无水砂卵石地层土压盾构施工技术研究

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1、无水砂卵石地层土压盾构施工泡沫技术研究1引言盾构法是使用盾构机在地下掘进，边防止开挖面土砂崩塌边在机内安全地进行开挖和施作衬砌从而构筑隧道的一种施工方法。因此，盾构法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。目前，在众多盾构机类型中，泥水平衡盾构和土压平衡盾构是各类隧道施工的主流机型[1]。土压式盾构中又有向开挖面注泥的加泥式土压平衡盾构。土压平衡盾构是在切削刀盘及螺旋输送机内部充填的土砂所产生的压力与开挖面的土压保持平衡。施工中主要控制推进千斤顶推力、推进速度、刀盘扭矩和转速、螺旋输送机扭矩和转速以及闸门的开口度等技术参数，使之与开挖面的土压

2、保持动态平衡。有软稠度的粘质粉土和粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机的土层，根据土层的稠度，有时不需要水或只需要加很少量的水，通过搅拌装置在开挖室内的搅拌，即使十分粘着的土层也能变成塑性的泥浆。砂质土也可用土压平衡盾构，但需要向开挖面注入添加剂。盾构掘进时，影响盾构开挖面平衡压力的建立、盾构姿态控制以及地层变形的主要因素是地层土体条件和地下水含量[2]。纵观国内外的盾构施工，在一般的粘性土和砂性土地层掘进已有较多成功实例[2]；文[3，4]介绍了日本在含水砂砾层用泥水平衡盾构开挖隧道的实例；文[5]研究了砾石层盾构切削刀头的新动向；文[6]介绍了土压

3、平衡盾构在卵砾石地层施工的情况。但在全断面无水砂卵石地层中采用土压平衡盾构开挖隧道，国内外尚不多见，本文即以北京市凉水河南岸污水盾构隧道施工为背景[7，8]，对无水砂卵石地层盾构施工泡沫试验及应用技术进行了研究。2工程特点及难点本工程隧道沿线地层断面如图1所示。覆土厚度为5.7～8.1m，地下水埋深位于17.20～17.90m。盾构隧道断面内无地下水，微湿。盾构主要在新近沉积的全断面及部分断面砂卵石、圆砾石层中推进，所穿越的砂卵石地层一般级配良好，粒径为80～150mm，最大粒径250mm，含砂率为20%～25%，内摩擦角为35°左右，粘聚力接近于

4、0，盾构穿越砂卵石的照片见图2。另外，隧道曲线段多，转弯半径小，沿线有大面积的居民区、办公商业区以及京九铁路等重要铁路干线，给工程增加了较大的难度。图1隧道沿线地层断面图Fig.1Longitudinalsectionofthetunnel图2盾构穿越砂卵石的照片Fig.2Sandycobblepicture砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间的孔隙大，几乎没有粘聚力，砂卵石地层在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，①表层：人工堆积之轻、中亚粘土等②新近沉积层之重亚粘土、轻亚粘土等③新近沉积卵石、圆砾层④第四纪沉积层之卵石、圆砾

5、石层③1fx新近沉积细砂～中砂层③1xz新近沉积粉砂～细砂层②1xz新近沉积粉砂～╛O____细砂层第24卷第13期宋克志等.无水砂卵石地层土压盾构施工泡沫技术研究•2329•盾构周围地层成拱性差。刀盘旋转切削时，地层很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大的围岩扰动，使开挖面和洞壁失去稳定，控制不好会导致地表塌陷。盾构在这种地层中掘进所受到的不利影响主要表现在以下几个方面：(1)无水砂卵石颗粒之间摩擦阻力大，难以获得良好的流动性，当切削下来的土充满土室和螺旋输送机内时，会使刀盘扭矩、螺旋输送机转矩及千斤顶推力增大，甚至使开挖排土无法

6、进行。因此，盾构刀盘切削土体时容易使刀盘过热，加剧刀盘刀具的磨损，影响盾构的机械性能。另外，刀盘切削下来的较硬的砂卵石进入螺旋输送机，也会使其工作油压升高而发热，影响其性能，严重时甚至停转。(2)无水砂卵石地层的塑流性差，会导致大颗粒卵石滞留土仓内或向盾构机四周移动，使得盾构机位置和姿态控制变得困难，严重时则无法推进。(3)由于砂卵石地层的塑流性差，设定的工作压力不能顺利地传递到开挖面，不易实现连续的动态平衡，使开挖面稳定难以保持，导致地表隆沉幅度增大，而且顶部大块卵石剥落还会引起地面的突沉。从盾构选型的角度讲，这种地层应该选用泥水加压平衡盾构，但

7、由于多种因素的影响，最终选用了加泥式土压平衡盾构，向盾构土仓内注入泥浆，以改良开挖面土体，扩展土压平衡盾构的应用范围。3泡沫技术研究及工程应用为了使开挖土体具有良好的流动性，必须有30%左右的微细颗粒，砂卵石地层中微细颗粒不足，因此需注入大量泥浆。但施工中发现加泥量过大，土仓内较大的卵砾石会在重力作用下沉至土仓底部，土体不能均匀混合，产生“离析”现象，容易造成刀盘“抱死”现象。因此，为改善泥浆的作用机制，对泡沫技术进行了试验研究，并进行了现场应用。(1)泡沫液粘度泡沫的粘度(强度)与泡沫液的粘度、发泡倍率以及合成泡沫方法有关。室内试验中依据泡沫与土

8、体拌和后的粘聚性、塌落度及透水性，判断所需泡沫液粘度。在无水砂卵石地层条件下，泡沫液的粘度应不低于0.15Pa·s。(2)