CN105464674A - 盾构法隧道施工中带压换刀施工方法 - Google Patents

盾构法隧道施工中带压换刀施工方法 Download PDF

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本发明涉及一种盾构法隧道施工中带压换刀施工方法，其具体步骤是：（1）配制泥膜制作专用的水泥膨润土浆液；（2）向盾构机土仓内压住水泥膨润土浆液，制作泥膜；（3）泥膜制作完成后进行带压换刀施工。本发明通过气压代替土压，通过在土仓内建立合理的气压来平衡刀盘前方水、土压力，达到稳定开挖面和防止地下水渗入的目的，本发明采用简单易行的施工方法，解决了施工中不良地质中换刀施工的问题，达到安全、快速换刀的目的，大大缩减了施工周期。

Description

盾构法隧道施工中带压换刀施工方法
技术领域
本发明涉及一种盾构在复杂地质条件下的施工方法，尤其是一种地铁盾构法隧道施工中利用水泥膨润土制作泥膜进行带压换刀施工方法。
背景技术
随着城市地铁建设的发展，在硬土地区进行盾构施工情况越来越多，由于硬土地区主要以残疾土层为主，盾构机在此类土层中掘进易产生泥饼或磨损刀具。因此，研究分析出一套通俗有效的带压换刀方法，成为一个亟待解决的难题。
针对盾构机在残积土等硬土地层中掘进的施工特点，对盾构机带压换刀技术进行研究，发展出一套盾构机利用水泥膨润土制作开挖面泥膜进行带压换刀施工技术，加强了盾构机在复杂地层下带压换刀施工的安全性，增加了人员出仓的次数，提高了盾构机换刀的效能，从而缩减了盾构施工工期。通过一整套施工控制技术的推广与运用，可为全社会节约资源，提高经济效率。
发明内容
本发明是要提供一种地铁盾构法隧道施工中带压换刀施工方法，来达到完善的盾构带压换刀的目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种地铁盾构法隧道施工中带压换刀施工方法，具体步骤为：
(1)配置泥膜制作专用的水泥膨润土浆液；
(2)向盾构机土仓内压住水泥膨润土浆液，制作泥膜；
(3)泥膜制作完成后进行带压换刀施工。
所述向盾构机土仓内压注水泥膨润土浆液，使土仓内充满水泥膨润土浆液，使得土仓内压力至3.5bar时停止压注，当压力值降至3.0bar时，继续压注水泥膨润土浆液，最终使土仓压力能在3.0bar值保持在2h内不出现下降时，否则继续压注水泥膨润土浆液操作，同时缓慢转动刀盘，使得土仓内水泥膨润土浆液充分渗入至周边土层；同时松开盾构千斤顶油缸约10cm，过程中不断向土仓内压注水泥膨润土浆液，保持土仓内压力值维持在3.5bar，使得盾构机在前方压力的作用下向后回退约10cm。
所述制作泥膜的具体方法：利用水泥膨润土浆液对开挖面土体进行气密性改良，在保证刀盘前方周围地层和土仓满足气密性要求的条件下，利用空气压缩机将压缩空气注入土仓，边出土边注入空气，逐步置换土仓内渣土，以气压代替土压，通过在土仓内建立气压来平衡刀盘前方水、土压力，达到稳定开挖面和防止地下水渗入的目的，使作业人员在气压条件下，安全地进入土仓内进行检查和刀具更换作业。
本发明的有益效果是：
本发明能够实现地铁盾构法隧道施工中利用水泥膨润土制作开挖面泥膜进行带压换刀施工，应用水泥膨润土制作开挖面泥膜进行带压换刀施工技术，加强了盾构机在复杂地层下带压换刀施工的安全性，增加了人员出仓的次数，提高了盾构机换刀的效能，从而缩减了盾构施工工期。通过一整套施工控制技术的推广与运用，可为全社会节约资源，提高经济效率。
附图说明
图1为泥膜制作流程示意图；
图2为带压换刀流程示意图。
具体实施方式
一种地铁盾构法隧道施工中利用水泥膨润土制作泥膜进行带压换刀施工方法，其具体施工步骤如下：
(1)工作原理
利用水泥膨润土浆液对开挖面土体进行气密性改良，在保证刀盘前方周围地层和土仓满足气密性要求的条件下，利用空气压缩机将压缩空气注入土仓，边出土边注入空气，逐步置换土仓内渣土，以气压代替土压，通过在土仓内建立合理的气压来平衡刀盘前方水、土压力，达到稳定开挖面和防止地下水渗入的目的。作业人员在气压条件下，安全地进入土仓内进行检查和刀具更换等作业。
压缩空气对开挖面的稳定作用，主要包括以下3方面:①可阻止来自开挖面的涌水，防止开挖面坍塌；②由于气压作用于开挖面，能够直接加强开挖面的稳定性；③由于气压对围岩缝隙起到排挤水的作用，增加了土层颗粒间的有效应力，提高了强度。
(2)泥膜制作
为使水泥膨润土浆液形成的泥塞效应达到减小土层渗透性的作用,需向盾构开挖面前方注入水泥膨润土浆液，浆液除在开挖面表层形成泥膜外还可以渗入孔隙通道一定深度堵塞渗水通道。
如图1所示，泥膜制作过程中水泥膨润土其粘稠度要达到90s。具体步骤如下：
1)水泥膨润土配合比
水(kg) 膨润土(kg) 水泥(kg) CMC(kg)
1000 100 100 5
2)泥膜制作工作应在正式开仓换刀施工前约两天进行；
3)螺旋机出土将土仓内土方降至盾构中心轴线位置；
4)土仓内压注水泥膨润土浆液，使土仓内充满水泥膨润土浆液，使得土仓内压力至3.5bar时停止压注，当压力值降至3.0bar时，继续压注水泥膨润土浆液。最终使土仓压力能在3.0bar值保持在2h内不出现下降时，否则继续压注水泥膨润土浆液操作，同时缓慢转动刀盘，使得土仓内水泥膨润土浆液充分渗入至周边土层；同时松开盾构千斤顶油缸约10cm，过程中不断向土仓内压注水泥膨润土浆液，保持土仓内压力值维持在3.5bar，使得盾构机在前方压力的作用下向后回退约10cm(尽可能的为后续换刀腾出些许空间)；
4)当盾构机千斤顶再次顶再管片上时，泥膜制作结束；
5)在正式开仓换刀前，土仓内压力值应始终保持在3.0bar左右。
(3)工作气压值确定
工作气压指工作时土仓内的气压。压力越高，越能提高掌子面的稳定性。但从作业效率和进仓作业者的健康角度考虑，则取低值较好。所以在确定工作气压时，可先计算出能稳定掌子面的最低气压，工作气压在此基础上考虑一定的安全系数。对于富水砂卵石地层，宜按水土分算考虑。
1)水土合算
水土合算的原则是,认为土孔隙中不存在自由的重力水,而存在结合水,它不传递静水压力,以土粒与孔隙水共同组成的土体作为对象,直接用土的饱和重度计算侧压力。这一原则适用于不透水的粘土层。
具体有两种计算方法:
①经典理论模式
按朗金理论,并考虑地面超载的影响,水土合算的主动土压力和被动土压力的计算公式为式(1)、式(2),两式中的土的重度均为天然重度,即使是在地下水位以下也不采用浮重度。
Pa＝(q+∑γihi)Ka-2cKa(1)
Pp＝∑γihi·Kp+2cKp(2)
式中Pa—主动土压力强度；
Pp—被动土压力强度；
γi—各层土的天然重度；
Ka—主动土压力系数,Ka＝tg2(45°-φ/2)；
Kp—被动土压力系数,Kp＝tg2(45°+φ/2)；
c、φ—分别为土的粘聚力和内摩擦角。
②经验系数法
土的物性参数c、φ等值的确定,有一定的随机性和人为性,完全依据地质勘察报告给出的参数进行计算,有时并不一定合理。某一地区范围内的各施工现场的土层类别虽有差异但也有共性,在大量工程实践的基础上,根据统计分析,直接给出某一地区的土压力计算公式已成为可能。例如,上海地区实测水土压力的总的侧压力系数为0.55～0.75之间；而天津地铁基坑设计过程中,水土压力总的侧压力系数多取为0.7。
2)水土分算
水土分算原则,即分别计算土压力和水压力,两者之和即为总的侧压力。这一原则适用于土体孔隙中存在自由的重力水的情况,或土的渗透性较好的情况,一般适用于砂土、粉土和粉质粘土。
侧向土压力通常按朗金主动土压力和被动土压力计算,计算时地下水位以下的土的重度采用浮重度。朗金理论的基本假定为:
①挡土墙背竖直,墙面光滑,不计墙面和土层之间的摩擦力；
②挡土墙后填土的表面为水平面,土体向下和水平方向都能伸展到无穷,即为半无限空间；③挡土墙后填土处于极限平衡状态。在弹性均质的半空间体中,离开地表面深度为Z处的任意一点的竖向应力和水平应力分别为:σz＝γZ(1)，σx＝K0γZ(2)
③在朗金主动土压力状态下,最大主应力为σ1＝γZ,最小主应力为σ3＝Pa,Pa＝γZtg2(45°-φ/2)-2ctg(45°-φ/2)(3)
④在朗金被动土压力状态下,最大主应力为被动土压力σ1＝Pp,最小主应力为竖向压力σ3＝γZ,Pp＝γZtg2(45°+φ/2)+2ctg(45°+φ/2)(4)引入主动土压力系数Ka和被动土压力系数Kp,并令:
Ka＝tg2(45°-φ/2)(5)
Kp＝tg2(45°+φ/2)(6)
将式(5)、式(6)分别代入式(3)、式(4)得:Pa＝γZKa-2cKa(7)Pp＝γZKp+2cKp(8)
用朗金或库仑理论进行土压力计算时,通常要用到土的物性参数:重度γ、内摩擦角φ和粘聚力c。
⑤土层中水压力的计算:
Δpw1＝iaγwΔhw(9)
式中Δpw1—基坑开挖面处水压力修正值；ia—基坑外的近似水力坡度,ia＝0.7ΔhwHw1+hw1hw2
Δhw—基坑内、外侧地下水位之差；
hw1,hw2—分别为基坑内、外侧地下水位至挡土结构底端的高度。挡土结构底端处的水压力由基坑开挖深度处的静水压力γwΔhw减去Δpw2计算,即
Δpw2＝iaγwΔhw1+ipγwΔhw2(10)
式中Δpw2—基坑开挖面处水压力修正值；ip—基坑内被动区的近似水力坡度,ip＝0.7Δhw*hw2+hw1*hw2。
如图2所示，泥膜制作完成后进行带压换刀施工。

Claims (3)

1.一种盾构法隧道施工中带压换刀施工方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）配置泥膜制作专用的水泥膨润土浆液；
（2）向盾构机土仓内压住水泥膨润土浆液，制作泥膜；
（3）泥膜制作完成后进行带压换刀施工。
2.根据权利要求1所述的盾构法隧道施工中带压换刀施工方法，其特征在于：所述向盾构机土仓内压注水泥膨润土浆液，使土仓内充满水泥膨润土浆液，使得土仓内压力至3.5bar时停止压注，当压力值降至3.0bar时，继续压注水泥膨润土浆液，最终使土仓压力能在3.0bar值保持在2h内不出现下降时，否则继续压注水泥膨润土浆液操作，同时缓慢转动刀盘，使得土仓内水泥膨润土浆液充分渗入至周边土层；同时松开盾构千斤顶油缸约10cm，过程中不断向土仓内压注水泥膨润土浆液，保持土仓内压力值维持在3.5bar，使得盾构机在前方压力的作用下向后回退约10cm。
3.根据权利要求1所述的盾构法隧道施工中带压换刀施工方法，其特征在于：所述制作泥膜的具体方法：利用水泥膨润土浆液对开挖面土体进行气密性改良，在保证刀盘前方周围地层和土仓满足气密性要求的条件下，利用空气压缩机将压缩空气注入土仓，边出土边注入空气，逐步置换土仓内渣土，以气压代替土压，通过在土仓内建立气压来平衡刀盘前方水、土压力，达到稳定开挖面和防止地下水渗入的目的，使作业人员在气压条件下，安全地进入土仓内进行检查和刀具更换作业。
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