無(wú)水砂卵石地層土壓盾構(gòu)施工技術(shù)研究

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1、無(wú)水砂卵石地層土壓盾構(gòu)施工泡沫技術(shù)研究1引言盾構(gòu)法是使用盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)，邊防止開(kāi)挖面土砂崩塌邊在機(jī)內(nèi)安全地進(jìn)行開(kāi)挖和施作襯砌從而構(gòu)筑隧道的一種施工方法。因此，盾構(gòu)法是由穩(wěn)定開(kāi)挖面、盾構(gòu)機(jī)挖掘和襯砌三大要素組成。目前，在眾多盾構(gòu)機(jī)類型中，泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)是各類隧道施工的主流機(jī)型[1]。土壓式盾構(gòu)中又有向開(kāi)挖面注泥的加泥式土壓平衡盾構(gòu)。土壓平衡盾構(gòu)是在切削刀盤(pán)及螺旋輸送機(jī)內(nèi)部充填的土砂所產(chǎn)生的壓力與開(kāi)挖面的土壓保持平衡。施工中主要控制推進(jìn)千斤頂推力、推進(jìn)速度、刀盤(pán)扭矩和轉(zhuǎn)速、螺旋輸送機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速以及閘門(mén)的開(kāi)口度等技術(shù)參數(shù)，使之與開(kāi)挖面的土壓

2、保持動(dòng)態(tài)平衡。有軟稠度的粘質(zhì)粉土和粉砂是最適合使用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的土層，根據(jù)土層的稠度，有時(shí)不需要水或只需要加很少量的水，通過(guò)攪拌裝置在開(kāi)挖室內(nèi)的攪拌，即使十分粘著的土層也能變成塑性的泥漿。砂質(zhì)土也可用土壓平衡盾構(gòu)，但需要向開(kāi)挖面注入添加劑。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，影響盾構(gòu)開(kāi)挖面平衡壓力的建立、盾構(gòu)姿態(tài)控制以及地層變形的主要因素是地層土體條件和地下水含量[2]。縱觀國(guó)內(nèi)外的盾構(gòu)施工，在一般的粘性土和砂性土地層掘進(jìn)已有較多成功實(shí)例[2]；文[3，4]介紹了日本在含水砂礫層用泥水平衡盾構(gòu)開(kāi)挖隧道的實(shí)例；文[5]研究了礫石層盾構(gòu)切削刀頭的新動(dòng)向；文[6]介紹了土壓

3、平衡盾構(gòu)在卵礫石地層施工的情況。但在全斷面無(wú)水砂卵石地層中采用土壓平衡盾構(gòu)開(kāi)挖隧道，國(guó)內(nèi)外尚不多見(jiàn)，本文即以北京市涼水河南岸污水盾構(gòu)隧道施工為背景[7，8]，對(duì)無(wú)水砂卵石地層盾構(gòu)施工泡沫試驗(yàn)及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究。2工程特點(diǎn)及難點(diǎn)本工程隧道沿線地層斷面如圖1所示。覆土厚度為5.7～8.1m，地下水埋深位于17.20～17.90m。盾構(gòu)隧道斷面內(nèi)無(wú)地下水，微濕。盾構(gòu)主要在新近沉積的全斷面及部分?jǐn)嗝嫔奥咽A礫石層中推進(jìn)，所穿越的砂卵石地層一般級(jí)配良好，粒徑為80～150mm，最大粒徑250mm，含砂率為20%～25%，內(nèi)摩擦角為35°左右，粘聚力接近于

4、0，盾構(gòu)穿越砂卵石的照片見(jiàn)圖2。另外，隧道曲線段多，轉(zhuǎn)彎半徑小，沿線有大面積的居民區(qū)、辦公商業(yè)區(qū)以及京九鐵路等重要鐵路干線，給工程增加了較大的難度。圖1隧道沿線地層斷面圖Fig.1Longitudinalsectionofthetunnel圖2盾構(gòu)穿越砂卵石的照片F(xiàn)ig.2Sandycobblepicture砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，顆粒之間的孔隙大，幾乎沒(méi)有粘聚力，砂卵石地層在無(wú)水狀態(tài)下，顆粒之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力，地層反應(yīng)靈敏，①表層：人工堆積之輕、中亞粘土等②新近沉積層之重亞粘土、輕亞粘土等③新近沉積卵石、圓礫層④第四紀(jì)沉積層之卵石、圓礫

5、石層③1fx新近沉積細(xì)砂～中砂層③1xz新近沉積粉砂～細(xì)砂層②1xz新近沉積粉砂～╛O____細(xì)砂層第24卷第13期宋克志等.無(wú)水砂卵石地層土壓盾構(gòu)施工泡沫技術(shù)研究?2329?盾構(gòu)周?chē)貙映晒靶圆睢５侗P(pán)旋轉(zhuǎn)切削時(shí)，地層很容易破壞原來(lái)的相對(duì)穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而產(chǎn)生坍塌，引起較大的圍巖擾動(dòng)，使開(kāi)挖面和洞壁失去穩(wěn)定，控制不好會(huì)導(dǎo)致地表塌陷。盾構(gòu)在這種地層中掘進(jìn)所受到的不利影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)無(wú)水砂卵石顆粒之間摩擦阻力大，難以獲得良好的流動(dòng)性，當(dāng)切削下來(lái)的土充滿土室和螺旋輸送機(jī)內(nèi)時(shí)，會(huì)使刀盤(pán)扭矩、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)矩及千斤頂推力增大，甚至使開(kāi)挖排土無(wú)法

6、進(jìn)行。因此，盾構(gòu)刀盤(pán)切削土體時(shí)容易使刀盤(pán)過(guò)熱，加劇刀盤(pán)刀具的磨損，影響盾構(gòu)的機(jī)械性能。另外，刀盤(pán)切削下來(lái)的較硬的砂卵石進(jìn)入螺旋輸送機(jī)，也會(huì)使其工作油壓升高而發(fā)熱，影響其性能，嚴(yán)重時(shí)甚至停轉(zhuǎn)。(2)無(wú)水砂卵石地層的塑流性差，會(huì)導(dǎo)致大顆粒卵石滯留土倉(cāng)內(nèi)或向盾構(gòu)機(jī)四周移動(dòng)，使得盾構(gòu)機(jī)位置和姿態(tài)控制變得困難，嚴(yán)重時(shí)則無(wú)法推進(jìn)。(3)由于砂卵石地層的塑流性差，設(shè)定的工作壓力不能順利地傳遞到開(kāi)挖面，不易實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)態(tài)平衡，使開(kāi)挖面穩(wěn)定難以保持，導(dǎo)致地表隆沉幅度增大，而且頂部大塊卵石剝落還會(huì)引起地面的突沉。從盾構(gòu)選型的角度講，這種地層應(yīng)該選用泥水加壓平衡盾構(gòu)，但

7、由于多種因素的影響，最終選用了加泥式土壓平衡盾構(gòu)，向盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)注入泥漿，以改良開(kāi)挖面土體，擴(kuò)展土壓平衡盾構(gòu)的應(yīng)用范圍。3泡沫技術(shù)研究及工程應(yīng)用為了使開(kāi)挖土體具有良好的流動(dòng)性，必須有30%左右的微細(xì)顆粒，砂卵石地層中微細(xì)顆粒不足，因此需注入大量泥漿。但施工中發(fā)現(xiàn)加泥量過(guò)大，土倉(cāng)內(nèi)較大的卵礫石會(huì)在重力作用下沉至土倉(cāng)底部，土體不能均勻混合，產(chǎn)生“離析”現(xiàn)象，容易造成刀盤(pán)“抱死”現(xiàn)象。因此，為改善泥漿的作用機(jī)制，對(duì)泡沫技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。(1)泡沫液粘度泡沫的粘度(強(qiáng)度)與泡沫液的粘度、發(fā)泡倍率以及合成泡沫方法有關(guān)。室內(nèi)試驗(yàn)中依據(jù)泡沫與土

8、體拌和后的粘聚性、塌落度及透水性，判斷所需泡沫液粘度。在無(wú)水砂卵石地層條件下，泡沫液的粘度應(yīng)不低于0.15Pa·s。(2)