復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法

專利名稱：：復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法
技術領域：
：本發明屬于隧道施工
技術領域：
，具體涉及一種適于對較堅固巖層進行施工的復合土壓平衡盾構機在穿越淺埋富水砂層時的特殊施工方法。技術背景復合土壓平衡式盾構機主要適于較堅固的復合地層，可采用土壓平衡模式、半土壓模式、空倉模式施工，不僅施工速度快，而且對刀具的磨損也低。本申請人在廣州市軌道交通六號線進行隧道施工中，占隧道總長度的86%巖層都是強風化、中風化及微風化巖，采取復合土壓平衡模式盾構機更為合理。但是在[大坦沙站-如意坊站-黃沙站]之間有長達350m的富水沙層，其中150m隧道為全斷面富水砂層，隧道埋深僅有6.7m，采用2臺復合土壓平衡盾構機掘進，現有技術中，目前還沒有復合土壓平衡盾構機在該種地層中成功施工隧道的先例，一般對于該種地層都是選用泥水盾構機進行施工。復合土壓平衡盾構機在掘進通過這種淺埋富水砂層時面臨多項困難，由于砂層的不保水性和高透水性，在掘進過程中一旦發生噴涌就會造成刀盤前方砂土大量噴出從而導致地表塌陷。本施工段遇到的淤泥質粉細砂和中粗砂地層不僅地層松軟，而且長度達到350m，是復合土壓平衡盾構機施工中從未遇到的。保持開挖面的支護壓力穩定是本施工段的關鍵。對于支護壓力的控制不利的主要是以下難點(1)由于粉細砂地層和中粗砂地層滲透性較大，施工段又臨近珠江，地下水豐富且壓力較大，施工易發生噴涌等問題，導致支護壓力迅速消失，從而造成地表塌陷，嚴重影響地面交通和建筑物、人員安全；(2)如果渣土改良不當，在較大的壓力作用下擠緊密實，還有可能出現排土不暢，土倉、螺旋機閉塞的施工故障。
發明內容針對現有技術中的上述不足，本發明要解決的技術問題是提供一種復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，它通過向復合土壓平衡盾構機前方的淺埋富水砂層中注入具有吸水后體積迅速膨脹并增加粘度性能的物質；使淺埋富水砂層迅速膨脹成為一種塑性流動狀態，達到施工所需要的技術參數，從而保證施工的順利進行。本發明的復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，復合土壓平衡盾構機采用常規施工參數正常施工，其特別之處在于在復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層時，從盾構機壓力盤及刀盤處設置由注入泵和注入管組成的注入系統，向前方的淺埋富水砂層中注入具有吸水后體積迅速膨脹并增加粘度性能的物質泡沬劑、或膨潤土、或高分子聚合物、或它們之中的混合物；使淺埋富水砂層迅速膨脹、使進入整壓力艙的土體成為一種塑性流動狀態，并使土體達到施工所需要的低于10—5cm/s量級的滲透系數，和1015cm的塌落度的要求。所述的泡沫劑是市售的含有增稠劑的纖維素。所述注入的泡沫劑的體積百分濃度為3%4%，從土倉及刀盤注入的體積百分濃度為3%~4%的泡沫劑的注入流量為3001/min3501/min，注入總體積相當于淺埋富水砂層土水總體積的15%~30%。所述的膨潤土按膨水比l:3膨化，從土倉及刀盤注入膨水比為1:3膨潤土泥漿，體積為淺埋富水砂層土體總體積的12%~20%。所述的高分子聚合物是兩性聚丙烯酰胺。所述的注入高分子聚合物的體積百分濃度為1%，從土倉及刀盤注入的體積百分濃度為1%高分子聚合物的量為淺埋富水砂層土體總體積的2%~3%。所述的它們之中的混合物是加有高分子聚合物的膨潤土，膨潤土和高分子聚合物兩性聚丙烯酰胺分別單獨配制；膨潤土按l:4的膨水比配制成膨潤土泥漿，用一半管道注入膨潤土泥漿，每環注入68方；高分子聚合物兩性聚丙烯酰胺的體積百分濃度為1%~3%，用另一半管道注入高分子聚合物兩性聚丙烯酰胺溶液，每環注入50L60L。所述的它們之中的混合物是膨潤土和泡沫劑的混合物，膨潤土按1:3的膨水比配制成膨潤土泥漿，泡沫劑配制成體積百分數3%~4%的溶液，將膨潤土泥漿和泡沫劑按1:1的體積比混合后應用，混合液的注入體積為淺埋富水砂層土體總體積的12%~20%。所述的復合土壓平衡盾構機的掘進速度保持在30-50mm/min內，刀盤轉速在1~1.6r/min;復合土壓平衡盾構機的刀盤扭矩為l-3MN.m，千斤頂的推力為800013000kN。所述的淺埋富水砂層是淤泥質粉細砂地層、或中粗砂地層、或它們的混合地層。本發明的技術方案科學合理，簡單易于實施，所取得的技術效果顯著，成功地采用復合土壓平衡盾構機穿越了淺埋富水砂層施工且取得滿意的施工質量，保證了工期。附圖l是隧道地質剖面示意圖；附圖2是本發明方法的監測環的刀盤扭矩實測圖；附圖3是本發明方法的監測環的千斤頂推力實測圖；附圖4是本發明方法的監測環的滲透系數實測圖；附圖5是本發明方法的監測環的渣土塌落度實測圖；附圖6是本發明方法的監測環的外摩擦角實測圖。具體實施方式下面對本發明的有關技術問題作進一步詳細的描述。推進前根據地質情況及隧道埋深計算每環土倉壓力理論值，盾構掘進的各項步驟，設定泡沫劑添加濃度、流量及發泡率，在碴土車及同步砂漿準備就位后，向刀盤前方和土倉內注入泡沫劑，轉動刀盤，開啟推進千斤頂，同時開始同步注漿，開啟皮帶機和螺旋輸送機。此時保持土倉壓力略高于理論計算值0.2bar，并通過監視器觀察螺旋機口碴土的流動性是否滿足要求，若碴土較稀應略微調高泡沫劑濃度，反之降低泡沫劑濃度。本申請人中鐵十一局承接的廣州地鐵6號線大-黃(大坦沙站至黃沙站)區間盾構隧道標段地處廣州市白云區、海珠區、芳村區結合部，區間線路自大坦沙站南端始，下穿廣茂鐵路，在雙橋公園內設盾構始發井，沿坦尾中路，下穿珠江、火車南站站場股道(南站己取消停運)，到達如意坊站，從如意坊站東端出發，沿火車南站站場股道，在廣州市一中人行天橋附近拐入黃沙大道，最后到達六二三路與大同路交叉段的黃沙站，過黃沙站到達東端的盾構吊出井。從圖1的結構看出，該區間段經過的地層復雜，區內地層從新到老大致可分為9個大層。本施工段遇到的淤泥質粉細砂和中粗砂地層不僅地層松軟，而且長度達到350m，是廣州地鐵施工中從未遇到的。由于為一般淺埋富水砂層，本施工段是不能采用欠土壓施工，如何保持開挖面的支護壓力穩定是本施工段的關鍵。地層物理參數見表l。表i、地層物理參數表巖土分層巖土名稱時代與成因天然密度天然含量孔隙比剪切試驗壓縮系數壓縮模量變形模量抗壓強度直接快剪固結快剪粘聚力內摩擦角粘聚力內摩擦角PwecOc。Gs卜21g/cmJ%kPakPaMPa"MPaMPaMPa<2—2>淤泥質粉細砂層1.7845.01.305.128.012.021.50.893.6715.0<3_2>沖洪積中粗砂層Q,pl1.9530.00.035.03.033.00.305.5030.0根據以上的問題，為了保證施工順利進行，關鍵是整壓力艙的土體要成為一種"塑性流動狀態"，應包含以下三個方面的含義(1)土體具有較高的含水率，較低的強度。這樣可以易于壓力艙及螺旋排土器內翼板對土體的攪拌，同時可保證土體受到擠壓時向螺旋排土器內發生塑性流動，而順利完成排土，就是所謂的"擠牙膏"效應。(2)土體具有較低的內摩擦角。這有利于降低盾構機刀盤扭矩，并且有效減少開挖刀具的磨損。(3)土體具有較低的透水率。只有壓力艙內土體的滲透性較差，才能保證維持開挖面上的水壓力，同時也能防止排土口"噴涌"現象的發生。為了滿足上面三個方面的要求，本申請人設計了以下試驗，與上面的要求進行對應。見表2。表2、試驗方案列表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>試驗中所采用的氣泡劑濃度為3%，發泡倍率為2040倍，半衰期為30分鐘。根據氣泡改良土流動性試驗結果，可以看出氣泡的體積摻入量為1530%均能較好滿足盾構施工所要求的流動性。當氣泡體積摻入量達到20%時，滲透性已經降到1X10—5cm/s以下，滿足施工要求。發泡劑還具有經濟上的優勢，見表3。表3盾構施工外摻劑摻量表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>高分子聚合物選用兩性聚丙烯酰胺，分子量1800萬，它是一種人工合成的多功能高分子聚電解質，分子鏈上同時含有陰、陽離子基團，具有很好的水溶性、很高的分子量，同時它也具有很強的溶脹性，能很快的吸水膨脹并增粘，在土木工程領域里，可以作為吸水防滲材料來使用，它能充分粘結土顆粒形成防水層，考慮到此聚合物有很強的粘性且價格較高，不作為主要的改良措施，只考慮在螺旋排土器口進行添加使用，因此，添加了它以后砂土的外摩擦角顯得尤為重要，因為加入聚合物后可以減小土的流動性，增加土體與金屬壁的摩擦，在螺旋排土器里形成"土塞"，抵抗一部分由于壓力艙里土體過大的透水性而出現的過剩水壓力，對防止噴涌起到一定的作用。現場的監測主要包括兩部分一是盾構機掘進參數，主要包括盾構機的掘進速度、刀盤轉速、刀盤扭矩、千斤頂推力、壓力艙壓力和出渣量；二是螺旋排土器排出的渣土的物理力學性質的試驗，主要有渣土的含水率、滲透系數、塌落度、外摩擦角和攪拌扭矩。所使用的儀器主要有有壓滲透儀、塌落度筒、滑板、攪拌機和電流表。從掘進參數和渣土的試驗數據來看，有以下一些結論1、盾構機的掘進速度穩定在3050皿/min的范圍內，而刀盤轉速控制在11.6r/min范圍內，符合施工組織計劃的要求，盾構機的掘進過程正常；2、盾構機刀盤扭矩和千斤頂的推力分別穩定在13麗*111和800013000kN的正常范圍內；3、首先渣土的含水率與前期勘測報告中該地層的含水率存在著較大差異，勘測報告中該地層的含水率是36.8%，但測定渣土的含水率則基本上在20%25%范圍內，含水率相差較大。經我們分析認為，在注入氣泡的過程中，由于注入壓力(約為0.5MPa)的存在，使氣泡和空氣置換了部分開挖面前方土體孔隙中的水，使得渣土的含水率減小；4、渣土的滲透系數較小，滿足正常施工的要求，滲透系數的大小在10—5cm/m數量級以下；5、渣土的流動度較小，據監測的數據表明絕大部分渣土的塌落度都在8cm以下。正常施工經驗要求的為1015cm范圍內，說明渣土的流動度偏小，建議可以注入一定量的水增大流動性，使得出渣更為順暢和連續；6、渣土的外摩擦角都在30。以上。在滲透系數滿足要求的基礎上，要盡可能的降低渣土的外摩擦角，這是因為外摩擦角如果較大，對刀盤磨損也較大，且發生閉塞的可能性也會增大，施工中己經出現了這樣不利情況；7、攪拌試驗測得的渣土的攪拌扭矩值都在正常范圍內，這與盾構機刀盤扭矩在正常范圍內是一致的。8、氣泡劑摻入量有助于降低刀盤扭矩，降低磨損；也有利于渣土性質朝著"塑性流動狀態"方向改良，有利于降低塌落度，降低滲透性。權利要求1、復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，復合土壓平衡盾構機采用常規施工參數正常施工，其特征在于在復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層時，從盾構機壓力盤及刀盤處設置由注入泵和注入管組成的注入系統，向前方的淺埋富水砂層中注入具有吸水后體積迅速膨脹并增加粘度性能的物質一泡沫劑、或膨潤土、或高分子聚合物、或它們之中的混合物；使淺埋富水砂層迅速膨脹、使進入整壓力艙的土體成為一種塑性流動狀態，并使土體達到施工所需要的低于10-5cm/s量級的滲透系數，和10～15cm的塌落度的要求。2、根據權利要求1所述的復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，其特征在于所述的泡沫劑是市售的含有增稠劑的纖維素。3、根據權利要求1所述的復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，其特征在于所述注入的泡沫劑的體積百分濃度為3%4%，從土倉及刀盤注入的體積百分濃度為3%~4%的泡沬劑的注入流量為300l/min~3501/min，注入總體積相當于淺埋富水砂層土體總體積的15%~30%。4、根據權利要求1所述的復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，其特征在于所述的膨潤土按膨水比l:3膨化，從土倉及刀盤注入膨水比為1:3膨潤土泥漿，體積為淺埋富水砂層土體總體積的12%~20%。5、根據權利要求1所述的復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，其特征在于所述的高分子聚合物是兩性聚丙烯酰胺。6、根據權利要求1所述的復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，其特征在于所述的注入高分子聚合物的體積百分濃度為1%，從土倉及刀盤注入的體積百分濃度為1%高分子聚合物的量為淺埋富水砂層土體總體積的2%3%。7、根據權利要求1所述的復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，其特征在于所述的它們之中的混合物是加有高分子聚合物的膨潤土，膨潤土和高分子聚合物兩性聚丙烯酰胺分別單獨配制；膨潤土按h4的膨水比配制成膨潤土泥漿，用一半管道注入膨潤土泥漿，每環注入68方；高分子聚合物兩性聚丙烯酰胺的體積百分濃度為1%3%，用另一半管道注入高分子聚合物兩性聚丙烯酰胺溶液，每環注入50L60L。8、根據權利要求1所述的復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，其特征在于所述的它們之中的混合物是膨潤土和泡沫劑的混合物，膨潤土按l:3的膨水比配制成膨潤土泥漿，泡沫劑配制成體積百分數3%~4%的溶液，將膨潤土泥漿和泡沬劑按1:l的體積比混合后應用，混合液的注入體積為淺埋富水砂層土體總體積的12%~20%。9、根據權利要求1所述的復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，其特征在于所述的復合土壓平衡盾構機的掘進速度保持在3050mm/min內，刀盤轉速在11.6r/min;復合土壓平衡盾構機的刀盤扭矩為1~3MN.m，千斤頂的推力為8000~13000kN。10、根據權利要求1所述的復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，其特征在于所述的淺埋富水砂層是淤泥質粉細砂地層、或中粗砂地層、或它們的混合地層。全文摘要本發明公開了一種復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層的施工方法，屬于隧道施工
技術領域：
。在復合土壓平衡盾構機穿越淺埋富水砂層時，從盾構機壓力盤及刀盤處設置注入系統向前方的淺埋富水砂層中注入具有吸水后體積迅速膨脹并增加粘度性能的物質—泡沫劑、或膨潤土、或高分子聚合物、或它們之中的混合物；使淺埋富水砂層迅速膨脹、使進入整壓力艙的土體成為一種塑性流動狀態，并使土體達到施工所需要的低于10^-5cm/s量級的滲透系數，和10～15cm的塌落度的要求。本發明的技術方案科學合理，簡單易于實施，所取得的技術效果顯著，成功地采用復合土壓平衡盾構機穿越了淺埋富水砂層施工且取得滿意的施工質量，保證了工期。文檔編號E21D9/06GK101403307SQ20081004869公開日2009年4月8日申請日期2008年8月4日優先權日2008年8月4日發明者浩馮,馮秀云,智周,周樹清,成張,偉李,粟芙蓉,陳友彬,陳碧波申請人:中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司