泥水盾构在不良地层的气压开舱施工.doc

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1、泥水盾构在不良地层的气压开舱施工摘要:在广州地铁某区间施工中,由于地质条件变化而需要在软弱土层中对盾构机刀具进行更换,通过采取优质泥膜、封堵漏气通道等措施及保压实验、合理的作业流程等,顺利实现了气压开舱作业,是软土施工中的一次突破。关键词:盾构;气压开舱;压缩气体;泥膜;保压试验;开挖面盾构施工作为先进的地下空间非开挖技术,近年在市政工程中的应用越来越广,但地下隧道盾构施工经常会因刀具磨损、清除泥饼、更换刀具等原因,需要施工人员进入土舱内作业,而由于土舱与开挖面存在刀盘开口,开挖面坍塌或涌水、涌砂等都会对舱内作业造成很大的风险,因此开舱作业在很大程

2、度上受到地质条件的制约。本文通过在砂层浅覆土段盾构气压开舱施工实践,对在不良地层进行气压开舱作业的问题进行探讨。1盾构施工概况广州珠江新城土建1标[林～体]盾构区间由林和西站始发,向体育中心站方向掘进,左、右线隧道分别长586.9m和587.5m,采用泥水平衡盾构法、德国产的盾构机进行施工。当该区间隧道掘进至天河体育中心体育馆旁(295环,442.5m)位置时扭矩和推力增大,导致盾构机掘进困难。在进行补充勘探后发现地层有较大变化,微风化岩层已进入隧道13的范围,与原勘查资料有较大出入。该岩层完整性好且强度高达35MPa,而盾构刀盘原配置的刀具破岩能

3、力不足,需要进行开舱更换硬岩刀具才能继续掘进。由于体育馆内正举办国际体育赛事,地面不具备处理条件,因此考虑采用隧道内开舱换刀的施工方案。根据补勘获得的地质剖面图,可以发现盾构机正处于特殊的上软下硬地层,盾构埋深仅7.9m,上覆土层为③-1杂填土、③-2砂层、④-1粉质粘土层;隧道范围为④-1粉质粘土层、③-2砂层、⑤-2粘土层、⑨微风化岩层,隧道下部为⑨地层。其中③-2砂层级配良好,粉粒、粘粒含量28%,④-1地层粘性好,透水性较差。各土层分布如图1所示。2气压开舱作业气压开舱作业是指利用压缩空气充填至开挖面,利用气压平衡开挖面围岩的水土压力,以保

4、证土层稳定,在气压状态下施工人员进入土舱内作业。施工时必须保证气压稳定及土体稳定,由于盾构机上部及上覆土层均为软弱地层,开舱作业存在坍塌的风险,且砂层气体容易泄漏,气压易失稳,在这种地层中一般不考虑气压开舱作业。由于本地层砂层粘粒含量较大,而盾构机采用泥水平衡方式,在开挖面形成的泥膜对防止气体泄漏及维持土体稳定很有利,在盾构停机12d期间地层未发生变化,证明在该地层进行保压作业是有可能的。为确认气压保压情况及土体稳定,需要采取一些措施和试验验证。2.1提高泥膜质量3泥膜是泥浆在开挖面形成的一种隔膜,可使泥浆与土体隔离开来,如果在气压开舱前能在开挖面

5、形成优质泥膜,则能有效防止气体泄漏,并使气体压力有一个作用面与水土压力保持平衡,因此保证开挖面的泥膜质量尤其对于砂质地层很有必要。施工中通过在泥浆加入膨润土和CMC,调整泥浆比重达到1.3gcm3,粘度达到30s,再将优质泥浆泵送至开挖面。为了增大泥膜的厚度,需要使泥浆尽量渗入土层中,采用压力差的方式增加泥浆的渗透量。在盾构机内提高开挖面泥浆的设置压力,使其较理论切口水压大40kPa,并保持压力1h,以使泥浆充分渗透入土体而形成较厚的泥膜。2.2封堵漏气通道由于盾构机开挖直径较盾构机筒体大,筒体与土体间形成间隙,将使开挖面的气体泄漏至盾尾,并从盾尾

6、管片间隙漏出(如图2),为保证气压稳定,必须封堵漏气通道。经研究决定在筒体内向外注入膨胀性材料进行封堵,具体是在盾构机中体上按圆周分4个点位向外周灌注聚氨酯材料,遇水膨胀后可有效封堵间隙以免漏气。2.3保压试验为了确保开舱期间气压稳定以及检验供气设备的持续供气能力,开舱前进行了保压试验,其流程如图2所示。气压设置为盾构机所处位置的水土压力增加20kPa,从试验记录发现保压期间土舱内气压稳定在设定值,空压机启动频率稳定,供气正常,地面未发生变形及漏气现象,证明该地层可以实现气体稳压,空压机的供气量也完全满足稳压要求,从环流出渣情况看来,没有多余的渣土

7、被带出,说明开挖面土层稳定,未发生坍塌情况。2.4带压进舱检查为了进一步检查开挖面土体稳定及泥膜形成情况,正式开舱作业前由施工人员带压进舱检查,发现开挖面完整,没有流水、坍塌现象,泥膜形成均匀,拨开局部泥膜发现露出砂层较硬结,说明气压有效将土层中的水挤压出去,可以平衡水土压力。2.5带压进舱作业根据试验及检查情况,项目部制定了进舱作业流程,如图4所示。考虑到泥膜在气体压力作用下的干缩(类似真空预压),泥膜长时间暴露在压缩气体中会产生龟裂而影响保压效果,因此设定每次气压作业不超过12h,每次完成后立即注入优质泥浆,重新保压和修复泥膜。本次带压进舱作业

8、共4d,顺利更换了15把刀具,其间开挖面稳定,地面监测正常,实现了预期目标。2.6施工注意事项⑴气压设定必须合理,除要求稳