盾构施工渣土改良专项方案

盾构施工渣土改良专项方案1编制依据（1）隧道施工图（2）铁路隧道工程施工技术指南（TZ204-2008）（3）公司《质量管理体系-要求》（GB/T19001-2000）一、工程概况本工程盾构区间总长度3566.5m，附属工程包括7个联络通道、2个防淹门、12个洞门。盾构区间采用德国进口的两台直径8.84米的海瑞克土压平衡盾构机进行施工。二、工程地质条件和水文地质条件2.1地形地貌本线地处广东省中部，沿线经过珠江三角洲海陆交互沉积平原区，地形平坦，地面高程多为0～10m，仅佛山西站附近有零星剥蚀残丘分布，高程10～20m。区内道路纵横，水网发达，河流纵多，主要河流有汾江、东平水道、吉利涌、潭洲水道、陈村水道等，均为通航河道。2.2工程地质条件（1）洞身地层本标段区间盾构隧道范围地层岩性按成因和时代分类主要有：第四系人工填土层1-1；第四系全新统海陆交互沉积层2-1、2-2、3-1、3-2、3-3、3-4、4-1；第四系全新统残积层5；白垩系下统基岩7-1、7-2、7-3。在里程DK31+439~DK32+260洞身范围地层主要为上软下硬，上部为砂层或全风化或强风化砂质泥岩、砂岩W4、W3（821m）；里程DK32+260~DK34+500洞身范围地层主要为弱风化砂质泥岩、砂岩W2（2240m）；里程DK34+500~DK35+005.5洞身范围地层主要为上软下硬，上部为强风化砂质泥岩、砂岩W3，下部为弱风化砂质泥岩、砂岩W2（500.5m）。（2）洞身地层分布统计根据目前提供的地质断面图，隧道洞身地层统计如下表所示：表2-1隧道地层统计地层比例折合长度（m）左线淤泥2-23.48%124.1盾构施工渣土改良专项方案2粉砂3-10.33%11.3细砂3-20.38%12.8中砂3-30.29%9.8粉质粘土(残积）50.25%8.5粉质粘土(沉积）4-12.10%74.9全风化砂质泥岩、砂岩7-14.98%168.6强风化砂质泥岩、砂岩7-216.98%574.9弱风化砂质泥岩、砂岩7-376.26%2581.8合计100%3566.5右线粉砂3-13.46%123.3中砂3-30.60%19.0粉质粘土(残积）50.90%29.5粉质粘土(沉积）4-11.93%68.8全风化砂质泥岩、砂岩7-14.60%155.7强风化砂质泥岩、砂岩7-210.8%365.6弱风化砂质泥岩、砂岩7-382.9%2804.6合计100%3566.5（3）岩层特性全风化砂质泥岩、砂岩W4：灰色，棕红色，原岩结构已经破坏，岩芯呈土状，水浸易软化崩解。强风化砂质泥岩、砂岩W3：棕红色、深灰色，泥质、铁质胶结，裂隙很发育，岩芯呈碎块状、局部短柱状，锤击易碎。弱风化砂质泥岩、砂岩W2：棕红色、深灰色，泥质、铁质胶结，中厚层状构造，裂隙稍发育，岩芯呈短柱状、柱状。（4）岩石的物理力学性质根据我司的勘察报告，在岩样中取样进行岩石试验及原位测试，结果如下所示：岩石（弱风化）的天然抗压强度最大值为53.0MPa，最小值3.7MPa，平均值20.36MPa。强风化岩层的推荐基本承载力为400kPa。盾构施工渣土改良专项方案3全风化岩层的实测标准贯入试验值N=10~59击，标贯平均击数36击。○Ⅲ级硬土，推荐基本承载力为200kPa。2.3水文地质条件2.3.1地表水地表水：线路主要经过河涌和陈村水道，地表水系主要为陈村水道水系。2.3.2地下水地下水主要是第四系土层中的孔隙水和基岩风化裂隙水。勘测期间测得第四系孔隙潜水地下水水位埋深在0.4~6.1m；主要接受大气降水、地表补给，通过地表蒸发、人工开采、地表径流等方式排泄。第四系孔隙水主要赋存于海陆交互沉积层中的粉砂、细砂、中砂、粗砂中，海陆交互含水层厚度较大，分布较连续，径流畅通，渗透性好，水量较为丰富。基岩风化裂隙水主要赋存于白垩系下统强、弱风化砂岩、泥岩及泥岩夹砂岩风化节理裂隙中，含水层埋深和厚度差异较大，砂岩、泥岩节烈裂隙较发育，水量一般。由于岩性及裂隙发育程度的差异，其富水程度与渗透性也不尽相同，裂隙发育，连通性较好，渗透性较强富水较好。三、设备配置本标段盾构区间采用德国进口的两台直径8.8米的海瑞克土压平衡盾构机进行施工，渣土改良系统主要包括泡沫系统和膨润土系统，同时刀盘形式对渣土能否顺利进入土仓有很大影响。3.1泡沫系统泡沫系统主要包括泡沫剂桶、泡沫剂泵、水泵、溶液计量调节阀、空气剂量调节阀液体流量计、气体流量计、泡沫发生器及连接管路，泡沫系统有8条泡沫管，分别通往刀盘面，土仓，螺旋输送机，其泡沫发生原理见图3-1，各部件连接示意图见图3-2。向盾构机掘进仓中注入泡沫发生装置产生的泡沫，用于掘进面土壤的性状改良，掌子面土层在加入泡沫后，其塑性、流动性、防渗性都得到改进，同时亦可减少刀具的磨损。盾构施工渣土改良专项方案4图3-1泡沫发生原理图图3-2泡沫及膨润土系统示意图泡沫剂罐图3-3泡沫原液泵、水泵图3-4泡沫剂混合系统泡沫系统有关参数介绍如下：稀释液浓度(x)：稀释液中所含发泡剂原液的比例FER=泡沫体积/稀释液体积FIR=泡沫注入量/开挖土方量，即注入泡沫体积总量与盾构机刀盘切削的原状岩土的实方比`膨润土系统接口M回转机构刀盘土压传感器M盾壳压缩空气螺旋输送机水泵泡沫剂泵泡沫发生器盾构后配套泡沫剂箱水箱泡沫及膨润土系统示意图发泡剂水泡沫混合液压缩空气泡沫盾构施工渣土改良专项方案53.2膨润土系统盾构机配置有一套膨润土注入系统。在确定不使用泡沫剂的情况下，关闭泡沫输送管道，同时将膨润土输送管道打开，通过输送泵将膨润土压入刀盘、碴仓和螺旋输送机内，达到改良碴土地目的。根据实际需要，可以把膨润土箱内装入泥浆注入土仓内。膨润土只应用在一些特殊的工程下。图3-5膨润土泵图3-6膨润土罐四、渣土改良方法4.1渣土改良必要性土压平衡式盾构的特点是用开挖出的渣土作为支撑开挖面稳定的介质，因此要求作为支撑介质的渣土具有良好的塑性变形和软稠度，以及内摩擦角小及渗透率小等特点。由于一般土壤不能完全满足这些特性，所以要进行改良，其技术要点是在刀盘前部和泥土仓中注入水、膨润土泥浆、粘土、聚合物或泡沫等混合添加材料，经强力搅拌，改善开挖渣土的塑性、流动性，降低渣土的透水性。在富水含砂地层的掘进主要是要降低对刀具磨损、降低刀盘扭矩、螺旋输送机的磨损，防止喷涌，采取向刀盘前和土仓内及螺旋输送机内注入泥浆或泡沫混合物的方法来改良碴土。并增加对螺旋输送机内注入量，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。根据设计提供的地质勘察报告可知，本项目盾构前段区间820m左右和尾段区间500m左右为砂层、淤泥层及全强风化层，且地下水丰富，地下水位较高，且上部砂层渗透性较好，粘性较小，不易形成密闭空间，盾构在该区段掘进存在喷涌的风险，且盾构机在砂层中掘进时对刀具磨损较快，增大了开仓换刀频率。盾构施工渣土改良专项方案6同时该地层属于软弱地层，容易塌陷，且在始发和到达段附近，隧道埋深较浅，存在土仓漏气而保不住气压的风险。因此，在盾构掘进过程中，要保证出渣顺畅，维持仓内土压（或气压）平衡，快速通过。4.2渣土改良剂种类渣土改良剂能较好解决以上问题，在盾构机掘进时，向开挖面、土仓等处加注改良添加剂，其具体功能如下：①对于富含水砂层，一方面止水，另一方面可以改善砂的和易性；②在砂性土和砂砾土地层中，可以起到支撑作用而且可以改善土的流动性；③在粘性土层，可以防止渣土附着刀盘和土仓室内壁，另一方面，由于改良剂中的微细气泡可以置换土颗粒中的孔隙水，因而可以达到止水效果。目前常用的渣土改良剂包括膨润土、泡沫剂、高分子聚合物、增粘剂等，不同种类改良剂的适用范围和改良效果有很大差别，具体见下表4-1。表4-1各种改良剂特点及适用范围膨润土泡沫剂高吸水性树脂（聚合物）增粘剂特性PH值7.5～10.0，粘度：2～10Pa·sPH值7.3～8.0粘度:0.003～0.2Pa·sPH值7.5～10.0粘度：0.7～2.0Pa·sPH值7.5～10.0粘度：0.5～15Pa·s适用范围砂～砂(卵)砾石地层粘土～砂(卵)砾石地层固结粘土～砂砾地层粗土～粗砂地层特征制浆和输送设备需较大的空间输送和使用便捷，消泡后渣土能恢复原来状态在粘性软土层有时会因粘土变硬而出现堵塞停止开挖时，有时会堵塞。4.3泡沫剂的应用在实际操作过程中，通过调整螺旋输送机的转速，可以调整土仓内土压力，而在不同地层和操作条件下，渣土的类别和性质都不一样，必须加入外加剂来改良渣土。土压平衡盾构成功的关键是要将开挖面开挖下来的土体在土仓内调整成一种“塑性流动状态”。1、发泡剂的使用量参数主要取决于三个参数：稀释液浓度(x)、发泡倍率(FER)、注入率(FIR)①稀释液浓度(x)稀释液中所含发泡剂原液的比例，一般取值为2%～5%。②发泡倍率FERFER=泡沫体积/稀释液体积，一般取值为8～15③注入率FIR盾构施工渣土改良专项方案7FIR=泡沫注入量/开挖土方量。即注入泡沫体积总量与刀盘切削的原状岩土的实方比，通常取值20～45%。表4-2不同地层中注入率土层FIR粘土20～35％砂、粘土混合物25～35％砂、砾石性土30～45％砂性土35～60％岩石100%2、泡沫用量计算①泡沫流量QF：QF=A*V*FIR（1）泡沫总流量，以L/min为单位，式中，A=隧道开挖面积，A=3.14*(8.84/2)*(8.84/2)=61.3m2；V=盾构推进速度；FIR=注入率。②稀释液流量QL：QL=QF/FER=A*V*FIR/FER（2）泡沫剂原液加水稀释后的混合物，通常按照2～5%的比例进行，以L/min为单位;式中，V——盾构推进速度；FIR——注入率；FER——发泡倍率。则：原液流量Q＝QL*x（x=稀释液浓度）③压缩空气流量QA：QA=QF-QL=A*V*FIR*(P+1)*(1-1/FER)（3）即注入压缩空气的流量。式中P=空气支持压力（相对压力，一般P=0.2～0.3MPa）3、本工程泡沫剂用量计算盾构施工渣土改良专项方案8根据本工程实际情况确定以下参数：盾构机开挖直径R=8.84m，故A=61.3m2；盾构机推进速度取V=0.03m/min。稀释液浓度x=3%；注入率FIR=35%；发泡倍率FER=10空气支持压力P＝0.3MPa按照公式（1）:QF=A*V*FIR求得泡沫流量QF=643.7L/min；按照公式（2）:QL=A*V*FIR/FER求得稀释液流量QL=64.4L/min；按照公式（3）:QA=A*V*FIR*(P+1)*(1-1/FER)求得压缩空气量QA=2.317m3/min；原液流量Q=QL*X=64.4L/min*3%=1.932L/min掘进1米所需时间：1/0.03=33.33min每米用量为：33.33*1.932=64.39L每环用量为：64.39*1.6=103.0L4、中控室电脑显示操作：图4-1F2泡沫显示图盾构施工渣土改良专项方案9图4-2F2泡沫显示图图4-3泡沫参数调整4.4膨润土的使用膨润土浆液对土体的改良作用主要体现在较好的润滑及降低抗剪强度，浆液中的膨润土掺量、膨润土浆液的注入率均对土体改良效果产生影响。一般情况下浆液中膨润土掺量越高，则浆液的质量性能越好，相应的改良作用也较明显；浆液注入章越高，则相应的改良作用也越大。但掺量不宜过大，否则会造成土体的分层离析，不利于盾构开挖而的稳定。具体产掺入量和注入量要根据现场地层条件和膨润土品质进行试验，以确定最佳配比。盾构施工用膨润土必须保证膨润土的质量，严禁膨润土泥浆中含有硬质颗粒，以防损坏中心回转体或卡死刀盘泡沫管路中的止回阀。4.5两种改良方式适用地层适合使用膨润土改良的地层，（1）细粒含沙量少的土体，膨润土泥浆能够补充砂砾土中相对缺乏的微细粒含量，提高和易性，级配性，从而可以提高止水盾构施工渣土改良专项方案10性；（2）透水性高的土体，在高透水性土体中膨润土泥浆较易渗入，并形成具有