CN113775345A - 一种联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，包括步骤：S1、渣土改良剂确定；S2、室内试验；S3、现场渣土改良剂拌制；S4、现场施工。本发明的有益效果是：本发明采用膨润土改良剂(膨润土溶液+高分子凝聚剂)进行渣土改良，高分子聚合物溶液具有较强的黏连性，能够非常好的吸纳土体水分，通过刀盘切削及螺旋机搅拌，改变渣土的渗透系数，使得渣土得到充分地改良。改良后的渣土既不容易喷涌、也不容易结泥饼，有效降低土仓内渣土的渗透性，进而遏制喷涌的发生，使盾构掘进顺畅、高效，减少停机时间，防止螺旋机中渣土固结，从而保障施工的安全顺利。
Description
技术领域
本发明涉及地铁联络通道施工技术领域，具体涉及一种联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法。
背景技术
在城市轨道交通上下行隧道中间需要设置联络通道，其主要作用是连通地铁上下行隧道，可在紧急情况疏散人员，也可作为紧急救援的生命通道，并兼顾隧道集水、排水。长期以来，城市轨道联络通道大多采用矿山法开挖等隧道施工技术，同时辅以注浆或冻结加固保证隧道开挖时围岩稳定，但该工法在加固施工或开挖施工等方面存在天然缺陷，常规冷冻法存在“工期长、造价高、质量隐患”等问题。近年来，采用机械法(盾构法、顶管法)开挖联络通道已在我国各大城市开展一系列的应用。在盾构法、顶管法联络通道施工过程，常采用土压平衡盾构机、顶管机，其原理是把土仓内的渣土作为稳定开挖面的介质，刀盘与刀盘后隔板之间形成土仓，刀盘旋转、开挖下的渣土进入土仓，再由刀盘后隔板上的螺旋出土器将渣土旋转输出。土仓内的土压由刀盘旋转开挖速度和螺旋出土器的出土速度确定。
机械法(盾构法、顶管法)开挖联络通道是一项“洞中打洞”的技术，在既有隧道采用直接切削的方法开洞完成另外一条隧道的掘进，必然要解决深埋地层各类地质条件下的渗漏水和地层稳定问题，通过半套筒尾部密封刷与盾尾密封刷转换技术，实现始发和接收全封闭，做到隧道掘进始终处于全密闭状态，其作业空间狭小、设备集成及性能变化。在土压平衡盾构机、顶管机穿越高渗透性特点的富水粉砂层地层时，土仓内渣土透水性强、和易性差，而水压力很大，水压会击穿螺旋出土器内的渣土，形成喷涌，即高压水流携带渣土喷涌而出。大规模的喷涌很可能造成隧道结构的失稳，导致重大的人员伤亡及财产损失。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，采用该方法对渣土进行改良能减轻土压平衡盾构机、顶管机联络通道穿越高渗透性特点的富水粉砂层施工时喷涌的发生，保障施工的安全顺利实施，且对工程进度影响小，并且提高土压平衡盾构机、顶管机联络通道施工的地层适应性，降低地铁施工的成本。
这种联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，包括以下步骤：
S1、渣土改良剂确定
S1.1、在联络通道顶管法施工准备阶段，在始发洞门环梁范围内，利用地质勘察报告判定顶管机掘进范围内的土性及其渗透性，选择渣土改良剂的类型和配比；
S1.2、针对富水粉砂层采用膨润土改良剂，膨润土改良剂主要由膨润土溶液和高分子凝聚剂组成；
S2、室内试验
S2.1、掘进前，在现场施工进行取样，测试出开挖面岩土的含水状态；
S2.2、准备合适的试验土样，采用不同配比的膨润土改良剂，按不同的掺量制定试验方案，开展改良渣土的坍落度试验，每个试验方案进行若干组平行试验，取平均值作为最终结果，坍落度在150-200mm范围内即符合渣土塑性流动状态要求；
S2.3、根据坍落度试验结果，按步骤S2.2中配比方案开展搅拌试验，把搅拌均匀的土样放入搅拌桶中，打开仪器，待搅拌电流稳定后再持续搅拌1min-2min后停止，取稳定段电流计算扭矩，取扭矩相对较小，且搅拌扭矩随时间的变化波动也较小的配比作为最终配比；
S3、现场渣土改良剂拌制
S3.1、在联络通道顶管机台车一侧配备膨润土搅拌桶及储浆罐，掘进前，按照室内试验的最终配比要求拌制5m3-10m3膨润土溶液，存放于储浆罐中；
S3.2、膨润土溶液拌制完成后，将称量完成的高分子凝聚剂用水充分溶解，导入膨润土溶液储浆罐中，充分搅拌均匀；
S4、现场施工
S4.1、掘进过程中，根据出渣效果，通过刀盘、土仓及螺旋机注入孔，将膨润土改良剂通过注浆管路注入到顶管机内与开挖土混合，对开挖土进行全断面改良，使开挖土呈塑性流动状态；
S4.2、掘进过程中通过顶管机内的数据实时采集系统采集各项施工运行参数，判定渣土改良效果。
作为优选：步骤S1.2中，富水粉砂层中，膨润土改良剂中膨润土溶液与高分子凝聚剂配比为(1300:1)-(1500：1)。
作为优选：膨润土溶液中膨润土与水的配比为(1:5)-(1:3)。
作为优选：步骤S1.2中，富水粉砂层中，膨润土改良剂与渣土的掺入体积比为15％-20％。
作为优选：步骤S1.2中，膨润土溶液中的膨润土采用钠基膨润土，钠基膨润土PH值7.5-10，粘度2-10Pa·s。
作为优选：步骤S1.2中，高分子凝聚剂为固体颗粒。
作为优选：步骤S3.1中，膨润土溶液在膨润土搅拌桶中配制完成后静置膨化12h以上。
作为优选：步骤S3.2中，高分子凝聚剂与膨润土溶液搅拌均匀后静置膨化12h以上。
作为优选：步骤S4.1中，螺旋机设置若干个渣土改良注入口，接入泡沫和膨润土注入系统。
作为优选：步骤S4.1中，注浆管路包括注浆管、泵送设备控制线、控制闸门、压力计及泵送设备功率控制设备和注入设备。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，包括渣土改良剂确定、室内试验、现场渣土改良剂拌制和现场施工过程。本发明采用膨润土改良剂(膨润土溶液+高分子凝聚剂)进行渣土改良，高分子聚合物溶液具有较强的黏连性，能够非常好的吸纳土体水分，通过刀盘切削及螺旋机搅拌，改变渣土的渗透系数，使得渣土得到充分地改良。改良后的渣土既不容易喷涌、也不容易结泥饼，有效降低土仓内渣土的渗透性，进而遏制喷涌的发生，使盾构掘进顺畅、高效，减少停机时间，防止螺旋机中渣土固结，从而保障施工的安全顺利。
2、本发明的渣土改良剂配制简单、无需额外采购专门设备；膨润土溶液+高分子凝聚剂的化学性质稳定，改良剂易贮存，容易实施，对工程进度影响小，并提高了土压平衡盾构机、顶管机联络通道施工的地层适应性，也降低了地铁施工的成本。
3、本发明的渣土改良浆液配制及现场实施方式合理、高效，能有效避免浆液堵管、失效等问题，提高了改良效率。
附图说明
图1为本发明联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
为解决现有技术中的问题，通过设置双螺旋出土器和双闸门对设备进行改造是一种可行的措施，此外，对于富水粉砂层地层，需改良渣土，通过盾构配置的专用装置向刀盘面、土舱内或螺旋输送机内注入水、泡沫、膨润土、高分子聚合物等添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土舱搅拌装置或者螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土渣混合，使盾构切削下来的渣土具有较好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，也可使土压平衡盾构机、顶管机在富水地层喷涌现象得到有效地改善。本发明提供一种联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，采用膨润土溶液+高分子凝聚剂进行渣土改良，由于高分子聚合物溶液具有较强的黏连性，能够非常好的吸纳土体水分，通过刀盘切削及螺旋机搅拌，完全改变渣土的渗透系数，使得渣土得到充分地改良，改良后的渣土既不容易喷涌、也不容易结泥饼，有效降低土仓内渣土的渗透性，进而遏制喷涌的发生，使盾构掘进顺畅、高效，减少停机时间，防止螺旋机中渣土固结，从而保障施工的安全顺利。
实施例一
本申请实施例一提供一种联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，包括以下步骤：
1、渣土改良剂确定
1)在联络通道顶管法施工准备阶段，在始发洞门环梁范围内，利用地质勘察报告判定顶管机掘进范围内的土性及其渗透性，选择渣土改良剂的类型和配比。
2)针对富水粉砂层采用膨润土改良剂(膨润土溶液+高分子凝聚剂)，以降低富水地层的渗透系数。富水粉砂层中，膨润土改良剂中膨润土溶液与高分子凝聚剂配比按照1400:1进行控制。膨润土改良剂中的膨润土溶液中膨润土与水的配比为1:4，推进过程中根据推进速度，设备注入膨润土的速度即注入率为25％-40％。膨润土改良剂与渣土的掺入体积比为15％-20％。膨润土溶液中的膨润土采用钠基膨润土，钠基膨润土PH值7.5-10，粘度2-10Pa·s。高分子凝聚剂为固体颗粒，采用AP104型。添加渣土改良剂后，粉砂渗透系数从1.0×10-4～1×10-3cm/s降低到1.0×10-5～1×10-4cm/s，以满足防喷涌的要求。
2、室内试验
1)掘进前，在现场施工进行取样，测试出开挖面岩土的含水状态。
2)按照坍落度试验要求准备合适的试验土样，采用不同配比的膨润土改良剂(膨润土溶液+高分子凝聚剂)，按不同的掺量制定试验方案，开展改良渣土的坍落度试验，每个试验方案进行三组平行试验，取平均值作为最终结果，考虑砂土坍落度在150-200mm范围内即满足渣土塑性流动状态要求。
3)根据坍落度试验结果，按上述步骤2)中配比方案开展搅拌试验，把搅拌均匀的土样放入搅拌桶中，打开仪器，待搅拌电流稳定后再持续搅拌1min后停止，取稳定段电流计算扭矩，取扭矩相对较小，且搅拌扭矩随时间的变化波动也较小的膨润土改良剂配比作为最终配比。
3、现场渣土改良剂拌制
1)在联络通道顶管机4#台车右侧配备专门膨润土搅拌桶及储浆罐，掘进前，按照室内试验的最终配比要求拌制5m3膨润土溶液，存放于储浆罐中。膨润土溶液在膨润土搅拌桶中配制完成后需静置膨化12h以上，以保证其稠度和粘度等指标达到施工要求。
2)膨润土溶液拌制完成后，将称量完成的高分子凝聚剂用水充分溶解，导入膨润土溶液储浆罐中，充分搅拌均匀。高分子凝聚剂与膨润土溶液搅拌均匀后也需静置膨化12h以上，以保证其稠度和粘度等指标达到施工要求。
4、现场施工
1)掘进过程中，根据出渣效果，通过刀盘、土仓及螺旋机注入孔，将膨润土改良剂通过注浆管路注入到顶管机内与开挖土混合，对开挖土进行全断面改良，使开挖土呈“塑性流动状态”。螺旋机的最大通过粒径为φ230×140mm，最大出渣能力20m3/h，驱动功率55kW，最大扭矩40kN·m，螺旋机设置三个渣土改良注入口，可接入泡沫和膨润土注入系统。注浆管路包括注浆管、泵送设备控制线、控制闸门、压力计及泵送设备功率控制设备和注入设备。
2)掘进过程中通过顶管机内的数据实时采集系统采集各项施工运行参数，如螺旋机扭矩、土舱内土压力变化情况，判定渣土改良效果。添加渣土改良剂后所述渣土的坍落度从10cm-15cm增加至15cm-20cm。
实施例二
1、工程概况
杭海城际铁路盾构区间为余杭高铁站～许村镇站(简称：余～许盾构区间)左线长3126.22m，起点里程：ZDK0+437.570，终点里程：ZDK3+563.487，长链0.303m；余～许盾构区间右线长3126.555m，起点里程：YDK0+437.570，终点里程：YDK3+563.847，长链0.278m。线路最小曲线半径800m，最大曲线半径4000m，隧道埋深为7.6m～25m，线间距10.8～16m，最大纵坡为28‰。盾构区间包含1座中间风井，5座联络通道：其中1座与中间风井合建，1座与泵房合建，其中3座联络通道采用顶管法施工。
本区间在左DK0+762.798(右DK0+760.000)、右DK1+237.420(左DK1+239.019)、右DK1+800.000(左DK1+801.599)设置3座机械法联络通道。1#联络通道中心里程为左DK0+762.798(右DK0+760.000)，主隧道轨面-22.647(-22.689)，联络通道隧道中心标高-20.597(-20.639)，衬砌顶覆土厚度约24.1m，线间距13.0m；2#联络通道中心里程为右DK1+237.420(左DK1+239.019)，主隧道轨面-25.464(-25.463)，联络通道隧道中心标高-23.414(-23.414)，衬砌顶覆土厚度约26.65m，线间距13.0m；3#联络通道中心里程为右DK1+800.000(左DK1+801.599)，主隧道轨面-21.861(-21.850)，联络通道隧道中心标高-19.811(-19.800)，衬砌顶覆土厚度约19.96m，线间距13.0m。
根据上表地层可以看出3#和2#联络通道相同，而1#联络通道地层主要为粉砂地层。在7-2-1粉质黏土夹粉砂地层使用改良剂主要是为了防止刀盘结泥饼、增加渣土流动性。在主要粉砂地层主要考虑渣土流动性及水土流失，采用膨润土、高分子凝聚剂能保证土压平衡、护壁的效果。主要解决措施：螺旋机进土困难时，提高开挖面土压设定值，提高推进速度，使螺旋机能够正常进土；螺旋机安装时要确保精度，运转过程中加强对轴承的润滑；控制磨削混凝土管片时的贯入度，注入润滑介质，改善渣土流动度，确保混凝土管片和玻璃纤维筋充分切削，顺利排出；当螺旋机卡死时，及时清理堵塞部位；(风险)充分改良渣土，使其具有良好的密水性和粘稠度；减少停机时间，防止螺旋机中渣土固结。
2、渣土改良方案
渣土改良目的：向开挖面注入土体改良剂，以达到润滑效果降低刀具的磨损、改良土质以防止结饼等施工问题，使盾构掘进顺畅、高效。
土体改良要求：(1)对刀盘前方的土体需预先及持续不断地改良；(2)将刀盘切削下来的土体改良成流动性好、能够及时建立起土仓内的土体和刀盘外土体之间的压力平衡、维持盾构掘进过程中盾构切口上方的土体稳定；(3)增加土体的流动性，刀盘切削进入土仓的土体能及时排出，减少仓内泥饼的形成，不会形成颗粒的骨架拱效应；
表1渣土改良材料及作用
根据不同的地层，渣土改良选择不同的材料类型，在富水粉砂层中为了有效地防止渣土喷涌、促进渣土流动性；宜选择膨润土溶液+高分子凝聚剂(若地层含水量较大的情况，采用高分子凝聚剂提高膨润土溶液的稠度)进行渣土改良。
表2渣土改良剂配比
表3渣土改良剂注入量
| 项目 | 注入率 | 掺入体积比 |
| 参数 | 30％ | 16％ |
按上述配比，利用4#台车右侧配备专门膨润土搅拌桶及储浆罐，掘进前由施工人员按照配比要求，拌制5方膨润土溶液备用。掘进过程中，顶管机司机根据出渣效果，通过刀盘、土仓及螺旋机注入孔，适当调整膨润土的注入量对渣土进行改良。
3、渣土改良效果
根据机械法联络通道实际扭矩对比表4可以看出，总体来看1#、3#联络通道土仓压力较为稳定，2#联络通道施工过程中土仓压力波动频繁，极其不稳定，对地表造成一定的沉降影响，在接收阶段2#、3#联络通道掘进中基本都是泄压掘进的，而这种掘进方式使得套筒内部填料只能通过挤压的方式进行排出，无法全部正常排出，注浆过程中，因前部压力不足，浆液回流至土仓内固结，增加一定的施工风险。
表4 1#、2#、3#联络通道推进参数土压对比表
| 环号 | 1#联络通道 | 2#联络通道 | 3#联络通道 |
| 1 | 1.78bar | 0.29bar | 1.5bar |
| 2 | 1.80bar | 1.55bar | 1.8bar |
| 3 | 1.99bar | 1.56bar | 1.9bar |
| 4 | 2.15bar | 0.75bar | 1.8bar |
| 5 | 2.17bar | 1.15bar | 1.7bar |
| 6 | 1.95bar | 1.05bar | 1.8bar |
| 7 | 2.25bar | 0.00bar | 1.7bar |
| 8 | 2.15bar | 0.33bar | 0.3bar |
| 9 | 2.00bar | 0.00bar | 0.4bar |
根据机械法联络通道实际扭矩对比表5可知，顶管施工期间实际推力及扭矩变化趋势基本相同。1#联络通道平均扭矩在240KN.m左右，2#联络通道平均扭矩在320KN.m左右，3#联络通道平均扭矩在380KN.m左右，变化较为平稳。
表5 1#、2#、3#联络通道推进参数扭矩对比表
| 环号 | 1#联络通道 | 2#联络通道 | 3#联络通道 |
| 1 | 144KN·m | 300KN·m | 300KN·m |
| 2 | 117KN·m | 500KN·m | 700KN·m |
| 3 | 200KN·m | 300KN·m | 180KN·m |
| 4 | 248KN·m | 260KN·m | 260KN·m |
| 5 | 263KN·m | 300KN·m | 300KN·m |
| 6 | 250KN·m | 300KN·m | 280KN·m |
| 7 | 200KN·m | 300KN·m | 200KN·m |
| 8 | 300KN·m | 100KN·m | 400KN·m |
| 9 | 150KN·m | 300KN·m | 100KN·m |
综上，本项目改良后的渣土不喷涌、也不结泥饼，有效降低土仓内渣土的渗透性，进而遏制喷涌的发生，使盾构掘进顺畅、高效，减少停机时间，防止螺旋机中渣土固结，从而保障施工的安全顺利。
Claims (10)
1.一种联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、渣土改良剂确定
S1.1、在联络通道顶管法施工准备阶段，在始发洞门环梁范围内，利用地质勘察报告判定顶管机掘进范围内的土性及其渗透性，选择渣土改良剂的类型和配比；
S1.2、针对富水粉砂层采用膨润土改良剂，膨润土改良剂主要由膨润土溶液和高分子凝聚剂组成；
S2、室内试验
S2.1、掘进前，在现场施工进行取样，测试出开挖面岩土的含水状态；
S2.2、准备合适的试验土样，采用不同配比的膨润土改良剂，按不同的掺量制定试验方案，开展改良渣土的坍落度试验，每个试验方案进行若干组平行试验，取平均值作为最终结果，坍落度在150-200mm范围内即符合渣土塑性流动状态要求；
S2.3、根据坍落度试验结果，按步骤S2.2中配比方案开展搅拌试验，把搅拌均匀的土样放入搅拌桶中，打开仪器，待搅拌电流稳定后再持续搅拌1min-2min后停止，取稳定段电流计算扭矩，取扭矩相对较小，且搅拌扭矩随时间的变化波动也较小的配比作为最终配比；
S3、现场渣土改良剂拌制
S3.1、在联络通道顶管机台车一侧配备膨润土搅拌桶及储浆罐，掘进前，按照室内试验的最终配比要求拌制5m3-10m3膨润土溶液，存放于储浆罐中；
S3.2、膨润土溶液拌制完成后，将称量完成的高分子凝聚剂用水充分溶解，导入膨润土溶液储浆罐中，充分搅拌均匀；
S4、现场施工
S4.1、掘进过程中，根据出渣效果，通过刀盘、土仓及螺旋机注入孔，将膨润土改良剂通过注浆管路注入到顶管机内与开挖土混合，对开挖土进行全断面改良，使开挖土呈塑性流动状态；
S4.2、掘进过程中通过顶管机内的数据实时采集系统采集各项施工运行参数，判定渣土改良效果。
2.根据权利要求1所述的联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，其特征在于：步骤S1.2中，富水粉砂层中，膨润土改良剂中膨润土溶液与高分子凝聚剂配比为(1300:1)-(1500：1)。
3.根据权利要求2所述的联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，其特征在于：膨润土溶液中膨润土与水的配比为(1:5)-(1:3)。
4.根据权利要求1所述的联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，其特征在于：步骤S1.2中，富水粉砂层中，膨润土改良剂与渣土的掺入体积比为15％-20％。
5.根据权利要求1所述的联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，其特征在于：步骤S1.2中，膨润土溶液中的膨润土采用钠基膨润土，钠基膨润土PH值7.5-10，粘度2-10Pa·s。
6.根据权利要求1所述的联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，其特征在于：步骤S1.2中，高分子凝聚剂为固体颗粒。
7.根据权利要求1所述的联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，其特征在于：步骤S3.1中，膨润土溶液在膨润土搅拌桶中配制完成后静置膨化12h以上。
8.根据权利要求1所述的联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，其特征在于：步骤S3.2中，高分子凝聚剂与膨润土溶液搅拌均匀后静置膨化12h以上。
9.根据权利要求1所述的联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，其特征在于：步骤S4.1中，螺旋机设置若干个渣土改良注入口，接入泡沫和膨润土注入系统。
10.根据权利要求1所述的联络通道顶管机施工粉砂土层中全断面渣土改良方法，其特征在于：步骤S4.1中，注浆管路包括注浆管、泵送设备控制线、控制闸门、压力计及泵送设备功率控制设备和注入设备。
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