复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法

专利名称：：复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法
技术领域：
：本发明属于隧道施工
技术领域：
，具体涉及一种适于对较坚固岩层进行施工的复合土压平衡盾构机在穿越浅埋富水砂层时的特殊施工方法。技术背景复合土压平衡式盾构机主要适于较坚固的复合地层，可采用土压平衡模式、半土压模式、空仓模式施工，不仅施工速度快，而且对刀具的磨损也低。本申请人在广州市轨道交通六号线进行隧道施工中，占隧道总长度的86%岩层都是强风化、中风化及微风化岩，采取复合土压平衡模式盾构机更为合理。但是在[大坦沙站-如意坊站-黄沙站]之间有长达350m的富水沙层，其中150m隧道为全断面富水砂层，隧道埋深仅有6.7m，采用2台复合土压平衡盾构机掘进，现有技术中，目前还没有复合土压平衡盾构机在该种地层中成功施工隧道的先例，一般对于该种地层都是选用泥水盾构机进行施工。复合土压平衡盾构机在掘进通过这种浅埋富水砂层时面临多项困难，由于砂层的不保水性和高透水性，在掘进过程中一旦发生喷涌就会造成刀盘前方砂土大量喷出从而导致地表塌陷。本施工段遇到的淤泥质粉细砂和中粗砂地层不仅地层松软，而且长度达到350m，是复合土压平衡盾构机施工中从未遇到的。保持开挖面的支护压力稳定是本施工段的关键。对于支护压力的控制不利的主要是以下难点(1)由于粉细砂地层和中粗砂地层渗透性较大，施工段又临近珠江，地下水丰富且压力较大，施工易发生喷涌等问题，导致支护压力迅速消失，从而造成地表塌陷，严重影响地面交通和建筑物、人员安全；(2)如果渣土改良不当，在较大的压力作用下挤紧密实，还有可能出现排土不畅，土仓、螺旋机闭塞的施工故障。
发明内容针对现有技术中的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，它通过向复合土压平衡盾构机前方的浅埋富水砂层中注入具有吸水后体积迅速膨胀并增加粘度性能的物质；使浅埋富水砂层迅速膨胀成为一种塑性流动状态，达到施工所需要的技术参数，从而保证施工的顺利进行。本发明的复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，复合土压平衡盾构机采用常规施工参数正常施工，其特别之处在于在复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层时，从盾构机压力盘及刀盘处设置由注入泵和注入管组成的注入系统，向前方的浅埋富水砂层中注入具有吸水后体积迅速膨胀并增加粘度性能的物质泡沬剂、或膨润土、或高分子聚合物、或它们之中的混合物；使浅埋富水砂层迅速膨胀、使进入整压力舱的土体成为一种塑性流动状态，并使土体达到施工所需要的低于10—5cm/s量级的渗透系数，和1015cm的塌落度的要求。所述的泡沫剂是市售的含有增稠剂的纤维素。所述注入的泡沫剂的体积百分浓度为3%4%，从土仓及刀盘注入的体积百分浓度为3%~4%的泡沫剂的注入流量为3001/min3501/min，注入总体积相当于浅埋富水砂层土水总体积的15%~30%。所述的膨润土按膨水比l:3膨化，从土仓及刀盘注入膨水比为1:3膨润土泥浆，体积为浅埋富水砂层土体总体积的12%~20%。所述的高分子聚合物是两性聚丙烯酰胺。所述的注入高分子聚合物的体积百分浓度为1%，从土仓及刀盘注入的体积百分浓度为1%高分子聚合物的量为浅埋富水砂层土体总体积的2%~3%。所述的它们之中的混合物是加有高分子聚合物的膨润土，膨润土和高分子聚合物两性聚丙烯酰胺分别单独配制；膨润土按l:4的膨水比配制成膨润土泥浆，用一半管道注入膨润土泥浆，每环注入68方；高分子聚合物两性聚丙烯酰胺的体积百分浓度为1%~3%，用另一半管道注入高分子聚合物两性聚丙烯酰胺溶液，每环注入50L60L。所述的它们之中的混合物是膨润土和泡沫剂的混合物，膨润土按1:3的膨水比配制成膨润土泥浆，泡沫剂配制成体积百分数3%~4%的溶液，将膨润土泥浆和泡沫剂按1:1的体积比混合后应用，混合液的注入体积为浅埋富水砂层土体总体积的12%~20%。所述的复合土压平衡盾构机的掘进速度保持在30-50mm/min内，刀盘转速在1~1.6r/min;复合土压平衡盾构机的刀盘扭矩为l-3MN.m，千斤顶的推力为800013000kN。所述的浅埋富水砂层是淤泥质粉细砂地层、或中粗砂地层、或它们的混合地层。本发明的技术方案科学合理，简单易于实施，所取得的技术效果显著，成功地采用复合土压平衡盾构机穿越了浅埋富水砂层施工且取得满意的施工质量，保证了工期。附图l是隧道地质剖面示意图；附图2是本发明方法的监测环的刀盘扭矩实测图；附图3是本发明方法的监测环的千斤顶推力实测图；附图4是本发明方法的监测环的渗透系数实测图；附图5是本发明方法的监测环的渣土塌落度实测图；附图6是本发明方法的监测环的外摩擦角实测图。具体实施方式下面对本发明的有关技术问题作进一步详细的描述。推进前根据地质情况及隧道埋深计算每环土仓压力理论值，盾构掘进的各项步骤，设定泡沫剂添加浓度、流量及发泡率，在碴土车及同步砂浆准备就位后，向刀盘前方和土仓内注入泡沫剂，转动刀盘，开启推进千斤顶，同时开始同步注浆，开启皮带机和螺旋输送机。此时保持土仓压力略高于理论计算值0.2bar，并通过监视器观察螺旋机口碴土的流动性是否满足要求，若碴土较稀应略微调高泡沫剂浓度，反之降低泡沫剂浓度。本申请人中铁十一局承接的广州地铁6号线大-黄(大坦沙站至黄沙站)区间盾构隧道标段地处广州市白云区、海珠区、芳村区结合部，区间线路自大坦沙站南端始，下穿广茂铁路，在双桥公园内设盾构始发井，沿坦尾中路，下穿珠江、火车南站站场股道(南站己取消停运)，到达如意坊站，从如意坊站东端出发，沿火车南站站场股道，在广州市一中人行天桥附近拐入黄沙大道，最后到达六二三路与大同路交叉段的黄沙站，过黄沙站到达东端的盾构吊出井。从图1的结构看出，该区间段经过的地层复杂，区内地层从新到老大致可分为9个大层。本施工段遇到的淤泥质粉细砂和中粗砂地层不仅地层松软，而且长度达到350m，是广州地铁施工中从未遇到的。由于为一般浅埋富水砂层，本施工段是不能采用欠土压施工，如何保持开挖面的支护压力稳定是本施工段的关键。地层物理参数见表l。表i、地层物理参数表岩土分层岩土名称时代与成因天然密度天然含量孔隙比剪切试验压縮系数压縮模量变形模量抗压强度直接快剪固结快剪粘聚力内摩擦角粘聚力内摩擦角PwecOc。Gs卜21g/cmJ%kPakPaMPa"MPaMPaMPa<2—2>淤泥质粉细砂层1.7845.01.305.128.012.021.50.893.6715.0<3_2>冲洪积中粗砂层Q,pl1.9530.00.035.03.033.00.305.5030.0根据以上的问题，为了保证施工顺利进行，关键是整压力舱的土体要成为一种"塑性流动状态"，应包含以下三个方面的含义(1)土体具有较高的含水率，较低的强度。这样可以易于压力舱及螺旋排土器内翼板对土体的搅拌，同时可保证土体受到挤压时向螺旋排土器内发生塑性流动，而顺利完成排土，就是所谓的"挤牙膏"效应。(2)土体具有较低的内摩擦角。这有利于降低盾构机刀盘扭矩，并且有效减少开挖刀具的磨损。(3)土体具有较低的透水率。只有压力舱内土体的渗透性较差，才能保证维持开挖面上的水压力，同时也能防止排土口"喷涌"现象的发生。为了满足上面三个方面的要求，本申请人设计了以下试验，与上面的要求进行对应。见表2。表2、试验方案列表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>试验中所采用的气泡剂浓度为3%，发泡倍率为2040倍，半衰期为30分钟。根据气泡改良土流动性试验结果，可以看出气泡的体积掺入量为1530%均能较好满足盾构施工所要求的流动性。当气泡体积掺入量达到20%时，渗透性已经降到1X10—5cm/s以下，满足施工要求。发泡剂还具有经济上的优势，见表3。表3盾构施工外掺剂掺量表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>高分子聚合物选用两性聚丙烯酰胺，分子量1800万，它是一种人工合成的多功能高分子聚电解质，分子链上同时含有阴、阳离子基团，具有很好的水溶性、很高的分子量，同时它也具有很强的溶胀性，能很快的吸水膨胀并增粘，在土木工程领域里，可以作为吸水防渗材料来使用，它能充分粘结土颗粒形成防水层，考虑到此聚合物有很强的粘性且价格较高，不作为主要的改良措施，只考虑在螺旋排土器口进行添加使用，因此，添加了它以后砂土的外摩擦角显得尤为重要，因为加入聚合物后可以减小土的流动性，增加土体与金属壁的摩擦，在螺旋排土器里形成"土塞"，抵抗一部分由于压力舱里土体过大的透水性而出现的过剩水压力，对防止喷涌起到一定的作用。现场的监测主要包括两部分一是盾构机掘进参数，主要包括盾构机的掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩、千斤顶推力、压力舱压力和出渣量；二是螺旋排土器排出的渣土的物理力学性质的试验，主要有渣土的含水率、渗透系数、塌落度、外摩擦角和搅拌扭矩。所使用的仪器主要有有压渗透仪、塌落度筒、滑板、搅拌机和电流表。从掘进参数和渣土的试验数据来看，有以下一些结论1、盾构机的掘进速度稳定在3050皿/min的范围内，而刀盘转速控制在11.6r/min范围内，符合施工组织计划的要求，盾构机的掘进过程正常；2、盾构机刀盘扭矩和千斤顶的推力分别稳定在13丽*111和800013000kN的正常范围内；3、首先渣土的含水率与前期勘测报告中该地层的含水率存在着较大差异，勘测报告中该地层的含水率是36.8%，但测定渣土的含水率则基本上在20%25%范围内，含水率相差较大。经我们分析认为，在注入气泡的过程中，由于注入压力(约为0.5MPa)的存在，使气泡和空气置换了部分开挖面前方土体孔隙中的水，使得渣土的含水率减小；4、渣土的渗透系数较小，满足正常施工的要求，渗透系数的大小在10—5cm/m数量级以下；5、渣土的流动度较小，据监测的数据表明绝大部分渣土的塌落度都在8cm以下。正常施工经验要求的为1015cm范围内，说明渣土的流动度偏小，建议可以注入一定量的水增大流动性，使得出渣更为顺畅和连续；6、渣土的外摩擦角都在30。以上。在渗透系数满足要求的基础上，要尽可能的降低渣土的外摩擦角，这是因为外摩擦角如果较大，对刀盘磨损也较大，且发生闭塞的可能性也会增大，施工中己经出现了这样不利情况；7、搅拌试验测得的渣土的搅拌扭矩值都在正常范围内，这与盾构机刀盘扭矩在正常范围内是一致的。8、气泡剂掺入量有助于降低刀盘扭矩，降低磨损；也有利于渣土性质朝着"塑性流动状态"方向改良，有利于降低塌落度，降低渗透性。权利要求1、复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，复合土压平衡盾构机采用常规施工参数正常施工，其特征在于在复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层时，从盾构机压力盘及刀盘处设置由注入泵和注入管组成的注入系统，向前方的浅埋富水砂层中注入具有吸水后体积迅速膨胀并增加粘度性能的物质一泡沫剂、或膨润土、或高分子聚合物、或它们之中的混合物；使浅埋富水砂层迅速膨胀、使进入整压力舱的土体成为一种塑性流动状态，并使土体达到施工所需要的低于10-5cm/s量级的渗透系数，和10～15cm的塌落度的要求。2、根据权利要求1所述的复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，其特征在于所述的泡沫剂是市售的含有增稠剂的纤维素。3、根据权利要求1所述的复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，其特征在于所述注入的泡沫剂的体积百分浓度为3%4%，从土仓及刀盘注入的体积百分浓度为3%~4%的泡沬剂的注入流量为300l/min~3501/min，注入总体积相当于浅埋富水砂层土体总体积的15%~30%。4、根据权利要求1所述的复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，其特征在于所述的膨润土按膨水比l:3膨化，从土仓及刀盘注入膨水比为1:3膨润土泥浆，体积为浅埋富水砂层土体总体积的12%~20%。5、根据权利要求1所述的复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，其特征在于所述的高分子聚合物是两性聚丙烯酰胺。6、根据权利要求1所述的复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，其特征在于所述的注入高分子聚合物的体积百分浓度为1%，从土仓及刀盘注入的体积百分浓度为1%高分子聚合物的量为浅埋富水砂层土体总体积的2%3%。7、根据权利要求1所述的复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，其特征在于所述的它们之中的混合物是加有高分子聚合物的膨润土，膨润土和高分子聚合物两性聚丙烯酰胺分别单独配制；膨润土按h4的膨水比配制成膨润土泥浆，用一半管道注入膨润土泥浆，每环注入68方；高分子聚合物两性聚丙烯酰胺的体积百分浓度为1%3%，用另一半管道注入高分子聚合物两性聚丙烯酰胺溶液，每环注入50L60L。8、根据权利要求1所述的复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，其特征在于所述的它们之中的混合物是膨润土和泡沫剂的混合物，膨润土按l:3的膨水比配制成膨润土泥浆，泡沫剂配制成体积百分数3%~4%的溶液，将膨润土泥浆和泡沬剂按1:l的体积比混合后应用，混合液的注入体积为浅埋富水砂层土体总体积的12%~20%。9、根据权利要求1所述的复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，其特征在于所述的复合土压平衡盾构机的掘进速度保持在3050mm/min内，刀盘转速在11.6r/min;复合土压平衡盾构机的刀盘扭矩为1~3MN.m，千斤顶的推力为8000~13000kN。10、根据权利要求1所述的复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，其特征在于所述的浅埋富水砂层是淤泥质粉细砂地层、或中粗砂地层、或它们的混合地层。全文摘要本发明公开了一种复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层的施工方法，属于隧道施工
技术领域：
。在复合土压平衡盾构机穿越浅埋富水砂层时，从盾构机压力盘及刀盘处设置注入系统向前方的浅埋富水砂层中注入具有吸水后体积迅速膨胀并增加粘度性能的物质—泡沫剂、或膨润土、或高分子聚合物、或它们之中的混合物；使浅埋富水砂层迅速膨胀、使进入整压力舱的土体成为一种塑性流动状态，并使土体达到施工所需要的低于10^-5cm/s量级的渗透系数，和10～15cm的塌落度的要求。本发明的技术方案科学合理，简单易于实施，所取得的技术效果显著，成功地采用复合土压平衡盾构机穿越了浅埋富水砂层施工且取得满意的施工质量，保证了工期。文档编号E21D9/06GK101403307SQ20081004869公开日2009年4月8日申请日期2008年8月4日优先权日2008年8月4日发明者浩冯,冯秀云,智周,周树清,成张,伟李,粟芙蓉,陈友彬,陈碧波申请人:中铁十一局集团城市轨道工程有限公司