验，先用试验的方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，必要时可注聚氨酯止水在前盾胸板后80cm的3、9
13、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改善螺旋舱内渣土流塑性，保护叶片3 在盾构掘进的同时，2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
14、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个搅拌膨润土9 质量控制9.1易出现的质量问题9.1.1 沉降
