土压平衡盾构穿越不良地质施工技术

来源 :安家(建筑与工程)上旬刊 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chenchen0513
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  摘要:文章主要是分析了土压平衡盾构穿越富水砂土层的过程中存在的一些技术难题,然后主要是以白芒河项目隧洞段为对象,实施了室内和现场的渣土改良泥浆的实验,在研究和分析中确定了采用到膨润土+羧甲基纤维素钠(CMC)作为渣土的改良所使用到的泥浆,同时确保到配合比,望能为有关人员提供到一定的帮助和参考。
  关键字:土压平衡盾构;富水砂土层;渣土改良泥浆;配比试验中图分类号:TU 文献标识码:A 文章编号:(2020)-07-161
  1、前言
  土压平衡盾构在施工的过程中容易收到各方面因素的影响,这些因素的存在导致盾构机出现推进困难、出土不易等的问题。对其当前存在的难题,我国采用到了掺入改良剂,希望能改善砂性土的整体性能。泡沫剂是改良剂中使用的最多的材料。但由于泡沫剂的造价相对较高,转而使用到了另外一种较为节约的膨润土泥浆。
  2、工程概况
  隧洞起点位于高光匝道路口、沙河西路西侧,向东穿过沙河西路(下穿铁石引水隧洞)后再西丽水库区沿着沙河西路向南延伸,依次侧穿西丽水库1库尾、2库尾,出西丽水库后下穿西丽湖和九祥岭山体,然后汇入大沙河,隧洞长度3366m。以往在穿越河底类似地层时,采用泥水平衡盾构机施工。残积土、中风化花岗岩、强风化花岗岩、全风化花岗岩等复杂地层。因此,综合考虑,决定采用复合土压平衡盾构机施工。砂层粘聚力小,是典型的软弱不稳定地层,对环境影响敏感干扰。砂土被切割或扰动后,很容易破坏原有的相对平衡和稳定状态,造成坍塌。盾构机在掘进过程中,由于塑性差,失去了稳定性,进而破坏了地表崩溃。在砂流时,刀盘会切割土壤,而螺旋挖掘机对土壤的运输效果较差。在闽江土盾构施工之前,根据闽江底部强渗透性砂层的土壤特性,探讨和研究了盾构施工过程中可能存在的问题和技术难题。结果表明,EPB盾构穿越富水砂层的不利影响主要有:1.在砂土中,砂的内摩擦角大,流动性差。当土壤干燥时,沙子在土壤腔中的内摩擦角很大,压力平衡罩上充满沙子。盾构刀头,螺旋输送机的扭矩以及盾构机尾千斤顶的推力会大大增加,甚至导致开挖困难。
  2.盾构机刀盘在切割砂土时,摩擦会使刀盘温度升高,加剧刀盘刀具的损耗,严重影响盾构机的整体性能;3.由于砂土的流动塑性差,土壤底部会残留大颗粒砾石保护器的腔体,这使得很难控制保护器的姿态。在严重的情况下,基于以上困难,为了实现土水平衡盾构在富水砂层中顺利推进,有必要对渣土进行改良,使普通土压平衡盾构机能更好地发挥作用适应性。
  3、土压平衡盾构机在砂土施工中的主要问题
  在土压力平衡盾构施工中,要求隧道内的土壤具有一定的流体可塑性和低渗透性。在盾构施工中,为了确保隧道的稳定性,有必要用土仓填满泥面。螺旋输送机用于排出土壤,以保持排出的土壤量与刀盘切割量之间的平衡,并确保隧道表面的土壤压力平衡。砂的内聚力小,冲击次数多,摩擦阻力高。刀头切下的污泥进入盾构机时,会增加螺旋输送机的扭矩和盾构机的施工阻力,直接导致施工进度变慢,增加了施工成本。在富水砂层的盾构施工中,工作面地层对盾构机内土压力的变化非常敏感,盾构施工容易破坏原层的结构平衡,面积大。破坏和崩溃,无法控制挖掘面上的土压力,危及施工人员和周围建筑物的安全。由于砂层开挖的可塑性差,砂粒与厚砂层之间的摩擦阻力大,克服致密层所需的推力要比普通地层大得多,螺旋输送机更难倾倒土壤,进一步增加了刀头的扭矩,大大增加了盾构姿态控制的难度,影响了施工进度。
  4、渣土改良泥浆性能研究
  4.1、相对密度
  从确保挖掘面的稳定性的观点来看,泥浆的相对密度和细颗粒组成将改善成膜性能。另外,泥浆的相对密度将增加在切削泥浆上的悬浮力,并且泥浆将被破坏以进行运输。运输效果也不错,但相对稠密的泥浆流动性差,容易造成泥浆泵超载。泥浆的相对密度小,流动性好,但成膜效率低,不利于开挖面的稳定性,混合浆液的相对密度应为1.02-1.07。
  4.2、黏度
  泥浆粘度反映出了泥浆流动时固体颗粒之间、固体颗粒与液体之间、液体分子之间的内摩擦。泥浆的成分非常复杂。它是一种具有凝胶结构和触变塑性流体的胶体体系。内耗也相当复杂。为了保证泥浆的成膜性和悬浮性,泥浆应具有一定的粘度。因此,应采取以下措施:防止泥浆中的粘土、砂粒进入盾构机土腔引起位移,保持盾构机切割面稳定;防止泥浆外溢;将切割后的淤泥以液塑性形式运出。
  5、渣土改良泥浆试验研究
  5.1、室内小样试验
  首先,在现场现有材料的基础上进行室内取样试验,以完成现场现有条件下泥泥比的测定现场。性能指标测试表明,纯膨润土泥浆存在粘度低、相对密度高、体积大等问题体积,水损失。损失相对密度随物料含量的增加而增加,但粘度的增加和失水量的减少都比较缓慢,其中改性泥浆的性能指标要求不同泥浆。因此利用纯膨润土制备合适的改性砂泥浆是一个难点。针对制备性能优良的纯膨润土泥浆的困难,提出了一种性能优良的化学添加剂。这种材料要求增加粘度和水溶性,可以减少膨润土的用量,保证粘度的增加和失水的减少。这是基于我们在泥浆研究方面的经验和我们对泥浆材料的理解。最后,选择CMC作为化学添加剂。CMC具有增稠增稠功能,如保水、无毒、无腐蚀、对人体无害、不污染环境等。采用膨润土CMC制备泥浆进行性能测试。加入CMC后,浆料的性能指标明显提高改进。添加当CMC浓度为0.3%时,浆液粘度提高80%左右,失水率降低80%左右,浆液相对密度在合理范围内。为了使改造方案合理、经济,首先制备不同浓度的膨润土泥浆。膨胀24h后,研究钠基膨润土浆液的浓度和粘度特性,得到所需的浆液浓度范围改进试验,在两种情况下,即浆液加入量與浆液浓度相同时,探讨了膨润土钠浆浓度和加入量对改性效果的影响,对残渣的作用进行了探讨,得出了膨润土泥浆的最佳浓度和体积配比,使改性后的砾砂具有流动塑性状态。在上述试验的基础上,混合膨润土和羧甲基纤维素,以获得紧急混合比例,防止施工期间飞溅。   5.2、现场拌制试验
  上述试验中测得的性能指标是在室内混合样品中测得的。那里对泥浆的实际混合有一定的限制现场。现场搅拌速度、搅拌均匀性、放置条件不符合室内样品搅拌条件,室内混样可按以下步骤进行:需要。根据本着现场施工操作简单明了的原则,现场搅拌桶容积为1.3m3,每袋膨润土重量为25kg,每袋CMC重量为0.25。客观条件也限制了现场搅拌的随意性:土压平衡盾构穿越富水砂层泥浆改良泥浆配合比的研究与应用。实验室样品测试主要是要充分掌握所选泥浆材料的性能指标,从而有针对性地进行现场测试。仍需通过现场混合试验确定现场使用的浆料比例。通过将现场混合试验的结果与实验室测试和现场试验的结果进行比较,可以得出结论,在相同的混合比下,在室内放置一天后,现场混合泥浆的粘度很小。实验室小样品试验泥的粘度增加了1.5倍以上,实验室小样品试验泥的粘度增加了1.5倍以上,现场搅拌桶泥的粘度增加了约1倍。膨润土的质量分数应控制在9%~10%,CMC的膨润土的质量分数应控制在0.4%~0.5%的范围内。
  5.3、泥浆砂土融合试验研究
  为了测试膨润土浆料的改善效果,在将沙子浸入水中之后进行浆料熔融测试。膨润土泥浆和不同体积比的砂用于改性各种砂。测量膨润土的坍落度,并确定膨润土泥与砂的最佳体积比。通过文献综述和实际施工经验,当砂中的粘土含量达到20%时,砂很容易排出,并进行了土壤清洁和泥浆熔融测试,以测试泥浆改良砂的效果,结果表明,当浆液粘度大于或等于100s时,砂子与浆液充分混合。抓紧手工操作对聚合物有明显的粘度效应,基本上没有明显的偏析现象。在这次残渣的坍落度是11厘米,渗透系数为9.29×10-6cm/s。基于以上实验研究和分析,为保证沙土的良好结合,现场施工所用泥浆的粘度应大于或等于100s,但新泥浆的粘度难以在现场达到100s,因此,应将实际的泥浆放置24小时,并在完全水化后使用,通过测试确定现场使用的新泥浆比例为:5包(125kg)每桶水(1.3立方米),膨润土ad石的CMC含量为20包(5千克)。
  6、改良的主要措施
  大量工程实践研究表明,在盾构施工过程中,土体改良是保证盾构施工顺利、安全、快速的重要技术手段之一。矿渣改良具有以下效果:使开挖面土层具有一定的流动塑性和低流动性从而形成较好的土压力平衡效果,减少对原地层平衡的干扰,保持开挖状态稳定性:提高残积土的流动塑性,使被刀盘切割的残积土顺利、快速地进入盾构机的土箱,有利于螺旋输送机排土。改进后的污泥具有较低的渗透系数和较好的水封性能,可以有效避免盾构开挖引起的涌水现象。改进后的砂土的摩擦阻力小,可以降低盾构施工阻力和盾体磨损,有效控制盾构的掘进姿态,提高掘进效率。有些材料有时单独使用,有些材料组合使用。矿渣土壤改良的主要目的是使原始土壤层成为具有一定流动性和抗渗性的土壤。可以将一些细颗粒添加到残留物中以改善其物理和机械性能,高吸水性树脂能吸收数百倍于自身重量的水形成凝胶。因此, 高吸水性树脂材料对防止高水基涌水有良好效果。压力,水-可溶性高分子材料能有效地改变材料的力学性能淤泥界面活性材料是一种相对先进的改善环境的方法泥浆。改善熔渣是由注入泡沫制成的特殊材料发泡剂。在平衡式盾构隧道施工中,通过向盾构机内注入气泡,并与开挖土混合,可以改善开挖土的质量。
  7、应用实施效果
  在有效控制粉土改良和施工参数的基础上,通过对粉土状态和盾构掘进参数的观测,结果表明,出渣的粘结性和流动塑性得到了很大的提高。盾构推力、刀盘扭矩和驱动速度均在合理范围内。螺杆无超挖、涌出现象。总体而言,盾构掘进参数控制效果明显,达到了预期效果。在施工过程中,盾构机总推力基本控制在15000~25000kN之间,在盾构机额定总推力的35%~59%范围内机器。在施工过程中,盾构机刀盘扭矩一般控制在3.0MN·m以内,刀盘平均扭矩为控制在2.2MN·m左右,由于淤泥改善效果明显,施工参数得到有效控制,盾构机在整个砂层的掘进速度大大提高,平均达到55mm/min。
  8、结束语
  由上可知,在渣土改良的基础上对渣土状态等都进行一个实时的检测,从中发现了黏土的流塑性、黏聚性等都得到了一个明显的改善,其中的盾构推理、掘进速度以及刀盘扭矩等都已经处在一个合理的范围内,从而有效确保到富水砂土层中土压平衡盾构机的顺利完工。
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