CN105201520A - 砂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良工艺 - Google Patents

Abstract

砂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良工艺，它涉及地层盾构施工技术领域，它的改良工艺如下：1、土地改良剂的选择；2、土地改良；3、施工质量控制；4、土体改良效果及分析。它改良工艺简单，改良后的渣土能够防止渣土在刀盘上形成泥饼、在土舱内积压、堵舱，在螺旋输送机出产生堵塞、喷涌、刀盘和刀具磨损等。

Description

砂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良工艺

技术领域：

本发明涉及地层盾构施工技术领域，具体涉及一种砂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良工艺。

背景技术：

土压平衡盾构施工过程中，如何防止渣土在刀盘上形成泥饼、在土舱内积压、堵舱，在螺旋输送机出产生堵塞、喷涌、刀盘和刀具磨损等，仍是目前盾构隧道施工所面临的主要难题。

在砂卵石地层施工中，由于地层力学性质不稳定，卵砾石含量高，颗粒之间空隙大，无粘聚力，使得开挖土体塑流性差，盾构推力、扭矩大、刀盘、刀具及螺旋输送机磨损严重，推进速度极其缓慢，且地层在盾构施工扰动下稳定较差，给工程施工造成了极大的困难。

因此，如何进行有效的渣土改良，对盾构施工至关重要，渣土改良效果的好坏，将直接影响到盾构掘进速度、开挖成本，甚至将直接影响工程的成败。目前关于渣土改良性能评价主要是以室内试验研究为主的岩土工程和混凝土的试验方法，如坍落度试验、搅拌试验、渗透试验、压缩试验、稠度试验、剪切试验、安定性试验等。

上述试验和评价方法针对特定取样土，不能真实反映原状土的特性和施工环境的影响。同时，考虑现场因素影响的砂卵石地层渣土改良试验较少。

发明内容：

本发明的目的是提供砂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良工艺，它改良工艺简单，改良后的渣土能够防止渣土在刀盘上形成泥饼、在土舱内积压、堵舱，在螺旋输送机出产生堵塞、喷涌、刀盘和刀具磨损等。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它的改良工艺如下：

1、土地改良剂的选择：在砂卵石地层中施工时时，为了避免土体塑流性不佳而发生一系列施工问题，通常的办法就是向开挖面及土舱内注入一定比例的土体改良剂来改变土体的状态，使其达到盾构正常掘进的要求；应用于土压平衡盾构施工的土体改良材料有多种类型，较为常用的大致有四类，其中泡沫和膨润土最为常，适用于泡沫剂进行土体改良的地层主要有：颗粒级配相对良好的土体、平均粒径较大的土体、水量较高的土体；适用于膨润土进行土体改良的地层主要有：细粒含量少的土体、透水性高的土体；

1.1、土体改良剂配比：根据现场施工经验，分别选取泡沫和两种膨润土(钠基膨润土和钙基膨润土)较为合适的配比，进行对比分析；

1.2、土体改良参数的确定：掘进初期，设立试验段，单独注入泡沫时，对渣土的改良效果较差，除推力、扭矩较大及掘进速度较慢外，螺旋机还有喷涌现象。单独注入膨润土时推力、扭矩大及掘进速度慢的现象依然存在，经过调研后，除了提高膨润土质量、比重外，采取膨润土与泡沫按一定比例注入，并通过实际参数对比总结：最佳注入量为泡沫400-500L/min，膨润土为90-110L/min；

2、土地改良：区间采用泡沫和膨润土泥浆相结合并在刀盘前分区式注入的方式进行土体改良，膨润土发酵设备的与膨润土的发酵效果直接相关，在掘进初期，使用普通发酵箱进行膨润土发酵，结果大量膨润土直接沉淀结块，发酵后的膨润土不仅浓度达不到要求，而且还有大量块状膨润土导入盾构机的膨润土箱，经常造成膨润土系统管路不通，基于反复试验结果，对原有膨润土发酵箱进行了改造，并加入搅拌系统，解决了膨润土沉淀的问题；

3、施工质量控制：

3.1、泡沫发泡效果质量控制：为保证泡沫的发泡效果，盾构机上的泡沫系统调试时，通过调节泡沫系统各路的电动球阀，尽量使实际发泡率与设定发泡率保持一致，再通过泡沫效果观察口观察泡沫发泡效果，喷射出的泡沫以能够堆积为好；

3.2、出渣质量控制：螺旋机出渣情况最能直观反映出土仓内渣土改良情况，控制好出渣情况能有效控制渣土改良情况，掘进过程主要从以下几个方面控制：(1)泡沫含量控制：如果泡沫加入量适合，在螺旋机所出的渣土中会看到明显的气泡，特别是在砂卵石地层中，细颗粒沙粒间的间隙中会有气泡填充，当泡沫加入量不够，渣土流动性不好，分散不均匀，此时应加大泡沫注入量，而泡沫加入过多则会有白色泡沫自螺旋机中流出，造成浪费；(2)水含量控制：螺旋机所出的渣土含水量过低，渣土干燥，说明加入水量不够，在砂卵石地层中特别容易导致螺旋机堵塞，应该立即加大泡沫注入量，或则单独用一个管加水，保证足够的水量注入，如果加入的水量过多，则会出现渣土与水的离析现象，大颗粒卵石会出入土仓底部，使刀盘扭矩增大，出现这种情况应立即增大膨润土浓度，加大泡沫发泡率，以降低水的总注入量；(3)出渣均匀性控制：当土仓土体搅拌不均匀时，螺旋机所出渣土会出现时干时稀的情况，而且经常出现大块渣土，出现这种情况应当适当增大刀盘转速，降低掘进速度，掘进前提前开始转动刀盘，使土仓土体尽量搅拌均匀；

4、土体改良效果及分析：

4.1、出渣效果检测与分析：渣土具有良好的流动性，颗粒之间的摩擦力减小，特别是大颗粒完全被细颗粒包裹，不仅能顺利被携裹出土仓，而且大颗粒由于直接接触面减小，摩擦力也会降低，有效的降低了刀盘的搅拌扭矩，减少刀盘的磨损；

4.2、掘进参数检测与分析：(1)刀盘转速与推力、扭矩的关系：地层主要是以砂卵石为主，刀盘转速一般设为1.0～1.3转；(2)渣土改良对渣温影响：区间试掘进阶段，采用只注入泡沫的渣土改良方案，卵石大颗粒无法出土仓，大都沉积在土仓底部，卵石间摩擦力很大，刀盘转动过程中产生大量的热量，而且由于掘进速度缓慢，一环掘进时间过长，也会有大量的热量产生，在采用膨润土和泡沫混合注入后，土仓内沉积的大颗粒卵石大都被带出，土仓内渣土混合均匀，流动性强，颗粒间由于填充有膨润土和泡沫，摩擦力降低，而且掘进速度大幅增高，因此每环产生的热量较以前降低很多；(3)渣土改良对土压的影响：渣土改良技术对土压的影响主要在停机后土仓的保压状况。砂卵石地层中，由于卵石颗粒间含有大量空隙，在停机状态下，土仓泄压快、幅度大，停机40min后，上部土压降到0.01Mpa，采用膨润土与泡沫混合注入后，掌子面上形成的泥膜有很好的防渗性能，土仓土压降到0.04Mpa后不再下降，良好的保压性能有效的防止停机状态下掌子面土层塌落，从而减少地表沉降。

本发明具有以下有益效果：它改良工艺简单，改良后的渣土能够防止渣土在刀盘上形成泥饼、在土舱内积压、堵舱，在螺旋输送机出产生堵塞、喷涌、刀盘和刀具磨损等。

具体实施方式：

本具体实施方式它改良工艺简单，改良后的渣土能够防止渣土在刀盘上形成泥饼、在土舱内积压、堵舱，在螺旋输送机出产生堵塞、喷涌、刀盘和刀具磨损等。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它的改良工艺如下：

1、土地改良剂的选择：在砂卵石地层中施工时时，为了避免土体塑流性不佳而发生一系列施工问题，通常的办法就是向开挖面及土舱内注入一定比例的土体改良剂来改变土体的状态，使其达到盾构正常掘进的要求；应用于土压平衡盾构施工的土体改良材料有多种类型，较为常用的大致有四类，其中泡沫和膨润土最为常，适用于泡沫剂进行土体改良的地层主要有：颗粒级配相对良好的土体、平均粒径较大的土体、水量较高的土体；适用于膨润土进行土体改良的地层主要有：细粒含量少的土体、透水性高的土体；

1.1、土体改良剂配比：根据现场施工经验，分别选取泡沫和两种膨润土(钠基膨润土和钙基膨润土)较为合适的配比，进行对比分析，对比分析见下表：

表1Na、Ca基膨润土比较

表2膨润土与渣土的配比

1.2、土体改良参数的确定：掘进初期，设立试验段，单独注入泡沫时，对渣土的改良效果较差，除推力、扭矩较大及掘进速度较慢外，螺旋机还有喷涌现象。单独注入膨润土时推力、扭矩大及掘进速度慢的现象依然存在，经过调研后，除了提高膨润土质量、比重外，采取膨润土与泡沫按一定比例注入，并通过实际参数对比总结：最佳注入量为泡沫400-500L/min，膨润土为90-110L/min；

2、土地改良：区间采用泡沫和膨润土泥浆相结合并在刀盘前分区式注入的方式进行土体改良，膨润土发酵设备的与膨润土的发酵效果直接相关，在掘进初期，使用普通发酵箱进行膨润土发酵，结果大量膨润土直接沉淀结块，发酵后的膨润土不仅浓度达不到要求，而且还有大量块状膨润土导入盾构机的膨润土箱，经常造成膨润土系统管路不通，基于反复试验结果，对原有膨润土发酵箱进行了改造，并加入搅拌系统，解决了膨润土沉淀的问题；

3、施工质量控制：

3.1、泡沫发泡效果质量控制：为保证泡沫的发泡效果，盾构机上的泡沫系统调试时，通过调节泡沫系统各路的电动球阀，尽量使实际发泡率与设定发泡率保持一致，再通过泡沫效果观察口观察泡沫发泡效果，喷射出的泡沫以能够堆积为好；

3.2、出渣质量控制：螺旋机出渣情况最能直观反映出土仓内渣土改良情况，控制好出渣情况能有效控制渣土改良情况，掘进过程主要从以下几个方面控制：(1)泡沫含量控制：如果泡沫加入量适合，在螺旋机所出的渣土中会看到明显的气泡，特别是在砂卵石地层中，细颗粒沙粒间的间隙中会有气泡填充，当泡沫加入量不够，渣土流动性不好，分散不均匀，此时应加大泡沫注入量，而泡沫加入过多则会有白色泡沫自螺旋机中流出，造成浪费；(2)水含量控制：螺旋机所出的渣土含水量过低，渣土干燥，说明加入水量不够，在砂卵石地层中特别容易导致螺旋机堵塞，应该立即加大泡沫注入量，或则单独用一个管加水，保证足够的水量注入，如果加入的水量过多，则会出现渣土与水的离析现象，大颗粒卵石会出入土仓底部，使刀盘扭矩增大，出现这种情况应立即增大膨润土浓度，加大泡沫发泡率，以降低水的总注入量；(3)出渣均匀性控制：当土仓土体搅拌不均匀时，螺旋机所出渣土会出现时干时稀的情况，而且经常出现大块渣土，出现这种情况应当适当增大刀盘转速，降低掘进速度，掘进前提前开始转动刀盘，使土仓土体尽量搅拌均匀；

4、土体改良效果及分析：

4.1、出渣效果检测与分析：渣土具有良好的流动性，颗粒之间的摩擦力减小，特别是大颗粒完全被细颗粒包裹，不仅能顺利被携裹出土仓，而且大颗粒由于直接接触面减小，摩擦力也会降低，有效的降低了刀盘的搅拌扭矩，减少刀盘的磨损；

4.2、掘进参数检测与分析：(1)刀盘转速与推力、扭矩的关系：地层主要是以砂卵石为主，刀盘转速一般设为1.0～1.3转；(2)渣土改良对渣温影响：区间试掘进阶段，采用只注入泡沫的渣土改良方案，卵石大颗粒无法出土仓，大都沉积在土仓底部，卵石间摩擦力很大，刀盘转动过程中产生大量的热量，而且由于掘进速度缓慢，一环掘进时间过长，也会有大量的热量产生，在采用膨润土和泡沫混合注入后，土仓内沉积的大颗粒卵石大都被带出，土仓内渣土混合均匀，流动性强，颗粒间由于填充有膨润土和泡沫，摩擦力降低，而且掘进速度大幅增高，因此每环产生的热量较以前降低很多；(3)渣土改良对土压的影响：渣土改良技术对土压的影响主要在停机后土仓的保压状况。砂卵石地层中，由于卵石颗粒间含有大量空隙，在停机状态下，土仓泄压快、幅度大，停机40min后，上部土压降到0.01Mpa，采用膨润土与泡沫混合注入后，掌子面上形成的泥膜有很好的防渗性能，土仓土压降到0.04Mpa后不再下降，良好的保压性能有效的防止停机状态下掌子面土层塌落，从而减少地表沉降。

本具体实施方式具有以下有益效果：它改良工艺简单，改良后的渣土能够防止渣土在刀盘上形成泥饼、在土舱内积压、堵舱，在螺旋输送机出产生堵塞、喷涌、刀盘和刀具磨损等。

以上所述仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.砂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良工艺，其特征在于它的改良工艺如下：

(1)、土地改良剂的选择：在砂卵石地层中施工时时，为了避免土体塑流性不佳而发生一系列施工问题，通常的办法就是向开挖面及土舱内注入一定比例的土体改良剂来改变土体的状态，使其达到盾构正常掘进的要求；应用于土压平衡盾构施工的土体改良材料有多种类型，较为常用的大致有四类，其中泡沫和膨润土最为常，适用于泡沫剂进行土体改良的地层主要有：颗粒级配相对良好的土体、平均粒径较大的土体、水量较高的土体；适用于膨润土进行土体改良的地层主要有：细粒含量少的土体、透水性高的土体；

(1.1)、土体改良剂配比：根据现场施工经验，分别选取泡沫和两种膨润土较为合适的配比，进行对比分析；

(1.2)、土体改良参数的确定：掘进初期，设立试验段，单独注入泡沫时，对渣土的改良效果较差，除推力、扭矩较大及掘进速度较慢外，螺旋机还有喷涌现象，单独注入膨润土时推力、扭矩大及掘进速度慢的现象依然存在，经过调研后，除了提高膨润土质量、比重外，采取膨润土与泡沫按一定比例注入，并通过实际参数对比总结：最佳注入量为泡沫400-500L/min，膨润土为90-110L/min；

(2)、土地改良：区间采用泡沫和膨润土泥浆相结合并在刀盘前分区式注入的方式进行土体改良，膨润土发酵设备的与膨润土的发酵效果直接相关，在掘进初期，使用普通发酵箱进行膨润土发酵，结果大量膨润土直接沉淀结块，发酵后的膨润土不仅浓度达不到要求，而且还有大量块状膨润土导入盾构机的膨润土箱，经常造成膨润土系统管路不通，基于反复试验结果，对原有膨润土发酵箱进行了改造，并加入搅拌系统，解决了膨润土沉淀的问题；

(3)、施工质量控制：

(3.1)、泡沫发泡效果质量控制：为保证泡沫的发泡效果，盾构机上的泡沫系统调试时，通过调节泡沫系统各路的电动球阀，尽量使实际发泡率与设定发泡率保持一致，再通过泡沫效果观察口观察泡沫发泡效果，喷射出的泡沫以能够堆积为好；

(3.2)、出渣质量控制：螺旋机出渣情况最能直观反映出土仓内渣土改良情况，控制好出渣情况能有效控制渣土改良情况，掘进过程主要从以下几个方面控制：(1)泡沫含量控制：如果泡沫加入量适合，在螺旋机所出的渣土中会看到明显的气泡，特别是在砂卵石地层中，细颗粒沙粒间的间隙中会有气泡填充，当泡沫加入量不够，渣土流动性不好，分散不均匀，此时应加大泡沫注入量，而泡沫加入过多则会有白色泡沫自螺旋机中流出，造成浪费；(2)水含量控制：螺旋机所出的渣土含水量过低，渣土干燥，说明加入水量不够，在砂卵石地层中特别容易导致螺旋机堵塞，应该立即加大泡沫注入量，或则单独用一个管加水，保证足够的水量注入，如果加入的水量过多，则会出现渣土与水的离析现象，大颗粒卵石会出入土仓底部，使刀盘扭矩增大，出现这种情况应立即增大膨润土浓度，加大泡沫发泡率，以降低水的总注入量；(3)出渣均匀性控制：当土仓土体搅拌不均匀时，螺旋机所出渣土会出现时干时稀的情况，而且经常出现大块渣土，出现这种情况应当适当增大刀盘转速，降低掘进速度，掘进前提前开始转动刀盘，使土仓土体尽量搅拌均匀；

(4)、土体改良效果及分析：

(4.1)、出渣效果检测与分析：渣土具有良好的流动性，颗粒之间的摩擦力减小，特别是大颗粒完全被细颗粒包裹，不仅能顺利被携裹出土仓，而且大颗粒由于直接接触面减小，摩擦力也会降低，有效的降低了刀盘的搅拌扭矩，减少刀盘的磨损；

(4.2)、掘进参数检测与分析：(1)刀盘转速与推力、扭矩的关系：地层主要是以砂卵石为主，刀盘转速一般设为1.0～1.3转；(2)渣土改良对渣温影响：区间试掘进阶段，采用只注入泡沫的渣土改良方案，卵石大颗粒无法出土仓，大都沉积在土仓底部，卵石间摩擦力很大，刀盘转动过程中产生大量的热量，而且由于掘进速度缓慢，一环掘进时间过长，也会有大量的热量产生，在采用膨润土和泡沫混合注入后，土仓内沉积的大颗粒卵石大都被带出，土仓内渣土混合均匀，流动性强，颗粒间由于填充有膨润土和泡沫，摩擦力降低，而且掘进速度大幅增高，因此每环产生的热量较以前降低很多；(3)渣土改良对土压的影响：渣土改良技术对土压的影响主要在停机后土仓的保压状况，砂卵石地层中，由于卵石颗粒间含有大量空隙，在停机状态下，土仓泄压快、幅度大，停机40min后，上部土压降到0.01Mpa，采用膨润土与泡沫混合注入后，掌子面上形成的泥膜有很好的防渗性能，土仓土压降到0.04Mpa后不再下降，良好的保压性能有效的防止停机状态下掌子面土层塌落，从而减少地表沉降。