专利名称：复合砂砾石地层中的盾构土体改良施工方法
技术领域：
本发明涉及一种盾构土体改良施工方法，尤指一种复合砂砾石地层中的盾构土体 改良施工方法。
背景技术：
土压平衡盾构机在隧道工程中被广泛应用，其适应不同地质条件(粘性土、砂性 土、砂砾石甚至是软岩)的能力最强。但并非所有的地层均具有良好的塑性流动性、较低 的渗透性以及内摩擦角，例如在我国成都地区，地质条件为中砂和砾石、中密 密实卵石 土，最大漂石粒径φ = 210mm，特有的成都粘土，其天然含水量w和天然孔隙比e较小，压 缩系数a值小而抗剪强度较高，属于复合砂砾复合地层，盾构在此条件下掘进，土体塑流性 差，易产生如下问题1)开挖面不稳定砂砾石地层是一种典型的力学不稳定地层，盾构的掘进施工会 对土体造成较大的扰动，对开挖面的稳定造成较大的影响。2)螺旋输送机的喷涌盾构施工中压力舱和螺旋排土器内的土体不能有效抵抗 开挖面上的水土压力，在螺旋排土器出口处发生喷砂、喷泥和喷水的现象。3) 土仓的结饼和闭塞由于缺乏流动性的开挖土，在盾构机推进压力和温度的作 用下，土体固结失水形成坚硬“泥饼”，土仓内壁成拱，如果没有其它补救措施，使整个土舱 发生堵塞，导致刀盘扭矩过大，掘进困难或无法进行，引发刀盘主轴承温度上升，加速主轴 承的损坏，甚至会出现主轴承“烧结”、“抱死”的严重后果，造成巨大的施工风险。4)机械设备负荷大刀具、刀盘与土体间的摩擦系数大，因此，扭矩及推力也相应 的增大，造成电流消耗及油压负荷增大，机械故障发生频率高，机械设备寿命减短。5)发生卡机事件若开挖面不能保证平衡，开挖面前上方发生坍塌，或遇到卵石 块较多的情况，就会发生卡机事件，使得盾构机刀盘不能转动。6)刀具的磨损盾构在砾石地层中掘进不可避免地会导致刀盘扭矩的增大，进而 导致刀具的磨损，增加了施工的难度与施工成本。将各种不良土层改良为符合土压平衡盾构掘进施工的要求，关键要对盾构施工土 体进行有针对性的土体改良，从而控制土体的塑流性，降低土体的摩擦系数，降低刀盘扭矩 和机械负荷，使螺旋输送机排土顺畅，实现土压的动态平衡，保持各项施工参数相互匹配、 相对稳定，同时有效的渣土改良也可使土压传递均勻，更有利于开挖面的土压平衡控制。选 择合适的改良添加剂和土体改良方法是盾构在此地层中掘进的一个关键问题。在以往的地铁盾构施工中，土体改良技术多采用泡沫进行改良，取得的效果颇佳。 而在对于复合砂砾石地层(例如成都)，在采用泡沫进行初始的掘进试验之后，存在以下问 题1)砂砾石地层中的孔隙率较大，浅覆土施工过程中，泡沫的喷射压力过大容易将 地面击穿；2)成都地区的砂砾石地层为密实土层，切削强度高，需要很高的泡沫注入率才能满足掘进速度要求，大量的泡沫注入刀盘与土仓内会对土仓内部的压力造成一定的波动， 对盾构操作控制带来难度，容易造成施工风险；3)成都地层的地下水位受季节及施工降水的影响较大，土层含水率变化快，泡沫 的使用受土层含水率影响较大，泡沫注入率不易控制；4)泡沫改良费用昂贵，使用泡沫进行施工掘进一环(管片幅宽1. 5m)的泡沫剂用 量在80 120L左右，费用在1000 1500元/环，施工成本高
发明内容
有鉴于上述现有盾构施工中，泡沫土体改良技术的不完善，本发明要解决的技术 问题是提供了一种复合土体改良方法，以适应复合砂砾石地层中的盾构施工。为解决上述技术问题，本发明提供一种复合砂砾石地层中的盾构土体改良施工 方法，包括以下步骤a.准备步骤在盾构掘进前，准备好各改良添加剂，所述改良添加剂包括水、膨润土浆液以及泡 沫剂；调试改良系统设备，所述改良系统设备包括盾构内的供水系统，用于提供水；盾构 内的泡沫改良系统，用于提供泡沫；以及独立的膨润土浆液输送系统；b.改良步骤盾构掘进时，通过所述改良系统设备向刀盘正面、土仓内及螺旋机处注入所述改 良添加剂，且视土体情况调整改良添加剂的使用参数，其中1).在覆土深度为10 20m，卵 石含量占整个土体容重的30 65%的工况条件下泡沫浓度3%、泡沫发泡率12 15、 水注入率25 30%、泡沫注入率40 70%、膨润土浆液注入率0 10%、膨润土浆液比 重< 1. 06g/cm3，粘度> 28s ；2).在覆土深度为小于10m，卵石含量占整个土体容重的30 65%的工况条件下泡沫浓度0%、水发泡率12 15、水注入率30%、泡沫注入率0%、 膨润土浆液注入率10%、膨润土浆液比重< 1.06g/cm3，粘度> 28s ；3).在覆土深度为 10 20m，卵石含量大于整个土体容重的65%的工况条件下泡沫浓度3%、泡沫发泡率 8 12、水注入率10 20%、泡沫注入率80 120%、膨润土浆液注入率0%4).在覆土 深度为10 20m，卵石含量小于整个土体容重的30%的工况条件下泡沫浓度3. 5 5%、 泡沫发泡率15 25、水注入率0 10%、泡沫注入率70%、膨润土浆液注入率10%、膨 润土浆液比重< 1. 10g/cm3，粘度> 40s。本发明采用加水、泡沫及膨润土浆液作为复合改良添加剂，辅以专门的改良设备 和工艺，根据盾构掘进时所遇到的实际工况条件对刀盘正面、土仓内或螺旋机处进行有选 择性地注入不同添加剂，在复合砂砾石地层的盾构中，起到提高土体塑流性，降低刀盘扭 矩，稳定开挖面以及提高掘进效率的作用。
图1为本发明泡沫改良系统原理示意图。
具体实施例方式下面结合本发明所依托的具体工程实施例作进一步详细说明。
以成都某地铁区间隧道施工土体改良工艺为例，该隧道采用的土压平衡盾构机刀 盘最大直径为6. 28m,总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300KN -m,最大推进力为36400kN， 最大掘进速度可达8cm/mi n，刀盘的开口率约为28%。衬砌采用预制钢筋混凝土管片，衬 砌外径6000mm，内径5400mm。区间采用1. 2m和1. 5m两种幅宽的管片，曲率半径小于或等 于400m及加强段，采用1.2m幅宽管片；曲率半径大于400m时，采用1.5m幅宽管片。隧道 埋深约10 28m，开挖土层主要以密实卵石土为主。 在隧道施工初期，掘进过程采用全程注泡沫的方式进行土体改良，由于隧道覆土 浅，处于地下水位之上，掘进全断面无水，刀盘切削强度高，施工过程中出现了刀盘扭矩太， 掘进速度慢，机械负载高，土压力波动大，刀盘磨损严重，施工成本高等问题。通过不断的 摸索与试验，总结出了适应于复合砂砾石地层的盾构掘进土体改良方法，主要包括以下步 骤1.改良添加剂的拌制与准备措施工艺；在盾构掘进前，准备好各改良添加剂，改良添加剂包括水、膨润土浆液以及泡沫 剂；调试改良系统设备，改良系统设备包括盾构内的供水系统，用于提供水；盾构内 的泡沫改良系统，用于提供泡沫；由于膨润土浆液不能与泡沫、水共用相同的注入管路(浆 液搅拌不均或杂质容易堵塞管路)，因此采用独立的膨润土浆液输送系统膨润土浆液预 先拌制，然后通过运输系统输送至盾构内的膨润土浆液储浆槽内，再通过一台挤压泵将膨 润土浆液通过独立添加的管路注入土仓内。。上述改良添加剂的使用参数包括泡沫浓度、发泡率、以及注入率。其中泡沫剂 与水按一定比例所配置的泡沫混合液(泡沫)即为泡沫浓度，泡沫的浓度一般设定在 5%之间；泡沫混合液与高压气体在泡沫发生器的作用下生成数倍于泡沫混合液体积的泡 沫即为泡沫发泡率，若泡沫浓度为0%时则称为水发泡率；泡沫、水以及膨润土注入开挖土 体中与土体混合的比例即为注入率。如上所述，泡沫的各项参数可通过盾构泡沫改良系统 的操作面板进行设定与调节，可通过盾构内的改良系统管路向刀盘正面、土仓内及螺旋机 处注入泡沫。泡沫改良系统原理示意图如图1所示当把泡沫浓度调整为0时，即为注水的改良方式，注入方式与管路与泡沫系统基 本相同。而膨润土浆液采用独立输送系统膨润土浆液预先拌制，然后通过运输系统输送至 盾构内的膨润土浆液储浆槽内，再通过一台挤压泵将膨润土浆液通过独立添加的管路注 入土仓内，膨润土浆液的拌制配合比及浆液性能指标控制如下表1所示(Kg/m3)表1膨润土浆液配合比及性能参数指标
权利要求
一种复合砂砾石地层中的盾构土体改良施工方法，其特征在于包括以下步骤a.准备步骤在盾构掘进前，准备好各改良添加剂，所述改良添加剂包括水、膨润土浆液以及泡沫剂；调试改良系统设备，所述改良系统设备包括盾构内的供水系统，用于提供水；盾构内的泡沫改良系统，用于提供泡沫；以及独立的膨润土浆液输送系统；b.改良步骤盾构掘进时，通过所述改良系统设备向刀盘正面、土仓内及螺旋机处注入所述改良添加剂，且视土体情况调整改良添加剂的使用参数，其中1).在覆土深度为10～20m，卵石含量占整个土体容重的30～65％的工况条件下泡沫浓度3％泡沫发泡率12～15水注入率25～30％、泡沫注入率40～70％、膨润土浆液注入率0～10％膨润土浆液比重＜1.06g/cm3，粘度＞28s；2).在覆土深度为小于10m，卵石含量占整个土体容重的30～65％的工况条件下泡沫浓度0％发泡率12～15水注入率30％、泡沫注入率0％、膨润土浆液注入率10％膨润土浆液比重＜1.06g/cm3，粘度＞28s；3).在覆土深度为10～20m，卵石含量大于整个土体容重的65％的工况条件下泡沫浓度3％泡沫发泡率8～12水注入率10～20％、泡沫注入率80～120％、膨润土浆液注入率0％4).在覆土深度为10～20m，卵石含量小于整个土体容重的30％的工况条件下泡沫浓度3.5～5％泡沫发泡率15～25水注入率0～10％、泡沫注入率70％、膨润土浆液注入率10％膨润土浆液比重＜1.10g/cm3，粘度＞40s。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在盾构推进前或停止间隙期间往刀盘正 面注水4 5m3。
全文摘要
本发明提供一种复合砂砾石地层中的盾构土体改良施工方法，采用加水、泡沫及膨润土浆液作为复合改良添加剂，辅以专门的改良设备和工艺，根据盾构掘进时所遇到的实际工况条件对刀盘正面、土仓内或螺旋机处进行有选择性地注入不同添加剂，起到提高土体塑流性，降低刀盘扭矩，稳定开挖面以及提高掘进效率的作用。
文档编号E21D9/06GK101967978SQ20101010565
公开日2011年2月9日 申请日期2010年2月4日 优先权日2010年2月4日
发明者刘喜东, 吴惠明, 张亮, 彭建成, 阮关荣, 魏新良, 黄 俊 申请人:上海隧道工程股份有限公司