CN103967498A - 一种粗粒土地层中盾构机的带压开舱方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种粗粒土地层中盾构机带压开舱的方法，包括先配制稀泥浆向地层中渗透，形成稳定的渗透带，降低地层的渗透性；再以较稠的高密度泥浆置换稀泥浆，使其在地层表面形成致密的泥皮型泥膜，降低地层的透气性；通过室内测试泥膜的闭气值和原位检测泥膜的闭气效果，设定带压开舱的气压值；然后降低压力舱泥浆液位至维修面以下，利用泥膜的闭气性，在局部气压支护下进行带压开舱；以及开舱过程中通过升降压力舱的泥浆液位进行开挖面泥膜的修补等工艺。此种盾构机带压开舱的方法，可以有效地保障盾构机在高水压、强透水的粗粒土地层安全、快速地实施带压开舱，且操作简单、经济，是一种较为适合我国目前国情的盾构机带压开舱方法。
Description
技术领域
该发明属于地下工程施工的技术领域，具体而言涉及一种粗粒土地层中盾构机带压开舱方法。
背景技术
由于我国地质条件复杂多变，经常出现盾构机刀盘刀具磨损严重、刀盘结饼、刀盘前方障碍物、刀具与地层不匹配需要更换等情况，而不得不需要停机进行开舱清理或维修等作业，造成盾构掘进效率低。目前，频繁停机开舱已经成为我国盾构技术的一个明显的特点，也极大的制约了我国盾构技术的发展。随着我国多条大型水下隧道的开建，尤其是长距离穿越埋深大、高水压的强透水粗粒土地层时，如何安全的进行开舱作业，已成为中国盾构施工企业极为关注的技术问题。由于受到隧道上部有河流、湖泊等水域、构筑物或者其他原因的影响，从地表加固地层-常压开舱的方法被限制，以压气工法为基础的带压开舱方法越来越得被使用。然而，常规的压气工法一般适用于渗透系数小于10-2cm/s的土层，对于渗透系数大于10-2cm/s的粗粒土地层，如何降低地层的透气性、增强开挖面的稳定性、提高舱内作业时间，成为带压开舱成功的关键。现有的针对强透水（渗透系数大于10-2cm/s）的粗粒土地层的盾构机带压开舱方法中存在一些耗时长、工程量大的辅助工艺，在高水压、强透水的粗粒土地层中进行盾构机的带压开舱存在难度大、耗时长、工程造价高的问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种在高水压、强透水的粗粒土地层中利用泥浆渗透原理形成渗透带和泥皮，降低地层渗透性和透气性，利用泥膜闭气性进行的粗粒土地层中盾构机带压开舱的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：提供了一种粗粒土地层中盾构机带压开舱的方法，包括以下步骤：
1) 采集盾构停机所处位置的粗粒土地层的颗粒级配，结合泥浆在地层中的渗透规律，配制能进入地层一段距离的低密度稀泥浆；
2) 用所述低密度稀泥浆置换所述盾构机压力舱中的掘进泥浆，然后所述盾构机按照正常掘进时的泥浆压力将所述低密度稀泥浆向所述粗粒土地层中渗透一段距离，直到所述盾构机压力舱内的低密度稀泥浆液面不再降低，此时在所述粗粒土地层中形成一段稳定的渗透带；
3) 根据已采集所述粗粒土地层的颗粒级配，结合泥浆在地层中的渗透规律，配制能在所述粗粒土地层表面形成一层致密的泥皮型泥膜的较高密度的稠泥浆；
4) 用所述较高密度的稠泥浆置换盾构机压力舱内的低密度的稀泥浆，然后所述盾构机按照正常掘进时的泥浆压力将所述较高密度的稠泥浆向所述粗粒土地层中渗透，直到所述盾构机压力舱内的较高密度的稠泥浆液面保持稳定，所述较高密度的稠泥浆将在所述粗粒土地层表面形成一层致密的泥皮型泥膜；
5) 通过泥皮型泥膜闭气的室内试验来测定所述泥皮型泥膜的闭气值；若所述泥皮型泥膜的闭气值小于所述粗粒土地层的土压力，则重复步骤1)-5)，直至所述泥皮型泥膜的闭气值不小于所述粗粒土地层的土压力；
6) 设定所述盾构机气垫舱内的气压值，使所述盾构机气垫舱内气压值不大于所述泥皮型泥膜的闭气值与所述粗粒土地层的水压力之和，不小于位于所述渗透带和粗粒土地层的开挖面的水土压力之和；然后降低所述压力舱内的所述较高密度的稠泥浆液面至压力舱三分之一高度，通过所述盾构机气垫舱内的气压支护所述开挖面，对泥皮型泥膜的闭气效果进行原位测试，明确所述气垫舱的漏气量，以确定现场空气压缩机的数量和功率大小；
7) 重新上升所述较高密度的稠泥浆液位至充满所述压力舱，根据所述泥皮型泥膜的闭气效果，设定所述较高密度的稠泥浆在所述盾构机正常掘进时的泥浆压力下向所述开挖面的渗透时间，对原位测试时暴露在压缩空气中的所述泥皮型泥膜进行修补；
8) 设定所述盾构机气垫舱内的气压值，使所述盾构机气垫舱内气压值不大于所述泥皮型泥膜的闭气值与所述粗粒土地层的水压力之和，不小于位于所述渗透带和粗粒土地层的开挖面的水土压力之和；然后降低所述压力舱内的泥浆液面至维修面高度以下，通过所述盾构机气垫舱内的气压支护所述开挖面，技术人员经过加减压过程，进行带压开舱作业；
9) 一次舱内带压操作结束后，工作人员出舱，然后重新升起所述较高密度的稠泥浆液位至充满压力舱，使所述较高密度的稠泥浆在所述盾构机按照正常掘进时的泥浆压力向所述开挖面的渗透，对带压开舱作业时暴漏在压缩空气中的所述泥皮型泥膜进行修补；然后，重复进行降低泥浆液位、人员加减压和进出舱作业，直至完成全部的舱内带压检修和更换的工作。
进一步地，所述泥浆在地层中的渗透规律是：选取粗粒土的D15为砂层控制粒径，D15表示小于某粒径的砂粒占总量的15%对应的粒径值；d85为泥浆控制粒径，d85表示小于某粒径的砂粒占总量的85%对应的粒径值；当D15/ d85≥10，泥浆会向地层中渗透一段距离，形成渗透带；当D15/ d85≤5时，泥浆颗粒无法渗入地层孔隙，全部堵塞在地层表面，形成一层致密的泥皮；当5≤D15/ d85≤10时，泥浆向地层中渗透的情况介于两者之间，即能形成渗透带，也能形成泥皮。
进一步地，泥浆的配制是以钠级膨润土配制基础泥浆（膨润土与水的质量比为1:10左右，密度1.04~1.06g/cm3，苏氏漏斗粘度值在18s~25s），通过添加黏粉土颗粒和CMC（羧甲基纤维素钠）溶液来调节的泥浆密度、粘度及颗粒级配；
进一步地，所述步骤2）中的部分低密度稀泥浆颗粒堵塞在所述粗粒土地层的孔隙中，降低所述粗粒土地层的渗透性。
进一步地，所述步骤4）中的所述较高密度的稠泥浆颗粒堵塞在所述粗粒土地层的表面形成致密的泥皮型泥膜，降低所述粗粒土地层的透气性。
进一步地，所述泥皮型泥膜闭气的室内实验是指采用土层和泥浆，在室内试验土柱中，形成泥皮型泥膜之后，排出泥浆，并使气压直接作用在所述泥皮型泥膜上，测试所述泥皮型泥膜在不同气压下的闭气规律。
进一步地，步骤5）中的闭气值是指所述泥皮型泥膜所能承受的最大气压值，当气压大于所述最大气压值时，所述泥皮型泥膜将出现透气现象；当气压小于所述最大气压值时，则泥膜处于完全的闭气状态。
进一步地，根据泥膜的闭气效果和进舱人员的身体情况确定一次舱内带压操作的时间，一次舱内带压操作时间在1h~4h。
本发明的有益效果：
本发明分两步进行泥浆的置换和渗透，先向地层中渗透形成渗透带、降低了地层渗透性，再在地层表面形成泥皮型的泥膜，降低了粗粒土地层的透气性，实现了高渗透性地层在气压作用下的有效支护；通过升降压力舱的泥浆液位，修补带压开舱作业时暴漏在压缩空气中的泥皮型泥膜，确保了多次连续开舱作业时开挖面良好的闭气性。采用该方法施工工期短、造价低，而且本发明所涉及的工艺流程简单易行，无需增加其他设备，是一种简单易行、较快较经济的盾构带压开舱方法。
说明书附图：
图1是本发明在粗粒土地层中进行带压开舱的示意图；
其中：1、盾构机；2、开挖面；3、人闸；4、穿梭舱；5、进浆管；6、排浆管；7、隔板；8、气垫舱；9、压力舱；10、泥浆；11、刀盘；12、刀具；13、泥皮型泥膜；14、渗透带；15、粗粒土地层
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外。
本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右。
本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
如图1所示，本发明的粗粒土地层中盾构机的带压开舱方法，首先是利用泥浆在地层中的渗透规律，配制较低密度的稀泥浆，以该泥浆置换压力舱9中的正常掘进时用的泥浆，并使其在正常掘进时的泥浆压力下向粗粒土地层15中渗透形成稳定的渗透带14。此时部分泥浆颗粒堵塞在粗粒土地层15的孔隙中，使其渗透性得到有效降低。然后，再配制较高密度的稠泥浆10，以该稠泥浆10置换压力舱9内的较低密度的稀泥浆，使其在正常掘进时的泥浆压力下向粗粒土地层15中渗透，在粗粒土地层15表面形成一层致密的泥皮型泥膜13。最后，利用泥皮型泥膜13的闭气性，设定带压开舱的气压值(气垫舱8舱内气压值应不大于泥膜闭气值与地层水压力之和，不小于开挖面水土压力之和)，降低压力舱9内的稠泥浆10的液面至维修面以下，以气垫舱8内气压支护开挖面2，实施带压开舱。
上述粗粒土地层中盾构机的带压开舱方法，具体而言包括以下步骤：
1) 采集盾构停机所处位置的粗粒土地层的颗粒级配，结合泥浆在地层中的渗透规律，配制能进入地层一段距离的低密度稀泥浆；
2) 用所述低密度稀泥浆置换所述盾构机压力舱中的掘进泥浆，然后所述盾构机按照正常掘进时的泥浆压力将所述低密度稀泥浆向所述粗粒土地层中渗透一段距离，直到所述盾构机压力舱内的低密度稀泥浆液面不再降低，此时在所述粗粒土地层中形成一段稳定的渗透带；
3) 根据已采集所述粗粒土地层的颗粒级配，结合泥浆在地层中的渗透规律，配制能在所述粗粒土地层表面形成一层致密的泥皮型泥膜的较高密度的稠泥浆；
4) 用所述较高密度的稠泥浆置换盾构机压力舱内的低密度的稀泥浆，然后所述盾构机按照正常掘进时的泥浆压力将所述较高密度的稠泥浆向所述粗粒土地层中渗透，直到所述盾构机压力舱内的较高密度的稠泥浆液面保持稳定，所述较高密度的稠泥浆将在所述粗粒土地层表面形成一层致密的泥皮型泥膜；
5) 通过泥皮型泥膜闭气的室内试验来测定所述泥皮型泥膜的闭气值；若所述泥皮型泥膜的闭气值小于所述粗粒土地层的土压力，则重复步骤1)-5)，直至所述泥皮型泥膜的闭气值不小于所述粗粒土地层的土压力；
6) 设定所述盾构机气垫舱内的气压值，使所述盾构机气垫舱内气压值不大于所述泥皮型泥膜的闭气值与所述粗粒土地层的水压力之和，不小于位于所述渗透带和粗粒土地层的开挖面的水土压力之和；然后降低所述压力舱内的所述较高密度的稠泥浆液面至压力舱三分之一高度，通过所述盾构机气垫舱内的气压支护所述开挖面，对泥皮型泥膜的闭气效果进行原位测试，明确所述气垫舱的漏气量，以确定现场空气压缩机的数量和功率大小；
7) 重新上升所述较高密度的稠泥浆液位至充满所述压力舱，根据所述泥皮型泥膜的闭气效果，设定所述较高密度的稠泥浆在所述盾构机正常掘进时的泥浆压力下向所述开挖面的渗透时间，对原位测试时暴露在压缩空气中的所述泥皮型泥膜进行修补；
8) 设定所述盾构机气垫舱内的气压值，使所述盾构机气垫舱内气压值不大于所述泥皮型泥膜的闭气值与所述粗粒土地层的水压力之和，不小于位于所述渗透带和粗粒土地层的开挖面的水土压力之和；然后降低所述压力舱内的泥浆液面至维修面高度以下，通过所述盾构机气垫舱内的气压支护所述开挖面，技术人员经过加减压过程，进行带压开舱作业；
9) 一次舱内带压操作结束后，工作人员出舱，然后重新升起所述较高密度的稠泥浆液位至充满压力舱，使所述较高密度的稠泥浆在所述盾构机按照正常掘进时的泥浆压力向所述开挖面的渗透，对带压开舱作业时暴漏在压缩空气中的所述泥皮型泥膜进行修补；然后，重复进行降低泥浆液位、人员加减压和进出舱作业，直至完成全部的舱内带压检修和更换的工作。
其中，泥浆在地层中的渗透规律是：选取粗粒土的D15为砂层控制粒径，D15表示小于某粒径的砂粒占总量的15%对应的粒径值；d85为泥浆控制粒径，d85表示小于某粒径的砂粒占总量的85%对应的粒径值；当D15/ d85≥10，泥浆会向地层中渗透一段距离，形成渗透带；当D15/ d85≤5时，泥浆颗粒无法渗入地层孔隙，全部堵塞在地层表面，形成一层致密的泥皮；当5≤D15/ d85≤10时，泥浆向地层中渗透的情况介于两者之间，即能形成渗透带，也能形成泥皮。
泥浆的配制是以钠级膨润土配制基础泥浆（膨润土与水的质量比为1:10左右，密度1.04~1.06g/cm3，苏氏漏斗粘度值在18s~25s），通过添加黏粉土颗粒和CMC（羧甲基纤维素钠）溶液来调节的泥浆密度、粘度及颗粒级配；
步骤2）中的部分低密度稀泥浆颗粒堵塞在粗粒土地层的孔隙中，降低粗粒土地层的渗透性。
步骤4）中的较高密度的稠泥浆颗粒堵塞在粗粒土地层的表面形成致密的泥皮型泥膜，降低粗粒土地层的透气性。
步骤5）中的泥皮型泥膜闭气的室内实验是指采用土层和泥浆，在室内试验土柱中，形成泥皮型泥膜之后，排出泥浆，并使气压直接作用在泥皮型泥膜上，测试泥皮型泥膜在不同气压下的闭气规律。
步骤5）中的闭气值是指泥皮型泥膜所能承受的最大气压值，当气压大于最大气压值时，泥皮型泥膜将出现透气现象；当气压小于最大气压值时，则泥皮型泥膜处于完全的闭气状态。
步骤9）中，根据泥膜的闭气效果和进舱人员的身体情况确定一次舱内带压操作的时间，一次舱内带压操作时间在1h~4h。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种粗粒土地层中盾构机带压开舱方法，其特征在于，包括以下步骤：
1) 采集盾构停机所处位置的粗粒土地层的颗粒级配，结合泥浆在地层中的渗透规律，配制能进入地层一段距离的低密度稀泥浆；
2) 用所述低密度稀泥浆置换所述盾构机压力舱中的掘进泥浆，然后所述盾构机按照正常掘进时的泥浆压力将所述低密度稀泥浆向所述粗粒土地层中渗透一段距离，直到所述盾构机压力舱内的低密度稀泥浆液面不再降低，此时在所述粗粒土地层中形成一段稳定的渗透带；
3) 根据已采集所述粗粒土地层的颗粒级配，结合泥浆在地层中的渗透规律，配制能在所述粗粒土地层表面形成一层致密的泥皮型泥膜的较高密度的稠泥浆；
4) 用所述较高密度的稠泥浆置换盾构机压力舱内的低密度的稀泥浆，然后所述盾构机按照正常掘进时的泥浆压力将所述较高密度的稠泥浆向所述粗粒土地层中渗透，直到所述盾构机压力舱内的较高密度的稠泥浆液面保持稳定，所述较高密度的稠泥浆将在所述粗粒土地层表面形成一层致密的泥皮型泥膜；
5) 通过泥皮型泥膜闭气的室内试验来测定所述泥皮型泥膜的闭气值；若所述泥皮型泥膜的闭气值小于所述粗粒土地层的土压力，则重复步骤1)-5)，直至所述泥皮型泥膜的闭气值不小于所述粗粒土地层的土压力；
6) 设定所述盾构机气垫舱内的气压值，使所述盾构机气垫舱内气压值不大于所述泥皮型泥膜的闭气值与所述粗粒土地层的水压力之和，不小于位于所述渗透带和粗粒土地层的开挖面的水土压力之和；然后降低所述压力舱内的所述较高密度的稠泥浆液面至压力舱三分之一高度，通过所述盾构机气垫舱内的气压支护所述开挖面，对泥皮型泥膜的闭气效果进行原位测试，明确所述气垫舱的漏气量，以确定现场空气压缩机的数量和功率大小；
7) 重新上升所述较高密度的稠泥浆液位至充满所述压力舱，根据所述泥皮型泥膜的闭气效果，设定所述较高密度的稠泥浆在所述盾构机正常掘进时的泥浆压力下向所述开挖面的渗透时间，对原位测试时暴露在压缩空气中的所述泥皮型泥膜进行修补；
8) 设定所述盾构机气垫舱内的气压值，使所述盾构机气垫舱内气压值不大于所述泥皮型泥膜的闭气值与所述粗粒土地层的水压力之和，不小于位于所述渗透带和粗粒土地层的开挖面的水土压力之和；然后降低所述压力舱内的泥浆液面至维修面高度以下，通过所述盾构机气垫舱内的气压支护所述开挖面，技术人员经过加减压过程，进行带压开舱作业；
9) 一次舱内带压操作结束后，工作人员出舱，然后重新升起所述较高密度的稠泥浆液位至充满压力舱，使所述较高密度的稠泥浆在所述盾构机按照正常掘进时的泥浆压力向所述开挖面的渗透，对带压开舱作业时暴漏在压缩空气中的所述泥皮型泥膜进行修补；然后，重复进行降低泥浆液位、人员加减压和进出舱作业，直至完成全部的舱内带压检修和更换的工作。
2.根据权利要求1所述的一种粗粒土地层中盾构机带压开舱方法，其特征在于，所述泥浆在地层中的渗透规律是：选取粗粒土的D15为砂层控制粒径，D15表示小于某粒径的砂粒占总量的15%对应的粒径值；d85为泥浆控制粒径，d85表示小于某粒径的砂粒占总量的85%对应的粒径值；当D15/ d85≥10，泥浆会向地层中渗透一段距离，形成渗透带；当D15/ d85≤5时，泥浆颗粒无法渗入地层孔隙，全部堵塞在地层表面，形成一层致密的泥皮；当5≤D15/ d85≤10时，泥浆向地层中渗透的情况介于两者之间，即能形成渗透带，也能形成泥皮。
3.根据权利要求2所述的一种粗粒土地层中盾构机带压开舱方法，其特征在于，采用钠级膨润土配制基础泥浆，膨润土与水的质量比为1:10左右，密度为1.04~1.06g/cm3，苏氏漏斗粘度值为18s~25s，通过添加黏粉土颗粒和羧甲基纤维素钠溶液来调节泥浆密度、粘度及颗粒级配。
4.根据权利要求3所述的一种粗粒土地层中盾构机带压开舱方法，其特征在于，所述步骤2）中的部分低密度稀泥浆颗粒堵塞在所述粗粒土地层的孔隙中，降低所述粗粒土地层的渗透性。
5.根据权利要求4所述的一种粗粒土地层中盾构机带压开舱方法，其特征在于，所述步骤4）中的所述较高密度的稠泥浆颗粒堵塞在所述粗粒土地层的表面形成致密泥皮型泥膜，所述致密泥皮型泥膜降低了所述粗粒土地层的透气性。
6.根据权利要求5所述的一种粗粒土地层中盾构机带压开舱方法，其特征在于，所述泥皮型泥膜闭气的室内实验是指采用土层和泥浆，在室内试验土柱中，形成泥皮型泥膜之后，排出泥浆，并使气压直接作用在所述泥皮型泥膜上，测试所述泥皮型泥膜在不同气压下的闭气规律。
7.根据权利要求6所述的一种粗粒土地层中盾构机带压开舱方法，其特征在于，步骤5）中的闭气值是指所述泥皮型泥膜所能承受的最大气压值，当气压大于所述最大气压值时，所述泥皮型泥膜将出现透气现象；当气压小于所述最大气压值时，则泥膜处于完全的闭气状态。
8.根据权利要求7所述的一种粗粒土地层中盾构机带压开舱方法，其特征在于，根据泥膜的闭气效果和进舱人员的身体情况确定一次舱内带压操作的时间，一次舱内带压操作时间在1h~4h。
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Application publication date: 20140806 Assignee: Nanjing tungtong Construction Technology Co.,Ltd. Assignor: HOHAI University Contract record no.: X2020320000373 Denomination of invention: A method of shield machine cabin opening under pressure in coarse grained soil Granted publication date: 20160323 License type: Common License Record date: 20201218 |