CN112901180B - 一种土压平衡盾构加气排水掘进施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种土压平衡盾构加气排水掘进施工方法,由以下步骤组成：A、盾构施工前，做好防喷涌施工准备，预先判断喷涌发生条件决定是否进入步骤B；B、保持盾构机处于停机状态；C、停机期间将盾构机自带同步注浆管路转换至中盾接口，在中盾顶部对盾构上方土体加注惰性浆；D、注浆完成后，打开压力舱仓空气转换接头向舱内加注高压空气；E、加气完成后，打开螺旋排土器出土口卸压，土仓1号土压传感器恢复设计值；F、开始掘进施工，同时判断喷涌发生条件决定是否进入步骤B；本发明具有环保、稳定性好、降低刀盘磨损、保证同步注浆效果、提高掘进效率明显、成本低廉、操作简单等优点，可推广应用到盾构掘进施工防喷涌技术领域。
Description
技术领域
本发明属于盾构掘进施工技术领域，具体涉及到一种土压平衡盾构加气排水掘进施工方法。
背景技术
针对地下水丰富、节理裂隙发育、埋深大、渗透系数大和气密性差的复合地层，尤其是砂层、粉细沙层、砂卵石地层以及其组成复合地层，采用常规的土压平衡盾构掘进方法，掘进参数不易控制，如刀盘扭矩、推进速度变化较大，盾构负荷大，刀盘刀具磨损快等。而且，土压平衡盾构掘进经常引起喷涌，以致盾构施工处于“掘进—喷涌—清渣—管片安装”的低效率恶性循环，最终导致地层细颗粒流失、局部出现空腔，甚至地表出现塌陷。
目前，国内外对于盾构开挖的防喷涌技术主要聚焦于渣土的改良。国外对于渣土改良的研究多集中在对砂土和粘性土的改良，以改良剂的开发研究为主。国内的渣土改良研究多是针对砂土、粘性土、黄土和复合土层的渣土改良研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷,提供一种基于土压平衡盾构舱内压力传递理论和加气排水防喷涌的原理的土压平衡盾构加气排水掘进施工方法。
解决上述技术问题采用的技术方案是：一种土压平衡盾构加气排水掘进施工方法,由以下步骤组成：
A、盾构施工前，做好防喷涌施工准备，预先判断喷涌发生条件，即螺旋排土器出口测压水头高度H3与螺旋排土器出口高度关系，体现为螺旋排土器出口传感器压力大小；
(A1)、若螺旋排土器出口测压水头高度H3不超过螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出土口传感器压力为0时不会出现喷涌，可直接进入掘进阶段；
(A2)、若螺旋排土器出口测压水头高度H3大于螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出土口传感器压力大于0时可能出现出土速率不可控、轻微喷涌甚至剧烈喷涌现象，此时施工流程进入步骤B；
B、保持盾构机处于停机状态；
C、停机期间将盾构机自带同步注浆管路转换至中盾接口，在中盾顶部对盾构上方土体加注惰性浆，土仓1号土压传感器显示土压大于设计土压0.3～0.5bar即可判定惰性浆注浆效果是否达到要求；
D、注浆完成后，打开压力舱仓空气转换接头向舱内加注高压空气，判定加注空气的流量是否满足加压效果，即土仓1号土压传感器显示土压大于设计土压0.3-0.5bar，持续加注空气2h，然后关闭加气阀门；
G、加气完成后，打开螺旋排土器阀门并轻微转动螺旋机卸压，判定卸压效果是否达标，即土仓1号土压传感器显示土压等于设计值且转动螺旋排土器出土口无渣土加速流动现象，然后关闭螺旋出土器出土口静止2min；
H、开始掘进施工，同时判断喷涌发生条件，即重复A步骤；
(F1)、若螺旋排土器出口测压水头高度H3不超过螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出土口传感器压力为0时不会出现喷涌，可进入掘进阶段；
(F2)、若螺旋排土器出口测压水头高度H3大于螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出土口传感器压力大于0时，重复步骤B。
本发明的步骤C中惰性浆由水、细砂、膨润土、粉煤灰、高效减水剂、CMC拌合而成，1m3惰性浆中含水：365kg，细砂：800kg，膨润土：80kg，粉煤灰：400kg，高效减水剂：5kg；CMC：2kg；惰性浆注浆压力比停机后土仓1号传感器压力高0.2～0.4bar。
本发明的步骤D中加气过程中通过测试盾构机土压传感器变化来确定压力基准，所述的压力基准为土仓1号土压传感器土压观测值比设计值增加0.3～0.5bar；同时监测地表沉降变形，以控制加气量，当加气量大于20m3/h时可以选择在盾体上方再次加注惰性浆。
本发明的步骤F中恢复掘进阶段，需根据现场掘进状态设置相匹配的皮带传输与掘进参数，进入正常掘进时需要调配好泡沫注入量以保证掘进舱压，利用掘进舱压来增加“液相”恢复时间。
本发明相比于现有技术具有以下优点：
(1)环保。国内外大多防喷涌技术通过采用加注高分子聚合物改变粘度从而降低渗透系数，选用合适比例的聚合物以达到防喷涌的效果，但高分子聚合物的使用必然会对周边土体造成一定程度的水环境影响，而加气排水采用的惰性浆配比中的水、细砂、膨润土、粉煤灰，对水环境影响很小。
(2)稳定性好。目前采用的渣土降低渗透系数的防喷涌模式存在改良效果不稳定的问题，从而导致防喷涌效果不理想。加气排水模式只要选定加注惰性浆参数，选定加气压力、时间、排气量，严格按操作规程执行就可以得到稳定的防喷涌效果，周边环境以及地下水对本工法干扰很小。
(3)降低刀盘刀具磨损。喷涌必然造成渣土细颗粒的流失，采用加气排水模式补充了渣土的细颗粒含量，从而降低了渣土对刀盘、刀具的磨损。
(4)保证了同步注浆效果。注入惰性浆必然形成一个包围盾体的惰性浆环，这个环的存在有效地阻挡了盾尾同步注浆向刀盘方向的流失，从而保证了注浆效果。
(5)提高掘进效率明显。加气排水作业时间均在盾构掘进完成后实施，对掘进总用时影响很小，并且由于控制了喷涌的发生，节约了大量由于喷涌造成的清渣时间，施工效率明显提高。
(6)成本低廉。加气排水模式下额外投入费用主要是惰性浆材料成本、空压机运转的电费，设备折旧等，节约了大量投入。
(7)操作简单。加气排水模式主要操作是盾体上方加注惰性浆、打开转换阀门向压力舱注入空气，操作比较简单。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明的加气排水施工示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1中，本发明一种土压平衡盾构加气排水掘进施工方法,其特征在于由以下步骤组成：
A、盾构施工前，做好防喷涌施工准备，预先判断喷涌发生条件，即螺旋排土器出口测压水头高度H3螺旋排土器出口高度关系，体现为螺旋排土器出口传感器压力大小；
(A1)、若螺旋排土器出口测压水头高度H3不超过螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出口传感器压力为0时不会出现喷涌，可直接进入掘进阶段；
(A2)、若螺旋排土器出口测压水头高度H3大于螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出口传感器压力大于0时可能出现出土速率不可控、轻微喷涌甚至剧烈喷涌现象，此时施工流程进入步骤B；
其中，土压平衡盾构舱内压力传递模型如图2所示，H1为原始地层水头高度，H2为开挖面附近水头高度，H3为螺旋排土器出口测压水头。
在原始地层、压力舱和排土器各取一微小断面，单位时间内通过这三个微断面的渗流量分别设为Q1、Q2和Q3。
经过原始地层断面Ⅰ的地下水流量为：
式中K1为原始地层的渗透系数，dh为水头通过微断面的水头损失，dx为微断面的长度，A1为掘进期间可能的影响面积。
同理，经过断面Ⅱ的地下水流量为：
式中K2为切削后渣土的渗透系数，A2为压力舱截面面积。
经过断面Ⅲ的地下水流量为：
式中A3为螺旋排土器截面面积，θ为螺旋排土器与水平面的夹角。
在掘进影响区边界处，地层水头高度为H1，即x＝0处，
h＝H1 (4)
在开挖面处，水头高度为H2，即x＝L1处，
h＝H2 (5)
在螺旋排土器出口，水头高度为H3，即x＝L1+L2+L3cosθ处，
h＝H3 (6)
由式(1)与式(4)可得到开挖面的水头表达式：
由式(2)与式(5)可得到开挖面的水头表达式：
由式(3)与式(6)可得到开挖面的水头表达式：
在正常欠压掘进状态下，由式(7)式(8)可以得出压力舱顶压力水头H2和水流量Q的之间的关系式：
假定某一时间点地层渗流不影响舱内渗流，根据流量守恒原则，流经断面Ⅱ和断面Ⅲ的水体流量相等，即Q2＝Q3＝Q。由式(8)、式(9)可以得出螺旋排土器出口处的压力水头H2和水流量Q的之间的关系式：
由建立的水压变化模型式(11)可以得到以下判断：
(1)H3与螺旋排土器出口高度相等时不会出现喷涌。
(2)H3大于螺旋排土器出口高度时，可能出现出土速率不可控、轻微喷涌甚至剧烈喷涌现象。
(3)H3与H2为正比关系，压力舱顶压力水头H2越大，H3越大。
(4)H3与K2为正比关系，切削后的渣土渗透系数K2越大，H3越大。
(5)H3与Q为反比关系，流水量Q越大表象为喷涌加剧，但随流水量Q加大H3逐渐减小。
由建立的水压变化模型式(1)、式(10)可以得到以下判断：
(1)H2与K1、K2为正比关系，原始地层渗透系数K1、切削后的渣土渗透系数K2越大，H2越大。
(2)Q1与K1为正比关系，原始地层渗透系数K1越大，原始地层流水量Q1越大，可能造成的喷涌总流量Q总越大。
根据喷涌机理分析，喷涌趋势取决于H3螺旋出土口水头高度，H3与切削面水头高度H2为正比关系，H2通常表现为土仓1号土压传感器土压。假定地层补给水为零，由式(11)可以得出结论，盾构机出现短时间喷涌后H3与螺旋排土器高度逐渐趋于相等，停止喷涌。
假定掘进时间为Δt，由式(1)、式(2)可以进行推论喷涌总流量为：
Q总＝(Q1+Q2)·Δt＝(K1A1+K2A2)·Δt (12)
由式(12)可知：如果可以实现控制土仓内流水总量，即便出现短时间喷涌，但总体依然可以达到控制喷涌的目的。
B、保持盾构机处于停机状态；
C、通过盾构机自带同步注浆管路转换至中盾接口，在中盾顶部对盾构上方土体加注惰性浆；通常可以将盾构机周边的地层看成“固相”和“液相”的组合体，盾构机压力舱内的渣土看成“固相”、“液相”和“气相”的组合体。如果压力舱内渣土含水率超过18％，则喷涌几率升高；渣土含水率低于12％，渣土流动性变差。在富水地层中，如果用渣土孔隙中赋存大量的空气或泡沫代替水含量，那么既可以保证渣土的流动性，又可以降低喷涌的风险。若“固相”中存在间隙，“气相”和“液相”会马上进入，“气相”压力足够时可以逼退“液相”进而占据间隙空间。虽然气相流动速度快，但“气相”占据空间后即便被“液相”逼退也会存在一定时间，其逼退速率与地层的渗透系数成正比。
因此，在盾构停机阶段首先从盾体上方加注惰性浆，填充掘进时出现的空腔以及降低盾构周边渗透系数，然后在压力舱内注入高压气体逼退压力舱内以及盾体周边一定范围内的地下水，保证“液相”恢复时间大于掘进时间即可实现防喷涌效果。
对盾构上方土体加注惰性浆以加固土体，以减小土体的渗透系数，其中，惰性浆由水、细砂、膨润土、粉煤灰、高效减水剂、CMC拌合而成，1m3惰性浆中含水：365kg，细砂：800kg，膨润土：80kg，粉煤灰：400kg，高效减水剂：5kg；CMC：2kg；通过盾构机自带同步注浆管路转换至中盾接口，在中盾顶部加注，惰性浆注浆压力比停机后土仓1号传感器压力高0.2～0.4bar。惰性浆配比根据地层渗透系数调整黏粒含量，地层渗透系数越大，黏粒含量越高。
D、注浆完成后，打开压力舱仓空气转换接头向舱内加注高压空气，判定加注空气的流量是否满足加压效果，即土仓1号土压传感器显示土压大于设计土压0.3-0.5bar，持续加注空气2h，然后关闭加气阀门；其中，步骤四惰性浆注入完成后方可打开加气阀门，否则出现浆液从加气管路回流，加气时间必须经试验确定，并严格按规定时间加气，否则加气效果不能满足掘进要求。加气过程中通过测试盾构机土压传感器变化来确定压力基准，所述的压力基准为土仓1号土压传感器土压观测值比设计值增加0.3～0.5bar；同时监测地表沉降变形，以控制加气量，当加气量大于20m3/h时可以选择在盾体上方再次加注惰性浆。
E、加气完成后，打开螺旋排土器阀门并轻微转动螺旋机卸压，判定卸压效果是否达标，即土仓1号土压传感器显示土压等于设计值且转动螺旋排土器出土口无渣土加速流动现象，然后关闭螺旋出土器出土口静止2min；
F、开始掘进施工，同时判断喷涌发生条件，即重复A步骤；
若螺旋排土器出口测压水头高度H3不超过螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出土口传感器压力为0时不会出现喷涌，可进入掘进阶段；该阶段，因盾体周围地层加注惰性浆的作用，掘进开始阶段土仓内需要加大排量降低扭矩、推力，提高掘进速度，需根据现场掘进状态设置相匹配的皮带传输与掘进参数，进入正常掘进时需要调配好泡沫注入量以保证掘进舱压，利用掘进舱压来增加“液相”恢复时间。；
(F2)、若螺旋排土器出口测压水头高度H3大于螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出土口传感器压力大于0时，重复步骤B。
Claims (4)
1.一种土压平衡盾构加气排水掘进施工方法,其特征在于由以下步骤组成：
A、盾构施工前，做好防喷涌施工准备，预先判断喷涌发生条件，即螺旋排土器出口测压水头高度H3与螺旋排土器出口高度关系，体现为螺旋排土器出口传感器压力大小；
（A1）、若螺旋排土器出口测压水头高度H3不超过螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出土口传感器压力为0时不会出现喷涌，直接进入掘进阶段；
（A2）、若螺旋排土器出口测压水头高度H3大于螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出土口传感器压力大于0时出现出土速率不可控、轻微喷涌甚至剧烈喷涌现象，此时施工流程进入步骤B；
B、保持盾构机处于停机状态；
C、停机期间将盾构机自带同步注浆管路转换至中盾接口，在中盾顶部对盾构上方土体加注惰性浆，土仓1号土压传感器显示土压大于设计土压0.3～0.5bar即判定惰性浆注浆效果是否达到要求；
D、注浆完成后，打开压力舱仓空气转换接头向舱内加注高压空气，判定加注空气的流量是否满足加压效果，即土仓1号土压传感器显示土压大于设计土压0.3-0.5bar，持续加注空气2h，然后关闭加气阀门；
E、加气完成后，打开螺旋排土器阀门并轻微转动螺旋机卸压，判定卸压效果是否达标，即土仓1号土压传感器显示土压等于设计值且转动螺旋排土器出土口无渣土加速流动现象，然后关闭螺旋出土器出土口静止2min；
F、开始掘进施工，同时判断喷涌发生条件，即重复A步骤；
（F1）、若螺旋排土器出口测压水头高度H3不超过螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出土口传感器压力为0时不会出现喷涌，进入掘进阶段；
（F2）、若螺旋排土器出口测压水头高度H3大于螺旋排土器出口高度，即螺旋排土器出土口传感器压力大于0时，重复步骤B。
2.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构加气排水掘进施工方法，其特征在于：所述的步骤C中惰性浆由水、细砂、膨润土、粉煤灰、高效减水剂、CMC拌合而成，1m³惰性浆中含水：365kg，细砂：800kg，膨润土：80kg， 粉煤灰：400kg，高效减水剂：5kg；CMC：2kg；惰性浆注浆压力比停机后土仓1号土压传感器压力高0.2～0.4bar。
3.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构加气排水掘进施工方法，其特征在于：所述的步骤D中加气过程中通过测试盾构机土压传感器变化来确定压力基准，所述的压力基准为土仓1号土压传感器土压观测值比设计值增加0.3～0.5bar；同时监测地表沉降变形，以控制加气量，当加气量大于20m3/h时选择在盾体上方再次加注惰性浆。
4.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构加气排水掘进施工方法，其特征在于：所述的步骤F中恢复掘进阶段，需根据现场掘进状态设置相匹配的皮带传输与掘进参数，进入正常掘进时需要调配好泡沫注入量以保证掘进舱压，利用掘进舱压来增加“液相”恢复时间。
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