盾构施工渣土改良专项方案

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3566.5m7个联络通道、2个防淹门、128.84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地形地貌地面高程多为0～10m10～20m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）洞身地层土层<1-1><2-1><2-2><3-1><3-2><3-3>、<3-4><4-1><5><7-1><7-2><7-3>。在里程DK31+439~DK32+260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（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：表比例折合长度（m）124.1左线淤泥<2-2>3.48%3.46%0.60%0.90%1.93%123.319.029.568.8粉质粘土残积）<5>粉质粘土沉积）<4-1>弱风化砂质泥岩、砂岩<7-3>合计82.9%100%2804.63566.5（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。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。○级Ⅲ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，分布较连续，径流畅通，渗透性好，水量较为丰富。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。泡沫混合液压缩空气泡沫图泡沫剂箱泡沫发生器M膨润土系统接口`M水箱螺旋输送机泡沫及膨润土系统示意图图泡沫剂罐图图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3.2膨润土系统和螺旋输送机内，达到改良碴土地目的。些特殊的工程下。图四、渣土改良方法4.1渣土改良必要性图加材料，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。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，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，容易塌陷，且在始发和到达段附近，隧道埋深较浅，维持仓内土压（或气压）平衡，快速通过。4.2渣土改良剂种类注改良添加剂，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。表值，值粘值值粘0.2Pa·s2.0Pa·ss4.3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，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20～45%。表土层粘土20～35％25～35％30～45％35～60％100%砂、粘土混合物砂、砾石性土砂性土岩石2、泡沫用量计算①泡沫流量Q：Q=A*V*FIR（1）FF泡沫总流量，以L/min为单位，式中，隧道开挖面积，A=3.14*(8.84/2)*(8.84/2)=61.3m；2盾构推进速度；注入率。②稀释液流量QL：Q=Q/FER=A*V*FIR/FER（2）LF泡沫剂原液加水稀释后的混合物，通常按照2～的比例进行，以L/min为单位;式中，——盾构推进速度；——注入率；FER——发泡倍率。则：原液流量＝Q*x（x=稀释液浓度）L③压缩空气流量QA：Q=Q-Q=A*V*FIR*(P+1)*(1-1/FER)（3）AFL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；发泡倍率FER=10空气支持压力P＝0.3MPa按照公式（1）:Q=A*V*FIRF求得泡沫流量Q=643.7L/min；F按照公式（2）:Q=A*V*FIR/FERL求得稀释液流量Q=64.4L/min；L按照公式（3）:Q=A*V*FIR*(P+1)*(1-1/FER)A求得压缩空气量Q=2.317m3/min；A原液流量Q=Q*X=64.4L/min*3%=1.932L/minL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：图图图4.4膨润土的使用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DK32+260~DK34+500洞身范围地层主要为弱风化砂质泥岩、砂岩（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，23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、防喷涌措施可知，线路洞身地层前800m左右主要为砂层、淤泥层及全/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。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掌子面来水（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（3（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/（2）盾构机刀盘和刀具的影响式、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、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过螺旋机排出，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、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塞，无法适时按量加入泡沫剂，砂土和易性得不到有效改良。6.2防结泥饼施工措施(土仓侧)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，的土体改良剂——泡沫，进行土体改良，以减小土体粘性度和粘着力。(2)盾构掘进参数的设定产生的机率。(3)土压力传感器的设置500×10/700×10漏斗法对土样-6-612s良砂土的和易性。(4)控制循环水温度是刀盘冷却系统的主要介质。当外界气温高于30℃、隧道内通风系统的功能较的温度，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、清舱及时、彻底清理。七、质量安全保证体系7.1组织架构图7-1质量管理架构图：7.2安全保证措施应确保渣土改良过程安全可靠，主要安全保障措施如下：（1）膨润土的运输、拌合、发酵过程要注意安全；（2）泡沫剂垂直与水平运输的要保证安全；（3）伤；（4）渣土改良过程中要注意避免造成机械伤害。7.3质量保证措施粒，否则极易造成堵管。为控制改良剂质量，应做好一下几点措施：（1）保证膨润土材料的质量；（2）严格按照配合比拌制，并保证膨润土膨化时间；（3）当确定使用膨润土泥浆改良时，要保证每环注入量；（4）保证泡沫剂的质量；（5）使用之前进行试验，确定最佳稀释比例、发泡率以及相应的半衰期；（6）果和堵塞系统管道。目录编制依据........................................................1一、工程概况....................................................1二、工程地质条件和水文地质条件..................................12.1地形地貌................................................12.2工程地质条件............................................12.3水文地质条件............................................3三、设备配置....................................................33.1泡沫系统................................................33.2膨润土系统..............................................5四、渣土改良方法................................................54.1渣土改良必要性..........................................54.2渣土改良剂种类..........................................64.3泡沫剂的应用............................................64.4膨润土的使用............................................94.5两种