18、土压平衡盾构在砂层中掘进施工工艺工法
12页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、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
2、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
3、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
4、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
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