土压平衡盾构掘进土体改良技术探究_宋建华.pdf
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1、67建筑科技2023 年 第 3 期土压平衡盾构掘进土体改良技术探究Research on Soil Improvement Technology of Earth Pressure Balanced Shield Tunneling宋建华(上海申铁投资有限公司,上海 200030)摘要:粉砂地层具有高渗透性、内摩擦角大等特点,土压平衡盾构在其中掘进时易产生螺旋机喷涌、土压波动大等一系列问题。水溶性高分子聚合物进行土体改良,具有可链接细小颗粒、增大土体黏性等优势。通过盾构机加泥加水系统将改良剂注入到刀盘前方,经过盾构机刀盘充分搅拌后可明显改善粉砂层的土体特性,使其具备低渗透性、低抗剪强度及良好
2、的流动性等,可有效避免螺旋机喷涌、土压波动大等问题,为类似工程中土体改良提供了参考和借鉴。关键词:土压平衡盾构;粉砂地层;土体改良;高分子聚合物中图分类号:TU921 文献标识码:A 文章编号:2096-3815(2023)03-0067-030引言随着我国城市现代化进程的不断发展,城市轨道交通建设也越来越普遍。由于施工相对安全、快速和经济,盾构法成为了目前城市轨道交通建设中的主要施工方法,其中以土压平衡盾构的应用最为普遍。土压平衡盾构用开挖出的土体作为支撑开挖面稳定的介质,要求开挖土体具有良好的流动性及塑性、较低的抗剪强度和黏附强度、较小的渗透系数和一定的压缩性1。粉砂地层通常具有高渗透性和
3、高含水量等特性,土压平衡盾构掘进该类地层极易发生螺旋机喷涌风险及由此引发一系列的问题,需进行土体改良以满足盾构掘进施工的需求。根据以往的施工经验,在粉砂地层中采用泡沫剂、膨润土浆液等土体改良剂的效果极为有限,而采用高分子聚合物可极大地改善粉砂地层的土质特性。1工程概况上海轨道交通某线某区间隧道工程采用土压平衡盾构进行施工,单线长度约为1 260 m,其中穿越黄浦江段的单线长度约为580 m,掘进土层为1-2层草黄灰黄色粉砂及2层灰黄灰色粉砂。上海地区的1-2层草黄灰黄色粉砂及2层灰黄灰色粉砂层呈中密密实状态,具有中等低等压缩性,其渗透系数达到10-3 cm/s,且为承压水含水层。土压平衡盾构在
4、其中掘进时,存在螺旋机喷涌、土压波动大、地表沉降难以控制等风险。2螺旋机喷涌的原理及危害2.1螺旋机喷涌的原理土压平衡盾构工作的原理是:通过盾构刀盘的旋转,使刀盘上安装的刀具对开挖面的土体进行切削,切削破碎的土体通过刀盘开口进入土仓,使土仓内充满切削下的土体2,并通过螺旋机及配套皮带机将土仓内土体输送至泥斗后再运输至地面。盾构机千斤顶的推力通过盾构土仓胸板给土仓内的泥土加压,使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力3。盾构掘进过程中,需通过螺旋机控制出土的速度和方量,使盾构进出土保持动态平衡,从而形成稳定的开挖面。68建筑科技2023 年 第 3 期如果盾构开挖面存在高水压并且开挖面的土体渗透
5、系数较大,刀具的切削扰动会导致开挖面土体流动性变大,高压水可能穿过土仓和螺旋机形成集中荷载,造成土仓内和螺旋机后闸门处的压力增高4。此时,螺旋机闸门开启会发生喷涌现象,土仓内压力随之减小,但在关闭闸门时,高压水又会很快充满土仓及螺旋机内,土仓内压力又会迅速上升。如此反复循环,会导致盾构机土压力频繁大幅波动,盾构掘进难以正常进行,并且地表沉降也难以得到有效控制。2.2螺旋机喷涌的危害盾构掘进过程中,如果出现螺旋机喷涌现象,首先影响的就是盾构头部的现场作业,如果喷涌情况严重,喷出的泥水甚至会漫延到整个车架段。喷涌发生后无法正常作业,需要停机清理涌出的泥水,受盾构头部作业空间的限制只能进行人工清理,
6、工作任务繁重且消耗工时长。在关闭螺旋机后闸门后,泥水又会快速填满整个螺旋机腔体,一旦重新开启闸门进行出土,又会重新出现喷涌5。施工作业就在喷涌和停机清理的过程中不断循环,盾构的施工效率受到极大的影响。同时,由于在螺旋机喷涌的过程中无法有效控制实际出土量,盾构在掘进过程中难以建立真正的土压平衡6,加大了地层的扰动,存在地表沉降扩大甚至坍塌的风险。特别是盾构穿越江河时,还存在江水或河水直接涌入隧道甚至淹没整条隧道的风险。3土体改良剂的选择3.1土体改良的作用土压平衡盾构在复杂地层中掘进施工时,进行必要的土体改良是保证盾构施工安全、高效的重要技术手段之一7。土体改良的主要作用包括以下4个方面。(1)
7、降低土仓内泥土的渗透系数,提高抗渗透能力8,避免开挖面因排水固结而造成较大的地表沉降,也可有效预防螺旋机喷涌现象。(2)降低掘进土体的内摩擦角,减少对刀盘刀具的磨损,并有效降低刀盘扭矩。(3)降低掘进土体的黏性,防止土体黏附在刀盘上结成泥饼。(4)起到一定的冷却作用,可降低刀盘刀具的工作温度。3.2土体改良剂的分类在土压平衡盾构施工过程中,常用的土体改良材料包括界面活性材料类、矿物类、高分子聚合物类及水等9。(1)界面活性材料类的代表有泡沫剂等,其原理为发泡剂与压缩空气混合形成泡沫。泡沫具有润滑、扩散、弹性等特性,作为土体改良剂有利于泥土的流动和运输,且泡沫和土仓内的泥土混合加压可稳定开挖面,
8、从而有效防止坍塌并提高止水性,但其在含水量较高的粉砂地层中改良效果一般。(2)矿物类的代表材料有膨润土等,其原理为蒙脱石晶格吸水膨胀,晶层间钠离子相互链接形成一个低渗透性的薄膜,作为土体改良剂可形成低渗透性的泥膜,有利于给开挖面传递土仓压力,并且可提高渣土的和易性,减少喷涌。矿物类土体改良剂需要制泥设备,占用空间较大,熟化时间长,且泥浆存在环境污染等问题。(3)高分子聚合物类的代表材料有水溶性高分子及高吸水性树脂,其中水溶性高分子聚合物可链接细小颗粒,增大土体的黏性,但其不适用黏土。高吸水性树脂遇水会发生反应达到止水效果,可提高泥土的止水性,防止喷涌,但其不适用于酸碱地基、化学加固区等。(4)
9、水作为土体改良剂,起到降温、润滑的作用,可有效降低泥土的流型性及刀盘刀具的温度,但其改良效果一般,常作为辅助材料使用。3.3土体改良剂的选择根据上海轨道交通某线某区间盾构掘进1-2层草黄灰黄色粉砂、2层灰黄灰色粉砂的实际工况,综合考虑各类土体改良剂的特点,选择了水溶性高分子聚合物作为土体改良剂。实际施工时采用了某品牌高分子聚合物作为土体改良剂,其是丙烯酰胺均聚物或与其他单体共聚而得的聚合物的统称,是水溶性高分子中应用最广泛的品种之一,其呈白色粉末或者小颗粒状,不溶于大多数有机溶剂,具有絮凝性、黏合性、降阻性及增稠性。4粉砂层土体改良为充分验证高分子聚合物(聚丙烯酰胺)的土体改良效果,按照经济、
10、适用、可靠的原则,结合工程的进展将土体改良划分为3个阶段,分别是初步试验阶段、掘进粉砂土地面试验阶段、工程实际应用阶段。4.1初步试验阶段初步试验时采用纯净的粉细砂作为试验主体,但纯净的粉细砂基本不含泥土颗粒,与盾构实际掘进的砂性土性状差异较大,因此加入膨润土尽可能模拟实际砂性土的性状。试验时,在粉细砂中加入膨润土浆液,直至粉细砂完全饱和,然后再取不同浓度(质量比)的高分子聚合物溶液按不同掺量(体积比)掺加其中,充分搅拌后再测量试样的坍落度,69建筑科技2023 年 第 3 期具体坍落度值如表1所示。为后续盾构掘进粉砂土地面试验提供参考。试验材料:粉细砂、膨润土浆液、高分子聚合物溶液(3浓度、
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