土压平衡盾构穿越砂性土层施工技术

发表时间:2018/7/12   来源:《新材料.新装饰》2018年2月上   作者:贾智
[导读] 土压平衡盾构掘进目前是地铁隧道施工的主要方法之一,通过盾构在砂性土层掘进施工,对盾构机优化、土体改良、盾尾密封、盾构掘进参数控制等技术措施,从而避免了地表及地表结构变形、渗漏、超挖等施工难题。

(上海隧道工程有限公司)
摘要:土压平衡盾构掘进目前是地铁隧道施工的主要方法之一,通过盾构在砂性土层掘进施工,对盾构机优化、土体改良、盾尾密封、盾构掘进参数控制等技术措施,从而避免了地表及地表结构变形、渗漏、超挖等施工难题。以郑州市南四环至郑州南站城郊铁路二期 A 合同段为工程实例,施工应用表明,这些施工技术措施有效地控制了地表的沉降和隆起,从而保证了周边环境的安全。
关键词:砂性土层、盾构机优化、土体改良、盾尾密封、参数控制

 
        1工程介绍
        郑州市南四环至郑州南站城郊铁路二期工程为一期工程的延伸线,起于一期工程终点机场站东侧终端盾构井,沿规划迎宾大道、会展路敷设,止于郑州南站。工程施工范围为:起点(一期终端井)~机场东站(含)~站场四街站区间,共一站二区间。
        本文主要探讨起点(一期终端井)~机场东站盾构区间前 100 环砂性土层中盾构掘进的施工情况。前 100 环的隧道中心埋深深度在 23.87~25.27m 范围内。地质土层是影响盾构施工的主要因素之一,根据地质勘查结果,本区间盾构隧道施工穿越的土层主要为:④4细砂、⑤1 粉土、⑤4 粉砂、⑤7 粉质黏土。土层分布如图一所示,涉及土层的物理学性质如表1所示。
            
        图1 起点(一期终端井)~机场东站区间土层分布图
        表1 起点(一期终端井)~机场东站各土层物理指标平均值表

              
        砂性土地层对盾构掘进速度和扭距影响都相对偏大,具有黏聚力小、内摩擦角大、渗透系数大、流动性差、稳定性差等特性,经刀盘切削到土仓中的砂土塑流性差,土压平衡盾构机[1]在砂层掘进时易出现掘进参数异常且掘进困难、土压平衡模式难以真正实现、设备磨损严重、碴土温度高、出土困难以及地面沉降难以控制等技术问题。且在砂性土地层中掘进会造成盾构机顿停的同时极易卡死刀盘,造成刀盘无法转动。而④4 细砂具有明显的触变性和流动性,在水动力条件和盾构掘进作用下,易发生流土现象,土层结构强度降低,影响工程安全,且浅埋隧道容易引起地表下沉。本工程前 100 环均含④4 细砂层,由全断面渐变成 1/2 断面,本文着重对该区域施工参数及控制技术进行分析研究。
        2原理分析
        土压平衡盾构掘进机依靠刀盘旋转切削开挖土体,这些土体进入且充满刀盘后的密封土舱,盾构机通过隔板对土舱内经搅拌呈“塑性流动状态”的土砂施加压力来平衡开挖面上的水土压力,并利用土舱下部的螺旋输送机将土、砂输送出盾构机体外。掘进过程中,盾构机通过调整刀盘转速、推进速度、螺旋机转速等来调整切削土量和出土量并保持土舱压力平衡,在土舱压力与开挖面水土压力保持平衡的状态下实现掘进[2]。要保证开挖面的稳定必须保证:
        主动土压力与被动土压力计算:
        主动土压力:
        :土的重度
        z:地表至隧道中心深度
        :土的内摩擦角
        c:土的粘聚力
                
        图 2 掘进工作面的主动土压力示意图
        3针对性措施
        3.1盾构机优化措施
        针对砂性土层施工的情况,对盾构机进行了以下方面的优化:
        1)更加合理布罝刀盘刀具,配置一把仿形刀。
        2)刀盘开口率从 45%增至 50%。
        3)加强刀盘盘面及外周的耐磨措施(焊耐磨钢板)。
        4)在加大螺旋机扭矩配置的同时对螺旋机的筒体内侧和搅动叶片上对焊耐磨材料的措施。
        5)配置泡沫系统,保证土体改良措施。
        6)因隧道埋深较深且处于水位线以下,盾构机密封系统在原有基础上增加1 排止浆板,增强其盾尾的密闭效果,改进后的密封系统由 2 排钢丝刷+1 排钢板刷+止浆板组成。
        通过对盾构机的耐磨性、密封性以及土体改良等方面进行优化,让盾构机在地下水位下的砂性土层中推进中机器性能和单次掘进长度均得到保证。
        3.2泡沫剂土体改良措施
        本工程盾构机为土压平衡式盾构,其特点是用开挖出的土体作为支撑开挖面稳定的介质,因此要求作为支撑介质的土体具有良好的塑性变形、稠度、内摩擦角小及渗透率小。由于本区间砂性土层土体不能完全满足这些特性,所以需要进行土体改良。
        土体改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓或螺旋输送机内注入膨润土浆液或泡沫,利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土渣混合的方法。土体改良有利于改善刀盘扭距和刀具磨损、提高土仓内渣土的抗渗透能力,避免开挖面因排水固结而造成较大的地表沉降或坍塌事故发生,提高土仓内渣土的可塑性,防止渣土粘附在刀盘上结成泥饼。
        砂性土土体改良一般常采用泡沫剂。结合类似工程经验,采用泡沫剂土体改良,并进行土体改良实验,得出合理的土体改良参数。泡沫剂的产品性能可以通过泡沫混合液发出的气泡的性能进行评价。在试验室内把泡沫剂[3]设定成不同浓度的溶液,采用高速搅拌机定时、定速进行发泡试验,检测所得气泡的半衰期(稳泡时间)来评价气泡的性能,从而对各类泡沫剂产品进行比选。试验数据结果显示,泡沫浓度在5%,发泡压力在3bar 时,泡沫的稳泡时间指标最为良好(>10min)。
        泡沫剂压注流程如下:
        启动空压机→启动注水泵→空气、注水压力达到要求→开启泡沫装置→压注泡沫。泡沫剂的压注量按实际施工时的需要进行调整。
        3.3盾尾密封
        盾构掘进时应控制好掘进方向,尽量保持管片外壁与盾构机内壁的间隙四周均匀,以保证盾尾密封刷处于良好工作状态。同时盾构掘进过程中加强盾尾密封油脂的压注,以保证盾尾密封刷的密封性能。
        本工程采用的盾构机的盾尾密封系统由2 排钢丝刷+1 排钢板刷+止浆板组成, 具有良好的可靠性和耐久性,施工过程中可在各道密封刷之间利用自动供给油脂 系统压注高止水性油脂,确保高水压作用下的止水可靠性。盾构掘进过程中视油 脂压力及时进行补充,当发现盾尾有少量漏浆时,对漏浆部位及时进行补压盾尾 油脂。若因盾尾钢丝刷损坏或盾构机姿态太差而发生盾尾漏浆时,须采用泡沫海 棉等材料来堵漏,以确保盾尾密封具有一定的压力。
        3.4盾构掘进参数控制
        1)土压力控制。土压力设定时,根据城郊线一期的施工经验,对该砂土的侧压力系数采用 0.5。在掘进过程中,应注意盾构土舱内各个区域的土压力数值, 并根据其他掘进参数(如出土量、掘进速度等)来控制螺旋机的开启度。前 100 环的理论土压力:P=k0×γ×h=0.185~0.2MPa(埋深渐深)
        式中:P——土仓内土压力
        k0——侧压力系数
        γ——上部土的平均加权容重
        h——盾构机刀盘中心的埋深
        2)掘进速度。在满足同步注浆要求的前提下,一般控制在3~5cm/min。
        3)出土量控制。盾构机在穿越砂土时,必须控制每环的出土量与理论出土量之间相匹配(理论出土量Q=π/4×6.14×6.14×1.5=44.4m3)。如果出现较大的超挖现象,就可能导致正面土体失稳、坍塌。
        4)同步注浆控制。本工程采用抗剪型砂浆,注浆率一般应为 150%~180%,根据本工程的地层条件、隧道稳定性要求,最后将注浆率控制在150%(3m3)。
        4施工效果
        本区间处于新郑机场附近,地理位置十分敏感,前 100 环均含④4 细砂层, 由全断面细砂层渐变成 1/2 断面细砂层,施工要求非常高。通过盾构机优化、土体改良、盾尾密封、盾构掘进参数控制、同步注浆工艺等一系列施工技术措施, 在该地层条件下施工的地面沉降得到了有效的控制。
        土压平衡盾构机在前 100 环砂性土层掘进过程中从盾构机选型、同步注浆、土体改良、盾构掘进参数控制等方面采取了施工技术措施的控制,也有效控制了地表的沉降,使累计沉降控制在 13mm 以内。
        5结语
        郑州市南四环至郑州南站城郊铁路二期工程采用优化后的土压平衡盾构施工,通过对盾构掘进参数的控制,在砂性土层中顺利掘进,有效控制地面沉降及保证周边环境的安全,我们得出以下结论:
        1)盾构选型阶段需重点研究盾构所穿越地层的物理力学性质,合理设置刀盘分布、配置刀具种类,对盾构机增加各类耐磨措施以及加强其密封性,使盾构机在地下水位下的砂性土层中推进中机器性能和单次掘进长度均得到保证。
        2)在砂性土层中掘进施工,需进行有效的土体改良措施。在全断面和局部断面砂性地层中,采用向刀盘前方注入适量泡沫剂进行土体改良的办法,改善土体流动性,在增加掘进速度的同时也有效防止螺旋机的喷涌。
        3)开挖面土压力的设定应合理选择各种地层砂性土的侧压力系数,并综合地面沉降实测数据,通过计算并修正至最合理的土压力设定值,再结合盾构在砂性土层中掘进的相关施工技术措施控制(同步注浆量等指标),可更有效控制地面沉降。

参考文献
[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2004
[2]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,1991:91
[3]任磊. 适用于液化砂土地层盾构近距离穿越建构筑物的施工方法: 中国,201610141899.8[P].2016-03-14.

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