超大直径盾构穿越粉质粘土层施工技术创新

超大直径盾构穿越粉质粘土层施工技术创新豫机城铁项目豫机城际铁路一标项目部汇报人：武慧韬2018年12月汇报提纲豫机城铁项目

一、工程概况

二、带压换刀

三、泥水盾构辅助气压工法

四、高分子材料清理刀盘泥饼

五、带式压滤机应用一、工程概况豫机城际铁路项目一标连接新郑机场和郑州南站两大交通枢纽，是河南“米”字型高铁的关键联络线，也是河南省“一带一路”综合交通枢纽和中原城市群轨道交通网的重要组成部分；豫机城铁项目1.1概况

豫机城际项目一标盾构隧道全长3800m，采用由铁建重工与中铁十六局联合研发的首台国产大直径泥水平衡盾构机施工，盾构开挖轮廓12.81米，管片外径管片外径12.4m，内径11.3m，管片环宽2m，设计强度C50，抗渗等级P12;豫机城铁项目1.1概况一、工程概况豫机城铁项目豫机城际盾构区间隧道穿越的土层主要为粉砂、粉质粘土层，盾构隧道洞身大部分处于粉质粘土层中，局部地段穿越粉砂、细砂，局部含姜石、砾石，部分钙质胶结，胶结较好，渗透系数0.2×10-4~0.12×10-3cm/s，隧道拱顶埋深10.26~31.07m，洞身基本上处于潜水-承压水中，局部含承压水；1.1概况一、工程概况豫机城铁项目

盾构隧道全长3800m，共1900环，目前已贯通；施工月最高掘进记录188环，日最高掘进记录11环。1.1概况一、工程概况豫机城铁项目工程特点长大粘细一次性掘进3800m；盾构开挖轮廓达12.81m；盾构隧道穿越地层80%为粉质黏土层；地层45um以下颗粒占比74%，20um以下占比44%；1.2工程重、难点一、工程概况1.2工程重、难点豫机城铁项目长距离穿越粉质黏土、钙质结核，刀具磨损量大;01浅覆土掘进下穿“三官庙”建筑群、浅覆土接收；02穿越“正在运营”的南水北调总干渠；0345um以下颗粒占比74%，调浆难；04一、工程概况1.2工程重、难点豫机城铁项目010203长距离穿越粉质黏土（钙质结核）地层首次下穿已经通水运营的南水北调总干渠浅覆土（9m=0.8D）下穿“三官庙”建筑群一、工程概况豫机城铁项目长大细粘带压进仓技术1泥水盾构辅助气压法掘进2带式压滤机在泥水盾构中应用3高分子材料清理刀盘泥饼41.3施工技术创新一、工程概况因本工程一次掘进距离长度达3800m，根据隧道的掘进距离、地质断面、水文地质、地面附着物等情况，预选4处带压进仓作业位置；豫机城铁项目二、带压进仓技术2.1概况分别预选260环、525环、850环、1400环进行带压进仓作业，开仓位置选取原则：豫机城铁项目盾构掘进一定距离后统计刀盘、刀具磨损量为盾构机在相近地层中刀盘设计及刀具选型提供依据；盾构掘进一定距离后总结该段地层掘进参数；检查仓内各类机械设备；清理气垫仓内底部并检查校准仓内各个液位、压力传感器；0102030405为顺利下穿南水北调总干渠，下穿前进行带压进仓刀具磨损检查；二、带压进仓技术盾构掘进1700环，累计带压进仓换刀作业5次，常压进仓2次，累计更换滚刀19把，撕裂刀93把；经检查刀具磨损量后，刀具磨损基本符合由内向外磨损量逐渐增大的原理，刀具在进入砂层后导致刀具磨损量增大；豫机城铁项目2.1概况二、带压进仓技术刀具磨损量统计豫机城铁项目2.2进仓工作内容1刀具磨损量统计

2刀盘泥饼清理3更换磨损刀具4仓内设备检修二、带压进仓技术豫机城铁项目刀盘开口堵塞情况刀箱堵塞情况2.2带压进仓工作内容二、带压进仓技术豫机城铁项目仓内滚刀磨损检查合金齿滚刀未偏磨2.2带压进仓工作内容二、带压进仓技术豫机城铁项目刀盘牛腿渣土清理滚刀磨损检测装置维修2.2带压进仓工作内容二、带压进仓技术豫机城铁项目2.3带压进仓总结1定期开仓检查刀具磨损情况及时更换磨损量超过2cm的正面刀具，和磨损量超过1cm的边缘刀具；2确保正面刀高差，确保切削渣土后具备导流作用；3确保边缘刀具开挖直径，避免开挖直径不足时推力增大，速度减小，盾构姿态失控；4优化刀具配置，在粘土地层段将普通边缘滚刀更换为带合金加强型撕裂刀。二、带压进仓技术豫机城铁项目2.4刀具磨损系数第1次开仓第一次开仓，刀具磨损量统计，根据轨迹线计算磨损系数K第3次开仓统计磨损量并带入系数K=0.03计算与实测值对比第2次开仓将第一次参数带入，对比磨损量，磨损系数比较接近，约为0.03第4次开仓根据磨损系数计算刀具磨损量，预选第4次开仓作业位置，制定换刀方案二、带压进仓技术盾构掘进至1300环后掘进参数恶化明显；项目部多次组织带压进仓作业，因掌子面处于砂层中间，在进仓过程中频繁出现掌子面流水，流砂；为保证下穿南水北调干渠段顺利通过，在下穿前20环在刀盘前方加固，加固完成后再次带压进仓；豫机城铁项目2.5下穿南水北调前带压进仓二、带压进仓技术豫机三城铁三项目2.三5下穿三南水三北调三前带三压进三仓二、三带压三进仓三技术1.在加三固区三域1三6.三8m三*2三.4三m范三围内三采用三素混三凝土三钻孔三灌注三桩垂三直加三固范三围为三左右三两侧三边缘三4根三灌注三桩垂三直深三度4三5m三，其三余2三3根三加固三深度三至盾三构开三挖轮三廓线三上方三50三cm；2.在加三固区三域刀三盘周三围2三0m三*5三m范三围内三素混三凝土三桩加三固范三围以三外的三区域三采用三盾构三端头三加固三采用三Φ8三00三@6三00三三重三高压三旋喷三桩止三水加三固。豫机三城铁三项目2.三5下穿三南水三北调三前带三压进三仓二、三带压三进仓三技术高压三旋喷三桩施三工后三分别三对加固三区域进行三取芯三。由下三图可三知隧三道断三面内三为水三泥土三块，三质地三较硬三，满三足带三压进三仓作三业要三求。豫机三城铁三项目2.三5下穿三南水三北调三前带三压进三仓取芯三效果二、三带压三进仓三技术豫机三城铁三项目在全三断面三黏土三层掘三进一三段距三离后三，随三刀盘三泥饼三增多三，参三数逐三渐恶三化，三常规三办法三带压三进仓三清理三泥饼三后再三恢复三掘进三，本三工程三在138三0环进三仓清三理刀三盘泥三饼后三恢复三掘进三，在14三35三-1三47三0环期三间推三力增三大至70三00三0-三90三00三0K三N，扭三矩12三00三0-三19三00三0K三Nm，速三度在5-三15三mm三/m三in波动三；三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进豫机三城铁三项目掘进三环数三统计随参三数恶三化，三掘进三效率三受影三响明三显；三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进豫机三城铁三项目采取三辅助三气压三法掘三进的三前提三条件三是，三在保三证掌三子面三土体三稳定三的气三压下三，地三面不三能被三击穿三。大三直径三盾构三因需三穿越三河湖三海等三，普三遍在三掘进三中段三埋深三较大三，本三标段三在采三用辅三助气三压法三掘进三时处三于刚三刚下三穿完三成“三南水三北调三”总三干渠三，隧三道拱三顶埋三深3三2m三，处三于全三断面三黏土三层，三如下三图所三示：三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进豫机三城铁三项目泥水三盾构三采用三辅助三气压三掘进三是将三压缩三空气三填充三前仓三上半三部与三下半三部的三泥浆三以平三衡掌三子面三、盾三构三三大密三封系三统的三油脂三。通三常情三况下三，压三缩空三气的三流动三速度三大于三泥浆三的流三速，三泥浆三的流三速大三于渣三土的三流速三。刀三盘切三削土三体，三造成三出现三空隙三后，三压缩三空气三与泥三浆会三立即三对空三隙填三充，三而压三缩空三气会三逐渐三逼退三泥浆三占有三的空三间。压缩三空气三除了三与泥三浆能三共同三维持三掌子三面稳三定外三，压三缩空三气进三入盾三体与三开挖三轮廓三间隙三，平三衡盾三体与三地下三水，三同时三也平三衡盾三构机三密封三系统三。三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进豫机三城铁三项目辅助三气压三法应三用效三果分三析：由曲三线图三：14三85环采三取辅三助气三压法三掘进三后，三速度三突变三，增三加至15三~2三0m三m/三mi三n，扭三矩与三推力三均有三明显三下降三，出三渣黏三土块三明显三增加三；三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进豫机三城铁三项目使用三前使用三后三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进豫机三城铁三项目使用三前使用三后更换三辅助三气压三法掘三进后，速三度增三加，三出渣三块明三显增三加；三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进豫机三城铁三项目沉降三控制三精度三参照三直排三型泥三水平三衡盾三构；采用三辅助三气压三法掘三进后三，地三表沉三降值三也控三制在三了合三理的三区间三，辅三助气三压掘三进阶三段地三表累三计沉三降曲三线如下图所示三，最三大沉三降值三为-三6.三9m三m；三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进豫机三城铁三项目参数三恶化三原因三分析三：1.刀盘三结泥三饼较三为严三重，三使得三刀盘三切割三不到三掌子三面，三贯入三度仅三有1-三2m三m/三r；2.本段三地层三大多三数为三粉砂三层，三具有三粉细三颗粒三含量三高、三造浆三能力三强等三特点三，根三据以三往经三验，三砂层三较多三掘进三速度三相对三较慢三；3.盾构三机因三中心三回转三体及三中心三冲刷三管路三损坏三，中三心冲三刷不三能使三用，三使得三中部三刀盘三得不三到有三效的三冲刷三，进三而使三得刀三盘结三泥饼三较快三；4.下穿三南水三北调三干渠三期间三为维三持掌三子面三稳定三，连三续掘三进70环左三右未三利用三分散三剂进三行泡三仓，三导致三部分三泥饼三固化三；三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进豫机三城铁三项目1用压三缩空三气置三换泥三浆后三，使三冲刷三管路三可以三直接三对刀三盘背三部进三行冲三洗，三有助三于延三缓泥三饼的三胶结三；2掌子三面上三半部三没有三了泥三膜，三没有三了泥三浆护三壁的三渣土三更加三容易三掉落三，利三于出三渣；3开挖三面上三半部三填充三压缩三空气三，客三观上三降低三了压三力，三进而三降低三了推三力，三减小三了设三备负三荷；4实践三证明三，压三缩空三气与三泥浆三的交三界面三在液三位波三动过三程中三，对三刀盘三起到三了冲三刷作三用，三有助三于冲三落泥三饼优势三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进豫机三城铁三项目不足三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进但由三于刀三盘转三动时三可能三直接三冲刷三到掌三子面三，影三响泥三膜的三形成三，在三地层三变换三时及三时改三变掘三进模三式及三管路三切换三，防三止出三现掌三子面三坍塌三。因泥三水盾三构机三接管三期间三必须三停机三，预三估停三机超三过2三小时三即进三行建三仓，三泥浆三护壁三。仓压三瞬时三波动三超过三±0三.3三ba三r与三液位三瞬时三波动三超过三±1三m出三现较三大波三动后三，立三即建三仓，三恢复三泥水循环模式三。注意三各项三参数三，仓三压、三液位三的波三动情三况，三注意三观测三地面三沉降三值，三如发三现异三常及三时恢三复间三接式三泥水三平衡三循环三。豫机三城铁三项目三、三泥水三盾构三辅助三气压三法掘三进总结12地层三适应三性是三本工三法使三用的三前提三条件三，只三有地三层气三密性三、自三稳性三满足三要求三是采三用泥三水盾三构辅三助气三压法三的前三提条三件，三埋深三大、三自稳三性强三、气三密性三好的三黏土三地层三适合三采用三泥水三盾构三辅助三气压三法。在全三断面三黏土三地层三及相三似地三层中三，辅三助气三压掘三进能三较大三的提三高施三工效三率，三本次三问题三的解三决为三以后三为类三似粉三质黏三土地三层泥三水盾三构的三设计三及施三工提三供了三参考三依据三，是三一次三宝贵三的经三验。豫机三城铁三项目针对三盾构三机在三粘土三层掘三进刀三盘开三口易三堵死三，刀三盘易三结泥三饼的三情况三，项三目部三分别三试验三泡沫三剂、三分散三剂、三泡沫三型分三散剂三、剥三离剂三等6种不同的三化学三添加三剂进三行泥三饼消三除试三验；4.三1化学三材料三应用四、三高分三子材三料清三理刀三盘泥三饼泡沫三剂与三分散三剂对三比实三验试验三渣块豫机三城铁三项目结合三工程三效果三与试三验室三效果三并考三虑经三济成三本，三最终三选用SN三-2三03分散三剂；实验三室从三预筛三取渣三样，10三cm三*三10三cm三*1三0c三m渣样三与不三同比三例分三散剂三一起三试验三；分三别放三入1三00三ml三不同三配比三的分三散剂三水溶三液静三置如三下表三所示三，在三相同三作用三时间三后对三效果三进行三对比三分析三；试样原液（分散剂）与水配比作用时间（min）11‰5024‰5031％5044％50510％50不同三配比三表4.三1化学三材料三应用四、三高分三子材三料清三理刀三盘泥三饼豫机三城铁三项目由以三上试三验对三比可三以看出，三当分三散剂三浓度三达到三4%三以上三时，三黏土三块溶三有明三显溶三解；三当溶三液浓三度达三到1三0%三静置三30三mi三n后三边，三黏土三快速三分解三，有三形成三泥浆三的趋三势，三如上三图所三示。4.三1化学三材料三应用四、三高分三子材三料清三理刀三盘泥三饼豫机三城铁三项目四、三高分三子材三料清三理刀三盘泥三饼对照组组份名称组份比例（%）分散效果（25℃1h5cm3）1除粘剂7粘土块未破裂，表面光滑，剥离粘土40%，分散作用未停止，1h55min时停止，剥离粘土74%，泥浆浑浊，未剥离泥块较硬。渗透剂12活性剂55除粘剂10粘土块未破裂，表面欠光滑，有凹凸，剥离粘土57%，分散作用未停止，未剥离泥块未松散，2h27min时停止，剥离粘土95%，泥浆浑浊。渗透剂15活性剂15活性剂287除粘剂8粘土块未破裂，表面凹凸，剥离粘土75%，分散作用未停止，1h50min时停止，剥离粘土88%，泥浆不浑浊，未剥离泥块已松散渗透剂18活性剂17活性剂28稳定剂5选定三材料三后，三通过三多组三试验三，确三定最三终分三散剂三配比三：豫机三城铁三项目4.三2工程三试验四、三高分三子材三料清三理刀三盘泥三饼试验注入量（前仓+后仓）静置时间（h）效果（速度）效果持续时间11+0.52410→203环21+0.5110→202环31110→201环40.5110→201环1掘进三中试三验停机三期间三分别三向前三、后三仓注三入，三刀盘三间隔三转动三搅拌三，静三置一三段时三间后三恢复三掘进三，扭三矩减三小，三推力三减小三，速三度由10三mm三/m三in增加三到20三mm三/m三in。恢三复掘三进后三可持三续一三段时三间，三第3环参三数开三始逐三渐恶三化。豫机三城铁三项目开仓三检查三发现三刀盘三开口及刀箱三全部三堵塞三，人三工清三理1仓仅能完成1个刀三箱清三理及1把刀三具更三换工三作，利用进仓三结束三后重新三建仓，前仓注三入1三方分三散剂三，气三垫仓三注0三.5三方。三刀盘间隔三转动，浸三泡时三间约三10三小时三后，三再次三进仓三。发三现刀三盘大三开口三基本三泡开三，小三开口三及刀三箱内三堵塞三粘土三已掉三落1三0~三20三cm三。对比三如下三图所三示：分散三剂注三入前分散三剂注三入后四、三高分三子材三料清三理刀三盘泥三饼进仓三前试三验2豫机三城铁三项目根据三现场三施工三情况三，采三取如三下方三式进三行使三用：1、三预防三泥饼三：在三接泥三浆管三时停三机的三大约三1小三时时三间内三，向三前仓三注入1方分三散剂三，1三0m三in三，转三动一三次刀三盘。2、软化泥饼三：在三设备三检修三或倒三班或三其他三原因三长时三间停三机时三，向三前仓三注入1方分三散剂三，气三垫仓三注入三0.三5方三分散三剂。3、根据三泥水三盾构三必须三有2小时三的停三止循三环接三管时三间，三针对三本工三程地三质情三况调三制原三液配三比，三最终三调制三好的三分散三剂2小时三可达80三%的效三果。此外三，单三纯增三加量三与作三用时三间并三不能三带来三清除三泥饼三效果三的明三显提三升；分散剂使用优点分散剂使用缺点1.分解仓内堆渣1.泥浆比重上升较快2.减少堵仓发生、提高出渣效率2.泥浆泵运行负荷增加3.减小刀盘扭矩约25%3.费用高、消耗大4、减小推力约25%4.泡仓停机影响掘进时间4.三3使用三方式三确定四、三高分三子材三料清三理刀三盘泥三饼盾构三区间三颗粒三占比三图盾构三区间三土层三颗粒三分析三图豫机三城际三铁路三盾构三隧道三全长38三00三m，穿三越地三层8三0%三为粉三质粘三土层三，20三%为粉三砂、三细砂三层，三地层20微米三以下三颗粒三占总三掘进三过程三出渣三量33%，三此部三分颗三粒会三随泥三浆循三环成三比例三增加三，造三成比三重快三速升三高，三对盾三构推三进及三排浆三产生三极不三利影三响。豫机三城铁三项目五、三带式三压滤三机应三用5.三1概况特征1234泥浆三比重三快速三窜升加水三稀释弃浆三处理溢浆由于三粉质三粘土三及粉三细颗三粒占三总渣三土量三平均三高达三33三%，三因泥三浆在三分离三机的三粗筛三进行三分离三时易三产生三溢浆三；弃浆三成本三高，三并且三弃浆三中仍三然含三有大三量的三膨润三土及三粘土三溶解三的物三质，三此类三物质三难于三处理三；对于三泥浆三应有三的特三性，三比如三粘性三，塑三性等三关键三指标三也会三随之三降低三，对三于盾三构掘三进中三的地三层沉三降现三象产三生不三确定三因素三；对于三盾构三机的三推进三及排三浆顺三畅产三生极三其不三利的三影响三；豫机三城铁