浅埋富水砂卵石地层中带压换刀技术研究

浅埋富水砂卵石地层中带压换刀技术研究

1盾构换刀问题成都地铁1号线隧道采用塔架法建造。塔架穿过土层，是砂质卵石，地下水位高，土层渗透性高，局部分布较大（最大直径67cm）。在这种地质条件下,盾构刀具磨损严重。先行试验标段表明:平均掘进120～150m就需全面更换一次盾构刀具。针对如此频繁的换刀作业,研究一种安全、快速、经济的换刀方式具有重要的现实意义。成都地铁1号线位于南北主干道下,其路面交通繁忙,采用常规的地表加固方法进行换刀不但会造成地面干扰,而且换刀成本大,周期长。采用气压作业则是解决城市隧道刀具检查与更换的较好办法。尽管国内外其它城市有过一些成功的带压换刀案例,但在类似于成都富水砂卵石地层中进行土压平衡盾构的带压换刀作业尚属首次。成都砂卵石地层透气性大,在没有任何辅助措施的情况下,几乎不可能建立并保持稳定的气压。本研究依托成都地铁1号线盾构3标项目(采用ϕ6280mm的土压平衡盾构),对浅埋富水砂卵石地层条件下的土压平衡盾构带压换刀技术进行了有益尝试并获得成功,从而形成了相关成套技术。2基于压裂技术的初步研究2.1空气在土仓内的安装带压换刀作业的工作原理是:对刀盘前方开挖面土层进行改良加固后,在保证刀盘前方周围地层和土仓满足气密性要求的条件下,利用空气压缩机将压缩空气注入土仓,边出土边注入空气,逐步置换土仓内渣土,以气压代替土压,通过在土仓内建立合理的气压来平衡刀盘前方水、土压力,达到稳定开挖面和防止地下水渗入的目的。作业人员在气压条件下,安全地进入土仓内进行检查和刀具更换等作业。压缩空气对开挖面的稳定作用,主要包括以下3方面:①可阻止来自开挖面的涌水,防止开挖面坍塌;②由于气压作用于开挖面,能够直接加强开挖面的稳定性;③由于气压对围岩缝隙起到排挤水的作用,增加了土层颗粒间的有效应力,提高了强度。2.2带压换刀工作压力值的计算工作气压PW指工作时土仓内的气压。压力越高,越能提高掌子面的稳定性。但从作业效率和进仓作业者的健康角度考虑,则取低值较好。所以在确定工作气压时,可先计算出能稳定掌子面的最低气压,工作气压在此基础上考虑一定的安全系数。对于富水砂卵石地层,宜按水土分算考虑。经过几次现场带压换刀试验,发现实际气压值出现了小于水压值的情况。分析其可能原因如下。1)由于土仓内的压缩空气对土层孔隙水的排挤作用,使得位于工作面的土层由于脱水而稳定性提高。加上刀盘面板的挡土作用,且刀盘开口率小,易形成土拱(见图1)。从几次带压换刀的经验来看,在成都富水砂卵石地层,计算带压换刀工作气压时,可以不考虑土压作用。2)膨润土浆液形成的泥塞作用为减小土层的渗透性,需向盾构周壁和开挖面前方注入膨润土浆液。浆液除在土层表面形成泥膜外,还可以渗入孔隙通道一定深度,堵塞水的通路。因此,水要进入土仓,除了水压要大于气压外,还需克服膨润土泥塞作用。这样,气压的大小与膨润土浆液注入效果密切相关。统计本工程14次带压换刀工作气压值,有的表现出大于水压值,也有的表现为小于水压值,大体趋势是换刀气压值在实测水压值上下波动。综合以上因素,对于成都富水砂卵石地层,从本工程多次成功带压换刀经验来看,可按以下经验公式计算带压换刀工作气压值:PW=kγ水h水ΡW=kγ水h水式中:k为取值系数,可小于1,根据膨润土浆液的注浆效果好、中、差,k的建议取值分别为0.9、1.0、1.2;γ水为水的重度;h水为水高度。2.3膨润土豆浆改性对土体空气损失率及土层透气性的影响本工程采用膨润土泥浆对土层的透气性进行改良。为获得成都富水砂卵石地层天然条件下的透气性和用膨润土浆液改良后的保气特征,在带压换刀尝试之前进行了压气试验,得出以下结论。1)对于成都地层天然土体,从0.06MPa加压到0.10MPa,再卸压至0.06MPa,其空气损失率如表1所示。2)采用膨润土泥浆改良后,从0.06MPa加压到0.10MPa,再卸压至0.06MPa,其空气损失率如表2所示。3)试验表明,加入膨润土泥浆后土层透气性明显下降:在0.10MPa的压力下,加入膨润土后气体损失是未加前的27%。且天然工况下,卸压过程明显比加压过程透气性大,而用膨润土泥浆改良后,由于泥膜作用,卸压过程和加压过程透气性差别不大。2.4带压换刀施工膨润土泥浆的技术指标包括:膨润土配合比、发酵时间、制备流程。为了使泥浆改良效果达到带压换刀施工的需要(黏性太大,不易注入砂卵石孔隙;黏性太小,开挖面不易形成泥膜),对其配合比和黏性关系进行室内试验,得出以下结论。1温度和搅拌质量试验发现,随着发酵时间增长,膨润土泥浆的黏性明显提高(以24h为宜,建议不要超过72h,否则黏性反而下降,乃至膨润土泥浆失效),且提高的速度与温度和搅拌质量有关(见图2)。温度越高,黏性提高越快;搅拌质量越好,黏性提高越快。2高速竖向旋转分离器在前几次的带压换刀尝试中,将室内试验应用于实际时,由于忽略了膨润土泥浆搅拌制备过程,而以失败告终。而后改用高速竖向旋转搅拌器(vertical-axis-high-speedmixer),如图3所示。膨润土粉末与水充分反应,在将膨润土泥浆从竖向搅拌器转移至水平搅拌罐后,保持水平搅拌罐不间断旋转,以防止沉淀发生。终于首次成功实现富水砂卵石地层带压换刀操作。3膨润土患者的计量根据室内试验确定的配合比和黏性关系,结合实际带压换刀尝试的经验,建议膨润土泥浆按质量配合比(膨润土粉末∶水)取10.5%,相应的锥形漏斗稠度仪计量值为35s左右。3加压换刀技术的制造工艺经过多次试验,总结了带压换刀按“到达预定换刀点前”、“到达预定换刀点时”和“换刀结束后的恢复掘进”三阶段控制的施工工艺。3.1到达指定的换刀点之前到达预定换刀点前的操作流程如图4所示。1膨润土注浆检查掘进到A-10环时检查同步注浆系统,主要是4个注浆管路是否运转正常。如果有管路不通、浆泵无力、冲程数与实际泵送量差距较大等情况,应进行管路疏通和浆泵的全面清洗,使整个注浆系统各部分处于优良的工作状态。在掘进到A-5环时,对整个膨润土系统进行检查,包括刀盘前方和盾体周围两个方向的膨润土管路和膨润土泵的运转情况。整个系统的各部分检查就绪后进行试注浆。在试注浆过程中,应主要观察各管路的压力是否正常,如果压力过大或者过小都必须对系统进行调试。2台柴油钻机正常工作状态在掘进至A-3环时检查空压机运行状况,使其达到良好的使用效果。根据几次带压换刀的经验,须有两台空压机处于工作状态,一台柴油空压机处于待机状态。柴油空压机的管路必须连接到位并处于待机状态,以防停电等紧急情况。同时进行向土仓内供气的呼吸系统调试,使其处于良好的工作状态。人闸系统要进行加减压测试,通过测试观察各种压力表、温度表以及各种阀门是否工作正常。在检查的同时把人闸各个气管特别是进气管全部打开,使其排气30min,尽可能排出气管里的油和水,以免影响作业人员的健康。3配合比及注浆压力根据盾构推进情况,在距A环24h之前拌制膨润土,具体拌制量由现场协调人员控制。同步注浆浆液的配合比由现场试验结果确定,浆液的稠度宜控制在11～13cm(锥入度试验),初凝时间控制在6h左右。每环的注浆量为6.5m3,同步注浆压力控制在0.2MPa左右。从A-2环开始,同步注浆只能在每环最后一车渣土时停止注浆,并且要尽量保证掘进的连续性,以保证注浆的连续与饱满。4工作压力测定通过压力表,检查前仓、主仓、作业仓的密闭性能。对空气压缩机和储气罐进行检查,观察其工作压力是否正常。在加压前,检查压缩空气系统的封签和功能。进仓作业所需各种起重工具和切割工具要进行进仓前的检查,避免工作时不能正常使用,导致作业人员工作时间延长和压缩空气的计划外使用。5掘进速度和转速到达距到达A环的前5环,在盾构周边注入膨润土泥浆。此时盾构机掘进速度调整为30～50mm/min,刀盘转速调整为1～2r/min。持续掘进速度和转速到达距A点前一环(1.5m)处,盾构掘进速度调整为25mm/min,刀盘转速调整为0.8～1.5r/min,最多不能超过1.5r/min。并同时在盾构刀盘前方8个注浆孔中位于盾体上方的4个注浆孔注入膨润土泥浆,设定压力为1.1倍开挖面的压力。在到达A环前要求注入25m3泥浆在开挖面上形成泥膜。3.2扫压及土压置换到达预定换刀点(A环)时,盾构机停止掘进,但是继续转动刀盘和注入膨润土泥浆。持续上述操作5min后停止刀盘转动。随后向土仓内加注压缩空气,进行气压和土压置换。加压过程采用分阶段排土、分阶段加压的方式进行,出土量按照所换刀具位置确定。将土仓中的渣土输出约1/3,观察土仓压力变化,同时安排人员观察地表上漏气是否严重,若土仓压力无法保持,则重新恢复注浆或重新推进;若土仓压力保持2h没有变化,则继续出土至1/2略偏下处,观察土仓压力变化,土仓压力仍保持2h没有变化或无明显波动时(压力变化值<0.005MPa),则表明土仓建压成功,可以进行带压换刀(或检查刀具)操作。3.3正常掘进过程控制不当,导致土压不稳定。在正常掘进换刀结束后,待人员与设备撤出土仓和人闸后,启动刀盘,恢复掘进(暂不出土)。通过压力传感器可以看到土仓内压力变化,此时通过土仓内排气阀排出一部分气体,以保持恒定的支撑压力。重复以上动作至满仓,重新建立土压平衡,进入正常掘进施工。刀具更换完毕后的恢复掘进过程实际上是用土压置换气压的过程,如果这个转化过程控制不当,将会导致开挖面土层失稳,甚至引起地表坍塌。根据恢复掘进点地质条件的差别,掘进模式分为以下几种。1刀具盘更换后土压完全替代氮气平衡由于砂卵石地层具有一定的稳定性,因此采用加气推进的模式。即更换刀具后,启动刀盘与千斤顶恢复盾构掘进,同时保持土仓内气压,暂不出土,逐渐恢复土仓内存土量,增加土压,同步逐渐减小气压,最终实现土压完全代替气压平衡。2盾构掘进由于砂层稳定性差,在砂层中恢复掘进时,必须采用回填土仓的方式来实现土压代替气压,即在换刀结束后,盾构暂不恢复掘进,而是向土仓内注入膨润土,用膨润土回填土仓,同步逐渐减小气压,当土压完全代替气压后,启动刀盘与千斤顶恢复盾构掘进。此外,在整个带压换刀过程中,为防止地表出现较大沉降,要求加强地表监测,除加密测点、提高测试频率外,其它要求同普通段施工。4带压换刀过程顺利进行富水砂卵石地层透气性大,极不利于带压换刀作业。通过调整“到达预定换刀点前”,“到达预定换