盾构施工渣土改良专项方案doc资料

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010m,仅佛山西站附近有零星剥蚀残丘分布，高程1020m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

2、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+439DK32+26G同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(821n);里程DK32+260DK34+500身范围 地层主要为弱风化砂质泥岩、砂岩 W2 (2240m；里程DK34+500DK35+005.铜 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

3、下部为弱风化 砂质泥岩、砂岩 W2 (500.5m) o(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(mm左线淤泥3.48%124.1粉砂0.33%11.3细砂0.38%12.8中砂0.29%9.8粉质粘土（残积）0.25%8.5粉质粘土（沉积）2.10%74.9全风化砂质泥岩、砂岩4.98%168.6强风化砂质泥岩、砂岩16.98%574.9弱风化砂质泥岩、砂岩76.26%2581.8合计100%3566.5右线粉砂3.46%123.3中砂0.60%19.0粉质粘土（残积）0.90%29.5粉质粘土（沉积）1.93%68.8

4、全风化砂质泥岩、砂岩4.60%155.7强风化砂质泥岩、砂岩10.8%365.6弱风化砂质泥岩、砂岩82.9%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

5、.0MPq最小值3.7MPa,平均值20.36MP3强风化岩层的推荐基本承载力为 400kPa。全风化岩层的实测标准贯入试验值 N=1(59击，标贯平均击数36击。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 0.46.1m；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，

6、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

7、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，具泡沫发生原理见图3-1 ,各部件连接示意图见图3-2 o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。发泡剂图3-2泡沫及膨润土系统示意图图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袍沫体积/稀释液体积FIR二泡沫注入量/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3.2 膨润土系统盾构机配置有一套膨润土注入系

8、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、 磴仓 和螺旋输送机内，达到改良磴土地目的。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

9、，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 合物的方法来改良磴土 o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。 同时该地层属于软弱地层

10、，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：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；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；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

11、，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 o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 7.510.0, 粘度：210Pa sPH值7.38.0粘 度:0.003 0.2Pa sPH值7.510.0粘度：0.72.0Pa sPH值7.510.0粘 度：0.5 15 Pas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

12、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）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%发泡倍率FERFER袍沫体积/稀释液体积，一般取值为815注入率FIRFIR=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2045%表4-2不同地层中注入率土层FIR粘土20 35%

13、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 泡沫流量 Qf：Qf=A*V*FIR(1)泡沫总流量，以L/min为单位，式中，A二隧道开挖面积，A=3.14*(8.84/2)*(8.84/2)=61.3m 2;丫=盾构推进速度；FIR-注入率。稀释液流量 QLQl=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25%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)压缩空气流量QAQa=Qf-Ql =A*V*FIR*(P+1)

14、*(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=0.20.3MPa）3、 本工程泡沫剂用量计算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=643.7 L/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

15、得压缩空气量 QA=2.317m3/min；原液流量 Q=Ql*X= 64.4L/min*3%=1.932 L/min掘进1米所需时间：1/0.03=33.33 min每米用量为：33.33*1.932=64.39 L每环用量为：64.39*1.6=103.0L4、 中控室电脑显示操作：口门史，1 Pl * hvldta fwin_0.0 barFWr .睢fledrE Utt* rtf*引事PriasKLir4 |LiquidUqmlriAllUqvld1 me 1biro LntlnD.o l/minV 1。l/min1 HU knmo.fi barO LrninD n l/trin010

16、 inkh1 II 川 1 moiJ4.0 barQ L mi inOkQ l/tTiilil0 10 UmiiirSS LniLlflu 可-stO H bn41 IbimiiB ItIIIi*1 U.U Lmm n b rft lmio（半自动，自动模式）I 题选士泡沫数最（半自动模式I IE 预选：泡沫注入量（FIR % 预选高压合物线1/ 2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；

17、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 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 有气密性的泥模，可有效改善渣土喷涌。本工程中，里程 D

18、K32+260DK34+500 洞身范围地层主要为弱风化砂质泥岩、砂岩 W2（2240M ,用膨润土泥浆对渣土 进行改良较为适合。适合使用泡沫改良的地层，（1）泡沫更适合于颗粒级配相对良好的土体， 在级配良好的土体中，泡沫和土体颗粒结合得更完整和致密，容易形成更多封闭 的空间（2）泡沫更适合平均粒径较大的土体（3）泡沫更适合含水量较高的土体。 本工程中，前面800m左右和尾段500m左右上部为砂层、淤泥层及全/强风化砂 岩和泥岩，使用泡沫剂改良能取得较好效果。五、防喷涌措施本盾构区间附近河涌、水道较多，地下水丰富且水位较高，根据地质剖面图 可知，线路洞身地层前800m左右主要为砂层、淤泥层及全

19、/强风化砂岩和泥岩， 中间，尾段500m左右上软下硬地层，上部为强风化砂质泥岩、砂岩，下部为弱 风化砂质泥岩、砂岩。砂层渗透系数大，难以形成封闭空间，较易发生喷涌。喷 涌的发生不但影响正常施工排土和压力舱压力的控制，严重时会过多的将开挖面和管片四周的土、砂带出，造成地表沉降、塌陷，管片漏水、移位等施工事故。5.1 喷涌产生原因地层条件、水压、掘进参数是喷涌发生的决定因素，在砂层、砂卵石等敏感 地层，地下水的通路没有阻断，泡沫剂或膨润土易稀释，土体改良效果差，未能 有效改变土体的渗透性.在水流量大或水力梯度大的情况下，极易发生喷涌。在中风化或者微风化岩层中，若裂隙水发育，后方水路又未封闭，土仓内

20、土 体由于水流的影响难以改良时，也经常会发生喷涌现象。高压力的水体穿越土仓 和螺旋输送机形成集中渗流带动土仓内的土颗粒一起涌动， 较大水流量的渗流经 过土仓和螺旋输送机后其压力水头没有递减到接近于零的范围。 渗流夹带土颗粒 在输送至螺旋输送机出口的一瞬间，由于前方是临空的隧道内部，处于无压状态， 渗流水便在忽然降低的压力下带动正常输送的砂土喷涌而出。5.2 防止喷涌措施（1）严格控制掘进参数，注重同步注浆，裂隙水发育的情况下，要分段做 止水环，避免水路连通；(2)认真分析勘探资料，在隔水层缺失的地层掘进要严格控制土仓压力， 以免喷涌发生后土压难以建立，引起地面的塌陷；(3)避免停机后开启螺旋输

21、送机闸门引发的喷涌，在停机时要严格判断土 仓压力显示的是土压还是水压；(4)做好施工工序安排，减少盾构机停机等待的时问，从而减少土仓内的 积水；(5)控制每环的出渣量，在停机时适当建立土仓内的土压，使之大于停机 处地层的水土压力，必要时可通过泡沫管路向土仓内适当加入压缩空气。5.3喷涌发生时的处理措施(1)分析喷涌原因对于螺旋输送机的喷涌现象，首先应确认螺旋输送机喷涌的原因：水量增大 导致渣土过稀不能在螺旋输送机形成堵塞效果？则尝试加快速度，使渣土变得浓稠，渣土被土仓内较大气压压出而且螺旋输送机内不能形成堵塞效果？则尝试检 查泡沫发生效果，是否由于泡沫在压力状态下寿命过短或注入泡沫量过大。土仓

22、内渣土的水量不能控制？则应首先通过管片二次注浆确定切断水从管片后部汇 流所致，再尝试以泡沫会膨润土方式隔阻学子面来水(2)在螺旋输送机停止旋转并且螺旋输送机后舱门开度无论如何调节仍无 法满足渣土出土量控制时，应尝试反向旋转螺旋输送机出渣，避免所出渣土过量。(3)控制螺旋出土器的转速，可以保证掘进中遇到突发性地下涌水的时候， 能使螺旋机中的磴土有效地形成“土塞”， 以便在封堵涌水的同时，还能将土仓 中的磴土带出，继续掘进。不会出现带式螺旋从螺旋芯部不受控制地涌水的情况。(4)螺旋出土器出料口可以用滑动闸门关上，然后向土舱内注入添加剂进 行土壤调节后，再打开滑动闸门出土。滑动闸门靠液压油缸控制，具

23、有停电时自 动关闭的紧急功能，以防出现喷涌的时候恰逢停电，造成不可预料的事故。六、防结泥饼措施泥饼是盾构刀盘切削下来的细小砂土颗粒、碎屑在土仓内重新聚集而成的半 固结和固结状的块状体，泥饼的存在加重了盾构机刀盘和刀具的负荷， 常常使掘 进参数出现突变，使施工效率大大降低。6.1泥饼的成因(1)地层原因隧道穿越的复合地层多为全/强风化的泥岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩，这几 类岩层富含粘土矿物颗粒，在刀具的切削和刀盘的冲击作用下，岩块变成碎屑和 粉末状，这些碎屑粉末状的粘土颗粒是形成泥饼的基础材料。本盾构区间在始发 段和尾段上覆土为砂土和淤泥质土， 岩层为全/强风化泥质砂岩，较易形成泥饼。(2)盾构机

24、刀盘和刀具的影响盾构刀盘和刀具设计制造缺陷会导致施工掘进中泥饼的产生，刀盘中心区开口率是泥岩和砂岩地层盾构掘进中结泥饼的重要因素。 刀盘内的搅拌棒及幅条型 式、数量也是泥饼产生的因素。刀具布置不合理会导致切削下的砂土块度不均、 滚刀磨损，进而降低掘进和排土效率，使其产生泥饼。本区间盾构机刀盘开口率 为26%开口率较低，在掘进过程中要采取有效措施防止泥饼形成。(3)施工控制因素除地层地质和刀盘刀具设计制造缺陷外，施工过程中操作手的行为也是刀盘 结泥饼的一个不可忽视的因素，归结为以下几条：a)未能正确判断复合地层下的盾构掘进模式在土压平衡模式时土仓内土压设定值过高，导致切削下来的渣土不能顺利通 过

25、螺旋机排出，在土仓内堆积挤压，密实度和密度越来越大，最终形成泥饼。b)掘进施工中砂土改良不到位为改善切削砂土的和易性(干稀度、流动性)，通常在刀盘和土仓内加入水、 膨润土和泡沫剂，泡沫剂是一种化学物质，它对砂土有膨化、润滑和降低附着力 的作用，对降低砂土和刀盘刀具温度也起主要作用。 施工过程中因经验和现场判 断失误，对加入的改良剂的浓度配比、注入压力、注入量等掌握不准，导致砂土 得不到很好改良，促成泥饼产生。c)盾构机械维护保养问题因系统冷却水温度偏高，或是刀盘高速旋转后与周围土体介质摩擦生热， 使 土仓内温度升高，对泥饼有烧结促成作用。设置在刀盘面板上的注入孔时常被堵 塞，无法适时按量加入泡

26、沫剂，砂土和易性得不到有效改良。6.2防结泥饼施工措施设计上，在土仓内设置土压力传感器，及时反映土仓内泥土粘附情况， 预防 泥饼的形成。刀盘内侧(土仓侧)设有搅拌棒，随刀盘一起转动，可加速土体流动 及对螺旋机喂料，减少泥饼的形成。在施工中将采取如下措施：(1)粘性土地层砂土的土体改良在粘性土地层中的土压平衡盾构施工区段，为了降低土体间的粘聚力、减少土仓中土体压实结密的可能性、减少掘削土体与盾构机刀盘及结构间的粘着力， 应改善土体的和易性，保证土仓内土压力的稳定性和出土的顺畅。 在施工过程中， 应及时观察所排土体的情况，分析土体粘性和含砂粒比例的情况， 及时添加适量 土体改良剂一一泡沫，进行土体

27、改良，以减小土体粘性度和粘着力。(2)盾构掘进参数的设定在粘性土地层中的土压平衡盾构施工区段， 土压力的设定以理论的土压力为 基础，并作适当降低，具体可根据实际操作作调整。但在施工过程中必须观测分 析盾构穿越地层的特性，在推进过程中应充分了解施工速度、 盾构掘进性能、泥 土温度之间的能量转换关系及其对泥饼形成的影响。控制好推进速度，减少泥饼产生的机率。(3) 土压力传感器的设置在土仓内不同高度设置土压力传感器，通过两个固定高度点的士压力差可测 出土体的表观密度；在感觉有泥饼生成前应用500X 10-6/700 X 10-6漏斗法对土样 的粘度进行测量，当粘度指标大于12s时应在注入泡沫剂和膨润土方面加强， 改 良砂土的和易性。(4)控制循环水温度严格控制土砂密封温度，其密封温度与刀盘的冷却程度有很大关系，循环水 是刀盘冷却系统的主要介质。当外界气温高于 30C、隧道内通风系统的功能较 差时，随着单环掘进时间的增加，土仓内的温度很容易上升，因此应控制冷却水 的温度，必要时需使用冰水。(5)快速均衡施工盾构施工要求“连续、快速、稳定”，长时间的停机会导致土仓内土压逐步 升高、流动性减弱、刀盘及刀具板结泥饼的可能性增加；掘进速度太慢，生成泥 饼的可能性越大。(6)定期开舱、清舱盾构施工中的开舱检查好比人的体检一样，要定期进行，而不是在