CN106522966B - 砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法，其针对特定状况下的砂卵石地层结构，在矩形盾构顶掘机掘进及混凝土管节顶进时，通过制备的触变泥浆向其周围的土体进行注浆，将混凝土管节外壁与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，有效减少顶进过程中的摩阻力，同时，注入的触变泥浆还能起到填充地层空隙的作用，通过填补顶进过程中混凝土管节与周围土体之间产生的空隙，减小地层变形。

Description

砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法
技术领域
本发明属于建筑施工技术领域，特别涉及一种砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法。
背景技术
砂卵石地层矩形盾构顶掘施工过程中，由于该地层具有卵石粒径大、含量高、土体内摩擦角大等特点，需要采取措施减小顶进过程中的摩阻力，以降低顶掘施工过程中的顶推力。
以成都市四川大学地下停车场下穿人民南路矩形盾构顶掘人行通道工程为依托，成都市四川大学地下停车场下穿人民南路矩形盾构顶掘人行通道主要从卵石层中穿过，成都市人民南路三段砂卵石地层卵石含量高、土体摩阻力大，需要采取有效的减摩措施，以保证施工的正常进行。因此针对该砂卵石地层，在混凝土管节顶进过程中进行有效的减摩，对于整个通道的施工是至关重要的。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够有效降低顶掘施工过程中顶推力的砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法。
本发明的技术方案是这样实现的：砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）、对于砂卵石地层土体的分析，所述砂卵石地层包括卵石层和砂土层，所述卵石层的土体中，稍密卵石层的卵石含量为55%～60%，粒径为3 mm～5mm，中密卵石层的卵石含量为60%～70%，粒径为4 mm～5mm，密实卵石层的卵石含量大于70%，粒径为5 mm～8mm；所述砂土层的土体中，细砂层的层厚为1.5m～2.7m，中砂层的层厚为0.8m～1.1m，所述细砂层和中砂层均由长石、石英及砂岩的硬质颗粒组成；
b）、针对上述砂卵石地层的特有组成结构，制备触变泥浆，所述触变泥浆由钠基膨润土、纯碱、羧甲基纤维素、泥浆稳定剂以及水组成，其中钠基膨润土的质量百分比为9.5%～10.5%，纯碱的质量百分比为0.5%～0.7%，羧甲基纤维素的质量百分比为0.18%～0.28%，泥浆稳定剂的体积百分比为0.02%～0.06%，其余为水；
c）、在矩形盾构顶掘机掘进以及混凝土管节被顶进时均通过上述制备的触变泥浆进行注浆，注浆的范围包括盾构顶掘机自身及其后方的所有混凝土管节，盾构顶掘机沿盾体周圈全部进行注浆，后方混凝土管节与周围土体之间同样进行注浆，注浆顺序是从盾构顶掘机自身开始依次往后，直到所有混凝土管节全部注完。
本发明所述的砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法，其在所述步骤c）中，通过顶推油缸将放置于始发架上的混凝土管节顶入地层中，在所述混凝土管节上、沿其径向设置有多个减摩注浆孔，所述多个减摩注浆孔沿混凝土管节周向按一定间距分布，所述减摩注浆孔贯穿混凝土管节的内、外侧环面，在所述混凝土管节被顶入时，通过混凝土管节上预设的与减摩注浆孔连接的管路，将上述制备的触变泥浆注入到混凝土管节外周的土体内。
本发明所述的砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法，其在所述混凝土管节外表面涂抹有石蜡，所述触变泥浆、触变泥浆进入地层后形成的泥浆套以及混凝土管节上的石蜡共同构成混凝土管节被顶推油缸顶进时的砂卵石地层矩形盾构顶掘减摩体系。
本发明所述的砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法，其在新的混凝土管节拼装完成之后掘进开始之前需要整体进行1次注浆，在掘进过程中再进行2至3次注浆，每节混凝土管节每次注浆时间为18s～22s左右，理论注浆量为0.06方，注浆压力值为地层压力的1.3至1.4倍。
本发明针对特定状况下的砂卵石地层结构，在矩形盾构顶掘机掘进及混凝土管节顶进时，通过制备的触变泥浆向其周围的土体进行注浆，将混凝土管节外壁与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，有效减少顶进过程中的摩阻力，同时，注入的触变泥浆还能起到填充地层空隙的作用，通过填补顶进过程中混凝土管节与周围土体之间产生的空隙，减小地层变形。
本发明的有益效果是：
1、降低了顶掘施工过程中的顶推力，避免后靠墙承载过大的反力而影响结构的可靠性和稳定性。
2、填充混凝土管节与土体之间的空隙，在混凝土管节外周形成泥浆套支撑起隧洞，从而减小地面沉降的可能。
3、减小混凝土管节与土体之间的剪切摩擦力，从而减缓土体水平运动，避免产生背土效应。
4、砂卵石土体孔隙率大、渗透性强，通过混凝土管节外周形成的泥浆套，减缓触变泥浆在砂卵石地层中的渗透，取得理想的减摩效果。
具体实施方式
下面对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：一种砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法，包括以下步骤：
a）、对于砂卵石地层土体的分析，所述砂卵石地层包括卵石层和砂土层，所述卵石层的土体中，稍密卵石层的卵石含量为55%～60%，粒径为3 mm～5mm，天然重度γ为20.5kN/m3，变形模量Eo为20～26 Mpa，内摩擦角Φ为30°～37°，承载力特征值fak为300-350kPa；中密卵石层的卵石含量为60%～70%，粒径为4 mm～5mm，天然重度γ为21.0 kN/m3，变形模量Eo为30～36 Mpa，内摩擦角Φ为40°～45°，承载力特征值fak为500～560 kPa；密实卵石层的卵石含量大于70%，粒径为5 mm～8mm，天然重度γ为22.0 kN/m3，变形模量Eo为42～50 Mpa，内摩擦角Φ为42°～47°，承载力特征值fak为800～880 kPa；所述砂土层的土体中，细砂层的层厚为1.5m～2.7m，天然重度γ为18.5 kN/m3，变形模量Eo为6～9 Mpa，内摩擦角Φ为18°～23°，承载力特征值fak为90～100 kPa；中砂层的层厚为0.8m～1.1m，天然重度γ为19.0 kN/m3，变形模量Eo为7～10 Mpa，内摩擦角Φ为19°～24°，承载力特征值fak为110～120 kPa，所述细砂层和中砂层均由长石、石英及砂岩的硬质颗粒组成。
通过土体分析数据可知，矩形盾构顶掘穿越的砂卵石地层内摩擦角较大、卵石含量高，顶掘过程中需要克服的摩阻力较大，整体减摩难度大，而且本工程采用超大圆角矩形断面整体混凝土管节，施工过程中对减摩效果要求较高，另外，由于上述土层结构特性，减摩触变泥浆在砂卵石地层中流失较快，施工过程中采用的触变泥浆、注浆量以及注浆频率、注浆压力等与其他地层会有明显差别。因此针对该砂卵石地层制备适用于砂卵石地层矩形盾构顶掘减摩触变泥浆及注浆的控制对于整个通道的施工是至关重要的。
b）、针对上述砂卵石地层的特有组成结构，制备触变泥浆，所述触变泥浆由钠基膨润土、纯碱、羧甲基纤维素、泥浆稳定剂以及水组成，其中钠基膨润土的质量百分比为9.5%～10.5%，纯碱的质量百分比为0.5%～0.7%，羧甲基纤维素的质量百分比为0.18%～0.28%，泥浆稳定剂的体积百分比为0.02%～0.06%，其余为水，制备的触变泥浆密度为1.0～1.05g/cm3，触变泥浆的漏斗黏度为41～45Pa.s。在本实施例中，所述钠基膨润土的质量百分比为10%，纯碱的质量百分比为0.6%，羧甲基纤维素的质量百分比为0.25%，泥浆稳定剂的体积百分比为0.04%，其余为水，其密度为1.03g/cm3，漏斗黏度为42Pa.s。
由于砂卵石地层具有密实度高、自稳性差、大粒径漂石含量大、渗透性强以及卵石强度高、内摩擦角大等特点。要求注入减摩触变泥浆具有良好的流动性，迅速填充空隙之后能够在较短的时间内形成完整的泥浆套，充分发挥其减摩效果，减摩触变泥浆需要静置膨化12小时之后方可使用。
c）、在矩形盾构顶掘机掘进以及混凝土管节被顶进时均通过上述制备的触变泥浆进行注浆，减摩注浆一般分为同步注浆和二次补浆，同步注浆是为了形成良好的泥浆套，但是泥浆套在地层中会因失水或者固结而被破坏，二次补浆的目的就是确保泥浆套的完整性。根据本申请中该砂卵石地层的结构特性，在新的混凝土管节拼装完成之后掘进开始之前需要整体进行1次注浆，在掘进过程中再进行2至3次注浆，每节混凝土管节每次注浆时间为18s～22s左右，理论注浆量为0.06方，另外，合理的注浆压力能够保证减摩触变泥浆顺利通过减摩注浆孔进入土层，又不会对地层产生严重扰动，注浆压力过小会导致注浆量不足，无法形成泥浆套；注浆压力过大容易造成地面冒浆，同样无法形成完整的泥浆套；注浆压力要保持稳定，不稳定的注浆压力会破坏土体结构，引起后期固结沉降，本实施例中注浆压力值为地层压力的1.3至1.4倍。
注浆的范围包括盾构顶掘机自身及其后方的所有混凝土管节，盾构顶掘机沿盾体周圈全部进行注浆，后方混凝土管节与周围土体之间同样进行注浆，注浆顺序是从盾构顶掘机自身开始依次往后，直到所有混凝土管节全部注完。
其中，通过顶推油缸将放置于始发架上的混凝土管节顶入地层中，通常情况下，为了减小顶掘过程中的摩阻力，管节的外轮廓设计尺寸要比矩形盾构顶掘机的外轮廓尺寸小2～5cm，使得管节与周围土体之间产生空隙，在顶进曲线轨迹中存在许多这种空隙，在所述混凝土管节上、沿其径向设置有多个减摩注浆孔，所述多个减摩注浆孔沿混凝土管节周向按一定间距分布，所述减摩注浆孔贯穿混凝土管节的内、外侧环面。在相邻两个混凝土管节中，前一管节尾部的连接段与后一管节前部的钢环对应连接，所述多个减摩注浆孔设置在对应混凝土管节的连接段处。在顶掘过程中，通过减摩注浆孔向地层注入减摩触变泥浆，以减小摩阻力和主推油缸的顶推力，另外，通过注入的触变泥浆还可以填充地层孔隙，减小地层变形。
在所述混凝土管节被顶入时，通过混凝土管节上预设的与减摩注浆孔连接的管路，将上述制备的触变泥浆注入到混凝土管节外周的土体内，通过注浆孔进入地层的泥浆会填充管节与周围土体之间的空隙，抑制地层损失。在实际施工当中，泥浆流失、地下水影响、注浆工艺等因素可能会对减摩效果产生一定程度上的影响，但是注入减摩触变泥浆之后会大幅度降低摩阻力是毋庸置疑的，一般在充分注浆之后掘进，顶推力可以降低300至500吨。
此外，在所述混凝土管节外表面涂抹有石蜡，管节涂蜡能够在注浆减摩的基础上，进一步减小土层与管节之间的相互作用，管节表面涂抹全精炼石蜡之后，需要用火烘烤一遍使石蜡完全渗入混凝土表面。触变泥浆液通过减摩注浆孔进入地层，当注入的泥浆达到一定数量，在稳定的注浆压力作用下形成泥浆套，后续进入地层的触变泥浆不会继续向土层中渗透扩散，这些浆液会填充管节和泥浆套之间的空隙，因此，注入的触变泥浆、触变泥浆进入地层后形成的泥浆套以及混凝土管节上的石蜡共同构成混凝土管节被顶推油缸顶进时的砂卵石地层矩形盾构顶掘减摩体系。
在整个顶掘过程中的顶推力范围为400T至1600T。工程前期通过地质结构分析计算得出，矩形盾构顶掘机穿越本工程区域的砂卵石地层，顶推系统需要提供的最大推力至少为2800T，实际主推油缸设计最大推力值为3800T。而实际最大顶推力小于理论计算值，并且没有达到主推油缸最大顶推力设计值的一半，可见整个顶掘过程中注浆减摩和管节涂蜡减摩措施充分发挥了作用，取得了理想的减摩效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）、对于砂卵石地层土体的分析，所述砂卵石地层包括卵石层和砂土层，所述卵石层的土体中，稍密卵石层的卵石含量为55%～60%，粒径为3 mm～5mm，中密卵石层的卵石含量为60%～70%，粒径为4 mm～5mm，密实卵石层的卵石含量大于70%，粒径为5 mm～8mm；所述砂土层的土体中，细砂层的层厚为1.5m～2.7m，中砂层的层厚为0.8m～1.1m，所述细砂层和中砂层均由长石、石英及砂岩的硬质颗粒组成；
b）、针对上述砂卵石地层的特有组成结构，制备触变泥浆，所述触变泥浆由钠基膨润土、纯碱、羧甲基纤维素、泥浆稳定剂以及水组成，其中钠基膨润土的质量百分比为9.5%～10.5%，纯碱的质量百分比为0.5%～0.7%，羧甲基纤维素的质量百分比为0.18%～0.28%，泥浆稳定剂的体积百分比为0.02%～0.06%，其余为水；
c）、在矩形盾构顶掘机掘进以及混凝土管节被顶进时均通过上述制备的触变泥浆进行注浆，注浆的范围包括盾构顶掘机自身及其后方的所有混凝土管节，盾构顶掘机沿盾体周圈全部进行注浆，后方混凝土管节与周围土体之间同样进行注浆，注浆顺序是从盾构顶掘机自身开始依次往后，直到所有混凝土管节全部注完。
2.根据权利要求1所述的砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法，其特征在于：在所述步骤c）中，通过顶推油缸将放置于始发架上的混凝土管节顶入地层中，在所述混凝土管节上、沿其径向设置有多个减摩注浆孔，所述多个减摩注浆孔沿混凝土管节周向按一定间距分布，所述减摩注浆孔贯穿混凝土管节的内、外侧环面，在所述混凝土管节被顶入时，通过混凝土管节上预设的与减摩注浆孔连接的管路，将上述制备的触变泥浆注入到混凝土管节外周的土体内。
3.根据权利要求2所述的砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法，其特征在于：在所述混凝土管节外表面涂抹有石蜡，所述触变泥浆、触变泥浆进入地层后形成的泥浆套以及混凝土管节上的石蜡共同构成混凝土管节被顶推油缸顶进时的砂卵石地层矩形盾构顶掘减摩体系。
4.根据权利要求3所述的砂卵石地层土压平衡矩形盾构顶掘减摩施工方法，其特征在于：在新的混凝土管节拼装完成之后掘进开始之前需要整体进行1次注浆，在掘进过程中再进行2至3次注浆，每节混凝土管节每次注浆时间为18s～22s左右，理论注浆量为0.06方，注浆压力值为地层压力的1.3至1.4倍。
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