CN112031793B - 一种富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法 - Google Patents

Abstract

一种富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，包括如下步骤：1、将预制的改良剂分别加入盾构机刀盘、土仓和螺旋输送机中。2、确定改良剂参数：选取盾构前100m为试验段，设置同一掘进参数，并设置不同的改良剂参数，在试验段试掘进。3、测量掘进后隧道参数、出土量和渣土改良参数并调整改良剂参数，确定正式掘进时的改良剂参数。4、确定掘进参数：改良剂参数相同，盾构机通过不同的掘进参数下在试验段试掘进。5、测量掘进后隧道参数、出土量和渣土改良参数并调整掘进参数，确定盾构机正式掘进参数。解决了现有技术中由于改良剂参数和掘进参数设置不合理，导致渣土改良效果不佳，降低掘进速度，增大盾构机磨损。

Description

一种富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，尤其涉及到一种富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法。

背景技术

土压平衡盾构机在地铁区间隧道施工中的应用非常广泛，但因本身设计原因，土压平衡盾构机在全断面富水砂层中掘进施工难度较大，存在沉降大、掘进困难，开挖面围岩土体稳定性不易保持等问题。

由于富水砂层渣土流塑性差，摩擦系数大，强度高，进而导致盾构机推力大大增加，出土不易，导致盾构机磨损严重，且降低掘进速度甚至无法推进。目前，为解决上述问题，通过添加渣土改良剂来增加渣土的流塑性，同时减小对盾构机的磨损。但是，由于改良剂的组份及添加比例不同，导致渣土的改良效果不同，进而不能最大程度的解决掘进过程中盾构机磨损严重、掘进速度慢的问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明通过在试验段进行试掘进，进而确定最佳的改良剂参数和掘进参数，解决了现有技术中盾构掘进过程中由于设置的改良剂参数和掘进参数不合理，导致渣土改良效果不佳，降低掘进速度，增大盾构机磨损。

（二）发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，具体技术方案如下：

一种富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，富水砂层包括中砂地层、粗砂地层和沙砾地层，包括如下步骤：

S001、将预制的改良剂分别加入盾构机刀盘、土仓和螺旋输送机中；

S002、确定改良剂参数：选取盾构前100m为试验段，设置掘进参数，并设置不同的改良剂参数，在试验段试掘进；改良剂参数包括改良剂添加量和改良剂组份；

S003、测量掘进后隧道参数、出土量和渣土改良参数并调整改良剂参数，确定正式掘进时的改良剂参数；

隧道参数包括隧道沉降量和地表沉降量，渣土改良参数包括刀盘扭矩和土仓压力；

S004、确定掘进参数：改良剂参数相同，盾构机通过不同的掘进参数下在试验段试掘进；

掘进参数包括刀盘转速、掘进速度和螺旋输送机速度；

S005、测量掘进后隧道参数、出土量和渣土改良参数并调整掘进参数，确定盾构机正式掘进参数。

进一步，改良剂包括膨润土悬浮液；改良剂添加量为膨润土悬浮液与渣土的体积比，体积比为1.5:10~2.5:10。

进一步，在S002中，

将盾构前100m分为第一试验段、第二试验段和第三试验段；

第一试验段为0~30m，第二试验段为30~60m，第三试验段为60~100m；

在第一试验段，添加的膨润土悬浮液与渣土的体积比为1.5:10；在第二试验段，添加的膨润土悬浮液和渣土的体积比为2:10；在第三试验段，添加的膨润土悬浮液和渣土的体积比为2.5:10。

进一步，经过S003调整后，在中砂地层和粗砂地层，添加的膨润土悬浮液和渣土的体积比为2:10，膨润土悬浮液的注入量为10m³/环；

在沙砾地层，添加的膨润土悬浮液和渣土的体积比为2.5:10，膨润土悬浮液的注入量为12m³/环。

进一步，膨润土悬浮液包括膨润土和水；

在中砂地层和粗砂地层，膨润土和水的质量比为1:5，在沙砾地层，膨润土和水的质量比为1:6。

进一步，在S003和S005中，出土量为57±4m³/环，其中，

刀盘扭矩主要由土体的剪切阻力产生，其经验公式如下：

其中，T为刀盘扭矩，单位是kN·m，D为刀盘外径，单位为m，为扭矩系数，为支承系数，为土质系数，为稳定掘削扭矩系数。

进一步，=0.8～1.4、=0.7～1、=14～23；

计算所得的刀盘扭矩为3500~4500kN·m，若刀盘扭矩超出上述范围，调节掘进参数和膨润土悬浮液/泡沫的添加量，以使刀盘扭矩在上述范围内。

进一步，土仓压力的计算公式为：

其中，为土压力，为水压力，为渣土内摩擦角，取34°，为土饱和重度，为盾构工作面中心深度，取10~15m,为盾构工作面中心处水位深度，为2.5m，R _W 为水的重度；

计算的土仓压力为0.9~1.2bar，若土仓压力超出上述范围，调节掘进参数和掘进参数和膨润土悬浮液/泡沫的添加量，以使土仓压力在上述范围内。

进一步，改良剂还包括泡沫，将泡沫注入刀盘中，用于为刀盘提供润滑；

泡沫的注入量为2.8m³/环，泡沫包括90-95%的压缩空气和5-10%的泡沫溶液；

泡沫溶液包括3%泡沫添加剂和97%水。

进一步，S005确定盾构机的正式掘进参数为，刀盘转速为1～1.2r/min，掘进速度为20～40mm/min，螺旋输送机转速为3～6r/min。

（三）有益效果

本发明中，通过在试验段进行试掘进，不断调节改良剂参数和盾构机掘进参数，使渣土的改良效果达到最佳，进而确定正式掘进时的改良剂参数和盾构机参数。改良后的渣土具有良好的流塑性和土压平衡效果，有利于稳定开挖面，解决了富水砂层易出现坍塌及涌沙涌水现象。同时渣土改良后具有较好的止水性，能够防止地下水流失，排土顺利、有效防止渣土结饼，有效的控制了地表及建筑物沉降。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明：

所谓渣土改良，就是通过盾构机刀盘、土仓、螺旋输送机内配置的改良剂注入口注入改良剂，利用刀盘、土仓的搅拌翼或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土渣混合，主要目的是使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，即对开挖土体的塑流化改造，以满足在不同地质条件下采取不同掘进模式掘进时都可达到理想的工作状态。

改良后渣土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降。使渣土具有较好的止水性，以控制地下水流失，使切削的土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土。可有效防止水土渣粘结刀盘而结饼，可防止或减轻螺旋输送机排土时喷涌现象，可以减少切削刀头、面板等的磨损和刀盘、螺旋输送机的扭矩。

本实施例中中，针对的是富水砂石的渣土地层，采用土压平衡模式掘进时，主要目的是为降低刀盘扭矩，增加渣土的流塑性，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。

但实际掘进时，由于设置的改良剂参数和掘进参数不同，导致渣土改良效果不佳。因此，在正式掘进时，需要经过试验验证并确定正式掘进时的改良剂参数和掘进参数。

参见图1，本实施例中提供了富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法的流程图，具体包括以下步骤：

一种富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，富水砂层包括中砂地层、粗砂地层和沙砾地层，包括如下步骤：

S001、将预制的改良剂分别加入盾构机刀盘、土仓和螺旋输送机中。

S002、确定改良剂参数：选取盾构前100m为试验段，设置同一掘进参数，并设置不同的改良剂参数，在试验段试掘进。其中改良剂参数包括改良剂添加量和改良剂组份。

S003、测量掘进后隧道参数、出土量和渣土改良参数并调整改良剂参数，确定正式掘进时的改良剂参数。

其中隧道参数包括隧道沉降量和地表沉降量，渣土改良参数包括刀盘扭矩和土仓压力；

S004、确定掘进参数：改良剂参数相同，盾构机通过不同的掘进参数下在试验段试掘进。其中掘进参数包括刀盘转速、掘进速度和螺旋输送机速度；

S005、测量掘进后隧道参数、出土量和渣土改良参数并调整掘进参数，确定盾构机正式掘进参数。

本实施例中，改良剂包括膨润土悬浮液。其中改良剂添加量为膨润土悬浮液与渣土的体积比，体积比优选1.5:10~2.5:10。

具体地，在S002中，将盾构前100m分为第一试验段、第二试验段和第三试验段。其中，第一试验段为0~30m，第二试验段为30~60m，第三试验段为60~100m。在第一试验段试掘进时，添加的膨润土悬浮液与渣土的体积比为1.5:10。在第二试验段进行试掘进时，添加的膨润土悬浮液和渣土的体积比为2:10。在第三试验段进行试掘进时，添加的膨润土悬浮液和渣土的体积比为2.5:10。结束后测量隧道参数、出土量和渣土改良参数，根据测得的参数调节改良剂添加量，并确定正式掘进时的改良剂添加量、注浆量及注浆压力。经过S003调整后，注浆压力为0.3MPa，在中砂地层和粗砂地层，添加的膨润土悬浮液和渣土的体积比为2:10，膨润土悬浮液的注入量为10m³/环。在沙砾地层，添加的膨润土悬浮液和渣土的体积比为2.5:10，膨润土悬浮液的注入量为12m³/环。

本实施例中的膨润土悬浮液包括膨润土和水。其中，在中砂地层和粗砂地层，膨润土和水的质量比为1:5，在沙砾地层，膨润土和水的质量比为1:6。

进一步，改良剂还包括泡沫，将泡沫注入刀盘中，通过对刀盘、刀具与碴土之间增加全方位的润滑。最终确定泡沫的注入量为2.8m³/环，泡沫包括90-95%的压缩空气和5-10%的泡沫溶液。其中，泡沫溶液包括3%泡沫添加剂和97%水。

进一步，S005确定盾构机的正式掘进参数为，刀盘转速为1～1.2r/min，掘进速度为20～40mm/min，螺旋输送机转速为3～6r/min。

具体地，本实施例的S003和S005中，隧道参数测量具体为地表沉降量测量和隧道沉降量测量。出土量为盾构机每环出土量。渣土改良参数具体包括刀盘扭矩和土仓压力。通过监测上述数据在合理范围内，若超出，则调节改良剂添加量和掘进参数，最终确定正式掘进时的改良剂添加量和掘进参数，使渣土改良效果达到最优。

出土量

每环的实方体积为46.4m³，虚方系数为1.15～1.3，因此出土量控制在在57±4m³范围内，对应渣车为3车零1/3车，经计算，盾构机推进45cm对应1车。严禁多出土，出现多出土立即上报查找原因。

刀盘扭矩

刀盘扭矩主要由土体的剪切阻力产生，其经验公式如下：

其中，T为刀盘扭矩，单位是kN·m，D为刀盘外径，单位为m，为扭矩系数，为支承系数，为土质系数，为稳定掘削扭矩系数，对于土压盾构而言=14～23。

对应地，=0.8～1.4，由刀盘支承方式决定。具体地，中心支承式刀盘=0.8～1；中间支承式刀盘=0.9～1.2；周边支承式刀盘=1.1～1.4。=0.7～1，具体地，对密实、泥岩=0.8～1；对固结粉砂、粘土=0.8～0.9；对松散砂=0.7～0.8；对软粉砂土=0.6～0.7。计算所得的刀盘扭矩为3500~4500kN·m，若刀盘扭矩超出上述范围，调节掘进参数和膨润土悬浮液/泡沫的添加量，以使刀盘扭矩在上述范围内。

土仓压力

土仓压力的计算公式为：

其中，为土压力，为水压力，为渣土内摩擦角，取34°，为土饱和重度，为盾构工作面中心深度，取10~15m,为盾构工作面中心处水位深度，为2.5m，R _W 为水的重度。计算的土仓压力为0.9~1.2bar，若土仓压力超出上述范围，调节掘进参数和膨润土悬浮液/泡沫的添加量，以使土仓压力在上述范围内。

进一步，渣土改良参数还包括总推力。其中，总推力共包含5部分内容：刀盘前方土体的土压力、盾体与土层的摩擦力、土体粘聚力产生的摩阻力、后配套台车的牵引力、盾尾与管片之间的摩阻力。

其中，砂层中粘聚力为零，因此，实际只需要计算其它4项产生的阻力，经计算总推力为8000～10000 kN。

具体地，本实施例中，S005确定的盾构机的正式掘进参数：刀盘转速为1～1.2r/min，掘进速度为20～40mm/min，螺旋输送机转速为3～6r/min。

通过在试验段进行试掘进，不断调节改良剂参数和盾构机掘进参数，使渣土的改良效果达到最佳，进而确定正式掘进时的改良剂参数和盾构机参数。保证了正式掘进时渣土的改良效果，节省了调试时间，提高了盾构效率。

Claims (8)

1.一种富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，所述富水砂层包括中砂地层、粗砂地层和沙砾地层，其特征在于，包括如下步骤：

S001、将预制的改良剂分别加入盾构机刀盘、土仓和螺旋输送机中；

S002、确定改良剂参数：选取盾构前100m为试验段，设置同一掘进参数，并设置不同的改良剂参数，在试验段试掘进；

所述改良剂参数包括改良剂添加量和改良剂组份；其中，所述改良剂包括膨润土悬浮液；所述改良剂添加量为所述膨润土悬浮液与渣土的体积比，所述体积比为1.5:10~2.5:10；

所述试掘进具体为：

将所述盾构前100m分为第一试验段、第二试验段和第三试验段；

所述第一试验段为0~30m，所述第二试验段为30~60m，所述第三试验段为60~100m；

在所述第一试验段，添加的所述膨润土悬浮液与所述渣土的体积比为1.5:10；

在所述第二试验段，添加的所述膨润土悬浮液和所述渣土的体积比为2:10；

在所述第三试验段，添加的所述膨润土悬浮液和所述渣土的体积比为2.5:10；

S003、测量掘进后隧道参数、出土量和渣土改良参数并调整所述改良剂参数，确定正式掘进时的所述改良剂参数；

所述的隧道参数包括隧道沉降量和地表沉降量，所述渣土改良参数包括刀盘扭矩和土仓压力；

S004、确定掘进参数：所述改良剂参数相同，盾构机通过不同的掘进参数下在所述试验段试掘进；

所述掘进参数包括刀盘转速、掘进速度和螺旋输送机速度；

S005、测量掘进后隧道参数、出土量和渣土改良参数并调整所述掘进参数，确定盾构机正式掘进参数。

2.根据权利要求1所述的富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，其特征在于，经过所述S003调整后，

在所述中砂地层和所述粗砂地层，添加的所述膨润土悬浮液和所述渣土的体积比为2:10，所述膨润土悬浮液的注入量为10m³/环；

在所述沙砾地层，添加的所述膨润土悬浮液和所述渣土的体积比为2.5:10，所述膨润土悬浮液的注入量为12m³/环。

3.根据权利要求2所述的富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，其特征在于，所述膨润土悬浮液包括膨润土和水；

在所述中砂地层和所述粗砂地层，所述膨润土和水的质量比为1:5，在所述沙砾地层，所述膨润土和水的质量比为1:6。

4.根据权利要求1所述的富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，其特征在于，在所述S003和S005中，

所述出土量为57±4m³/环，其中，

所述刀盘扭矩主要由土体的剪切阻力产生，其经验公式如下：

其中，T为刀盘扭矩，单位是kN·m，D为刀盘外径，单位为m，α为扭矩系数，α ₁为支承系数，α ₂为土质系数，α ₀为稳定掘削扭矩系数。

5.根据权利要求4所述的富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，其特征在于，所述

计算所得的所述刀盘扭矩为3500~4500kN·m，若所述刀盘扭矩超出上述范围，调节所述掘进参数和所述膨润土悬浮液的添加量，以使所述刀盘扭矩在上述范围内。

6.根据权利要求4所述的富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，其特征在于，所述土仓压力P ₀ 的计算公式为：

P ₀ =P _C +P _W =K ₀ ·γ·H ₁ +R _W ·H ₂

K ₀ =1-sinφ

其中，P _C 为土压力，P _W 为水压力，φ为渣土内摩擦角，取34°，γ为土饱和重度，H ₁ 为盾构工作面中心深度，取10~15m, H ₂ 为盾构工作面中心处水位深度，为2.5m，R _W 为水的重度；

计算所述的所述土仓压力为0.9~1.2bar，若所述土仓压力超出上述范围，调节所述掘进参数和所述掘进参数和所述膨润土悬浮液的添加量，以使所述土仓压力在上述范围内。

7.根据权利要求1所述的富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，其特征在于，所述改良剂还包括泡沫，将所述泡沫注入刀盘中，用于为所述刀盘提供润滑；

所述泡沫的注入量为2.8m³/环，所述泡沫包括90-95%的压缩空气和5-10%的泡沫溶液；

所述泡沫溶液包括3%泡沫添加剂和97%水。

8.根据权利要求1所述的富水砂层盾构掘进渣土改良施工试验方法，其特征在于，所述S005确定盾构机的正式掘进参数为，所述刀盘转速为1～1.2r/min，所述掘进速度为20～40mm/min，所述螺旋输送机转速为3～6r/min。

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