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正文內(nèi)容

盾構(gòu)施工技術(shù)總結(jié)(編輯修改稿)

2025-06-27 22:30 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 特性而言,濃度和密度越高,開挖面的穩(wěn)定性越好,而濃度和密度越低泥水輸送時(shí)效率越高,因此考慮了以上條件,目前被廣泛作為泥水管理標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值如下: (1)容重:~(g/cm 3)粘土、膨潤(rùn)土等。 (2)粘度:20~40(s) ,漏斗粘度 500/500ml。 (3)脫水量:Q<200ml, (APL 過(guò)濾試驗(yàn) 3kg/cm 2,30min) 。 泥水加壓盾構(gòu)有日本體系及德國(guó)體系,如圖 8 所示。兩者區(qū)別是:德國(guó)式的密封艙中設(shè)置了起緩沖作用的氣壓艙,以便于人工控制正面泥漿壓力,構(gòu)造較簡(jiǎn)單;而日本式密封艙中全是泥水,要有一套自動(dòng)控制泥水平衡的裝置。一般地說(shuō),泥水盾構(gòu)對(duì)地層擾動(dòng)最小,地面沉降也最小,但費(fèi)用最高。 泥水盾構(gòu)適用地層:泥水加壓盾構(gòu)最初是在沖積粘土和洪積砂土交錯(cuò)出現(xiàn)的特殊地層中使用,由于泥水對(duì)開挖面的作用明顯,因此軟弱的淤泥質(zhì)土層、松動(dòng)的砂土層、砂礫層、卵石砂礫層、砂礫和堅(jiān)硬土的互層等均運(yùn)用。泥水加壓盾構(gòu)對(duì)地層的適用范圍之9廣。但是在松動(dòng)的卵石層和堅(jiān)硬土層中采用泥水加壓盾構(gòu)施工,會(huì)產(chǎn)生逸水現(xiàn)象,因此在泥水中應(yīng)加入一些膠合劑來(lái)堵塞漏縫。在非常松散的卵石層中開挖時(shí),也有可能失敗。還有在堅(jiān)硬的土層中開挖時(shí),不僅土的微粒會(huì)使泥水質(zhì)量降低,而且粘土還常會(huì)粘附在刀盤和槽口上,給開挖帶來(lái)困難,因此應(yīng)該予以注意。 泥水加壓盾構(gòu)的適用性: (1)細(xì)粒土(粒徑 以下)含有率在粒徑累積曲線的 10%以上。 (2)礫石(粒徑 2mm 以上)含有率在粒徑加積曲線的 60%以上。 (3)自然含水量 18%以上。 (4)無(wú) 200~30Omm 的粗礫石。(5)滲透系數(shù) K102cm/s。 8.土壓平衡式盾構(gòu)。土壓盾構(gòu)又稱削土密閉式或泥土加壓式盾構(gòu)。它的前端有一個(gè)全斷面切削刀盤,切削刀盤的后面有一個(gè)貯留切削土體的密封艙,在密封艙中心線下部裝置長(zhǎng)筒形螺旋輸送機(jī),輸送機(jī)一頭設(shè)有出入口,如圖 19 所示。所謂土壓平衡就是密封艙中切削下來(lái)的土體和泥水充滿密封艙,并可具有適當(dāng)壓力與開挖面土壓平衡,以減少對(duì)土體的擾動(dòng),控制地表沉降。這種盾構(gòu)可節(jié)省泥水盾構(gòu)中所必須的泥水平衡及泥水處理裝置的大量費(fèi)用,主要適用于粘性土或有一定粘性的粉砂土?,F(xiàn)已有加水或加泥水的新型土壓平衡盾構(gòu),可適用于多種土層。圖 19 土壓平衡式盾構(gòu)土壓平衡式盾構(gòu)的基本原理,由刀盤切削土層,切削后的泥土進(jìn)入土腔(工作室),土腔內(nèi)的泥土與開挖面壓力取得平衡的同時(shí)由土腔內(nèi)的螺旋輸送機(jī)出土,裝于排土口的排土裝置在出土量與推進(jìn)量取得平衡的狀態(tài)下,進(jìn)行連續(xù)出土。土壓平衡式盾構(gòu)的產(chǎn)品名稱是各不相同的,即使是相類似的盾構(gòu),其名稱也因開挖面穩(wěn)定的方法和各公司對(duì)排土機(jī)構(gòu)開發(fā)過(guò)程的不同而各異。在使開挖面穩(wěn)定條件不同的盾構(gòu)中,把這種從土腔內(nèi)用10螺旋輸送機(jī)出土的盾構(gòu)與泥水加壓盾構(gòu)相區(qū)別。土壓平衡式盾構(gòu)又分為:削土加壓式,土壓平衡加水式,高濃度泥水加壓式,加泥式等 4 類。開挖工作面穩(wěn)定機(jī)構(gòu):土壓平衡式盾構(gòu)的開挖面穩(wěn)定機(jī)構(gòu),按地質(zhì)條件可以分成二種型式,一種是適用于內(nèi)摩擦角小且易流動(dòng)的淤泥、粘土等等的粘質(zhì)土層;另一種是適用于土的內(nèi)摩擦角大、不易流動(dòng)、透水性大的砂、砂礫等等的砂質(zhì)士層。(1)粘性土層中的開挖面穩(wěn)定機(jī)構(gòu) 在粉質(zhì)粘土、粉砂、粉細(xì)砂等的粘性土層中,開挖面穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的排土方式是:由刀盤切削后的泥土先進(jìn)入土腔內(nèi),在土腔內(nèi)的土壓與開挖面的土壓(在粘性土中,開挖面土壓與水壓的混合、壓力作用)達(dá)到平衡的同時(shí),由螺旋輸送機(jī)把開挖的泥土送往后部,再?gòu)某鐾灵l門口出土。這種機(jī)構(gòu)首先是由挖掘的泥土充滿土腔,在軟弱的粘性土地層中,由刀盤切削后的泥土強(qiáng)度一般都比原狀土的強(qiáng)度低,因而易流動(dòng)。即使是在內(nèi)聚力很高的土層中,也由于刀盤的攪拌作用和螺旋輸送機(jī)的搬運(yùn)作用攪亂了土體,使土的流動(dòng)性增大,因此充滿在土腔內(nèi)和螺旋輸運(yùn)機(jī)內(nèi)泥土的土壓、可與開挖面的土壓達(dá)到相等。當(dāng)然這種充滿在土腔和輸送機(jī)內(nèi)泥土的土壓必須在與開挖面土壓相等的情況下由螺旋輸送機(jī)排土,挖掘量與排土量要保持平衡。但是,當(dāng)?shù)貙拥暮傲砍^(guò)某一限度時(shí),由刀盤切削的土流動(dòng)性變差,而且當(dāng)土腔內(nèi)泥土過(guò)于充滿并固給時(shí),泥土就會(huì)壓密,難以挖掘和排土,迫使推進(jìn)停止。在這種情況下,一般采用的方法是:向土腔內(nèi)添加膨潤(rùn)土、粘土等進(jìn)行攪拌,或者噴入水和空氣,用以增加土腔內(nèi)土的流動(dòng)性。(2)砂質(zhì)土層中開挖面的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)在砂、砂礫的砂質(zhì)土地層中,土的摩擦阻力大,地下水豐富,透水系數(shù)也高,因此,依靠挖掘土的土壓和排土機(jī)構(gòu)與開挖面的壓力(地下水壓和土壓)達(dá)到平衡就很困難。而且由刀盤切削的土體流動(dòng)性也不能保證,對(duì)于這樣的土層僅采用排土機(jī)構(gòu)的機(jī)械控制使開挖面穩(wěn)定是很困難的。因此要用水、膨潤(rùn)土、粘土、高濃度泥水、泥漿材料等等的混合料向開挖面加壓灌注,并不斷地進(jìn)行攪拌,改變挖掘土的成分比例,以此保證土的流動(dòng)性和止水性,使開挖面穩(wěn)定。開挖面的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)可分為以下幾種方式:①切削土加壓攪拌方式:在土腔內(nèi)噴入水、空氣、或者添加混合材料,來(lái)保證土腔內(nèi)的土砂流動(dòng)性。在螺旋輸送機(jī)的排土口裝有可止水的旋轉(zhuǎn)式送料器(轉(zhuǎn)動(dòng)閥或旋轉(zhuǎn)式漏斗),送料器的隔離作用能使開挖面穩(wěn)定。 ②加水方式:向開挖面加入壓力水,保證挖掘土的流動(dòng)性,同時(shí)讓壓力水與地下水壓相平衡。開挖面的土壓由土腔內(nèi)的混合土體的壓力與其平衡,為了能確保壓力水的作11用,在螺旋輸送機(jī)的后部裝有排土調(diào)整槽,控制調(diào)整槽的開度使開挖面穩(wěn)定。 ③高濃度泥水加壓方式:向開挖面加入高濃度泥水,通過(guò)泥水和挖掘土的攪拌,以保證挖掘土體的流動(dòng)性,開挖面土壓和水壓由高濃度泥水的壓力來(lái)平衡。在螺旋輸送機(jī)的排土口裝有旋轉(zhuǎn)式送料器,送料器的隔離作用使開挖面穩(wěn)定。 ④加泥式:向開挖面注入粘土類材料和泥漿,由輻條形的刀盤和攪拌機(jī)構(gòu)混合攪拌挖掘的土,使挖掘的土具有止水性和流動(dòng)性。由這種改性土的土壓與開挖面的土壓、水壓達(dá)到平衡,使開挖工作面得到穩(wěn)定。 土壓平衡盾構(gòu)較適應(yīng)于在軟弱的沖積土層中推進(jìn),但在礫石層中或砂土層推進(jìn)時(shí),加進(jìn)適當(dāng)?shù)哪嗤梁?,也能發(fā)揮土壓平衡盾構(gòu)的特點(diǎn)。因此 1983 年后,一般認(rèn)為土壓平衡盾構(gòu)的適應(yīng)性是強(qiáng)的,土壓平衡盾構(gòu)施工后的地表沉降量可控制在 30mm 以內(nèi)。但其要求施工人員具有相當(dāng)豐富的施工經(jīng)驗(yàn),能根據(jù)地層和施工條件的變化采用一系列的施工管理方法。 土壓平衡盾構(gòu)(含加泥式盾構(gòu))適用性:(1)細(xì)粒(粒徑 0.074mm 以下)含有率在粒徑加積曲線的 7%以上。(2)礫石(粒徑 2mm 以上)含有率在粒徑加積曲線的 70%以下。(3)粘性土(粘土、粉砂土含有率 4%以上)的 N 值在 15 以下。(4) 自然含水量,砂:18%以上,粘性土:25%以上。(5) 滲透系數(shù) K<510 2cm/s。 泥水加壓盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)是當(dāng)前最先進(jìn)的盾構(gòu)形式,它們有自己的特點(diǎn),但是,它們不能完全取代其它類型的盾構(gòu)形式,其理由之一就是它們的造價(jià)一般都高于其它類型的盾構(gòu)。 當(dāng)某施工范圍內(nèi)的土層為軟土,并且地質(zhì)情況變化不大,地表控制沉降的要求不高時(shí),可采用擠壓盾構(gòu)。當(dāng)施工沿線有可能出現(xiàn)障礙物時(shí),也有采用開胸手掘式盾構(gòu)的(手掘、機(jī)械兼用等) 。12第二章 盾構(gòu)機(jī)地質(zhì)適應(yīng)性的確定 盾構(gòu)的選型的原則與依據(jù) 盾構(gòu)的選型的原則盾構(gòu)選型是盾構(gòu)法隧道能否安全、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、快速建成的關(guān)鍵工作之一,盾構(gòu)選型應(yīng)從安全適應(yīng)性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮,所選擇的盾構(gòu)形式要能盡量減少輔助施工法并確保開挖面穩(wěn)定和適應(yīng)圍巖條件,同時(shí)還要綜合考慮一下因素:1)可以合理使用的輔助施工法,如降水法、氣壓法、凍結(jié)法和注漿法等;2)滿足本工程隧道施工長(zhǎng)度和線形的要求;3)后配套設(shè)備、始發(fā)設(shè)施等能與盾構(gòu)的開挖能力配套;4)盾構(gòu)的工作環(huán)境。盾構(gòu)選型時(shí)主要遵循一下原則:1)應(yīng)對(duì)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)有較強(qiáng)的適應(yīng)性,首先要滿足施工安全的要求;2)安全適應(yīng)性、技術(shù)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一,在安全可靠的情況下,考慮技術(shù)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)合理性;3)滿足隧道外徑、長(zhǎng)度、埋深、施工場(chǎng)地、周圍環(huán)境等條件;4)滿足安全、質(zhì)量、工期、造價(jià)及環(huán)保要求;5)后配套設(shè)備的能力與主機(jī)配套,滿足生產(chǎn)能力與主機(jī)掘進(jìn)速度相匹配,同時(shí)具有施工安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置合理和易于維護(hù)保養(yǎng)的特點(diǎn);6)盾構(gòu)制造商的知名度、業(yè)績(jī)、信譽(yù)和技術(shù)服務(wù)。盾構(gòu)選型時(shí),應(yīng)根據(jù)以上原則,對(duì)盾構(gòu)的形式和主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究分析,以確保盾構(gòu)法施工的安全和可靠,選擇最佳的盾構(gòu)施工方法和最適宜的盾構(gòu)。盾構(gòu)選型是盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接影響盾構(gòu)隧道的施工安全、施工質(zhì)量、施工工藝及施工成本,為保證工程的順利完成,對(duì)盾構(gòu)的選型工作應(yīng)非常慎重。 盾構(gòu)的選型的依據(jù)一般地講,采用盾構(gòu)施工的地層大都是復(fù)雜多變的,目前還沒(méi)有一種萬(wàn)能的盾構(gòu)適合于各種地質(zhì)條件。實(shí)際上,在選定盾構(gòu)時(shí),不僅要考慮到地質(zhì)條件,還要考慮到盾構(gòu)的外徑、隧道的長(zhǎng)度、工程的施工程序、勞動(dòng)力情況等,而且還要綜合研究工程的施工環(huán)境、基地面積、施工引起對(duì)環(huán)境的影響程度等。選擇盾構(gòu)的種類一般要求掌握不同盾構(gòu)的特征,同時(shí)還要逐個(gè)研究如下幾個(gè)項(xiàng)目:1)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件:顆粒分析及粒度分布,單軸抗壓強(qiáng)度,含水率,礫石13直徑,液限和塑限,N 值,粘聚力 c,內(nèi)摩擦角 φ,土粒子相對(duì)密度,孔隙率和孔隙比,地層反力系數(shù),壓密特性,彈性波速度,孔隙水壓,滲透系數(shù),地下水位(最高、最低、平均) ,地下水的流速、流向,河床變遷情況等; 2)隧道長(zhǎng)度、隧道平縱斷面及橫斷面形狀和尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù);3)周圍環(huán)境條件:地上及地下建構(gòu)筑物分布,地下管線埋深及分布,沿線河流、湖泊、海洋的分布,沿線交通情況、施工場(chǎng)地條件,氣候條件,水電供應(yīng)情況等;4)隧道施工工程籌劃及節(jié)點(diǎn)工期要求;5)宜用的輔助工法;6)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。 盾構(gòu)的選型一定要綜合考慮各種因素,不僅是技術(shù)方面的,而且還有經(jīng)濟(jì)和社會(huì)方面的因素,才能最后確定采用何種盾構(gòu)施工。 盾構(gòu)選型的主要方法 根據(jù)底層的滲透系數(shù)進(jìn)行選型地層滲透系數(shù)對(duì)于盾構(gòu)的選型是一個(gè)很重要的因素。通常當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于 107m/s 時(shí),可以選用土壓平衡盾構(gòu);當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)在 107~10 4m/s 之間時(shí),即可以選用土壓平衡盾構(gòu)也可以選用泥水式盾構(gòu);當(dāng)?shù)貙拥臐B水系數(shù)大于 104m/s 時(shí),宜選用泥水盾構(gòu)。根據(jù)地層滲透系數(shù)與盾構(gòu)類型的關(guān)系,若地層以各種級(jí)配富水的沙層、沙礫層為主時(shí),宜選用泥水盾構(gòu);其他地層宜選用土壓平衡盾構(gòu),如圖 21 所示。14圖 21 地下透水性對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型的影響 根據(jù)地層的顆粒級(jí)配進(jìn)行選型土壓平衡盾構(gòu)主要是用于粉土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉土、粉砂層等粘稠土壤的施工,在粘性土層中掘進(jìn)時(shí),由刀盤切削下來(lái)的土體進(jìn)入土倉(cāng)后由螺旋機(jī)輸出,在螺旋機(jī)內(nèi)形成壓力梯降,保持土倉(cāng)壓力穩(wěn)定,使開挖面土層處于穩(wěn)定。一般來(lái)說(shuō),細(xì)顆粒含量多,渣土易形成不透水的流塑體,容易充滿土倉(cāng)的每個(gè)部位,在土倉(cāng)中可以建立壓力來(lái)平衡開挖面的土體。 一般來(lái)說(shuō),當(dāng)巖土中的粉粒和黏粒的總量達(dá)到 40%以上時(shí),通常宜選用土壓平衡盾構(gòu),相反的情況選擇泥水盾構(gòu)比較合適。粉粒的絕對(duì)大小通常以 為準(zhǔn)。 盾構(gòu)類型與顆粒級(jí)配的關(guān)系詳見圖 22:圖 22 盾構(gòu)類型與顆粒級(jí)配的關(guān)系圖中右邊藍(lán)色區(qū)域?yàn)檎惩?、淤泥質(zhì)土區(qū),為土壓平衡盾構(gòu)適用的顆粒級(jí)配范圍。 左邊的黃色區(qū)域?yàn)榈[石粗砂區(qū),為泥水盾構(gòu)適用的顆粒級(jí)配范圍。 中間的綠色區(qū)域?yàn)榧?xì)砂區(qū)域,兩類盾構(gòu)都能適用。圖 11 說(shuō)明細(xì)顆粒含量多則碴土能形成不透水的塑流體。粗顆粒含量高的碴土不能形成具備這種功能的碴土,因而不能實(shí)現(xiàn)土壓平衡機(jī)理,除非對(duì)碴15土進(jìn)行改良。 根據(jù)地下水壓進(jìn)行選型當(dāng)水壓大于 時(shí),適宜采用泥水盾構(gòu)。如果采用土壓平衡盾構(gòu),螺旋輸送機(jī)難以形成有效的土塞效應(yīng),在螺旋輸送機(jī)排土閘門處易發(fā)生渣土噴涌現(xiàn)象引起土倉(cāng)中土壓力下降,導(dǎo)致開挖面坍塌。當(dāng)水壓大于 時(shí),如因地質(zhì)原因需采用土壓平衡盾構(gòu),則需增大螺旋輸送機(jī)的長(zhǎng)度或采用二級(jí)螺旋輸送機(jī),或采用保壓泵。 盾構(gòu)選型時(shí)必須考慮的特殊因素在實(shí)際實(shí)施盾構(gòu)選型時(shí),還需解決理論的合理性與實(shí)際的可能性之間的矛盾。必須考慮環(huán)保、地質(zhì)和安全因素。1)環(huán)保因素對(duì)泥水盾構(gòu)而言,雖然經(jīng)過(guò)過(guò)篩、旋流、沉淀等程序,可以將棄土漿液中的一些粗顆粒分離出來(lái),并通過(guò)汽車等工具運(yùn)輸棄渣,但泥漿中的懸浮或半懸浮狀態(tài)的細(xì)土顆粒仍不能完全分離出來(lái),而這些物質(zhì)又不能隨意處理,就形成了使用泥水盾構(gòu)的一大困難。要將棄土泥漿處理成可以作為固體物料運(yùn)輸?shù)某潭纫彩强梢詫?shí)現(xiàn)的,但是做到這點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題:處理設(shè)備貴,增加工程投資;用來(lái)安裝這些處理設(shè)備需要的場(chǎng)地較大;處理時(shí)間較長(zhǎng)。2)工程地質(zhì)因素盾構(gòu)施工段工程地質(zhì)的復(fù)雜性主要反映在基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)特性的多變方面,在一個(gè)盾構(gòu)施工段中,會(huì)出現(xiàn)某部分的施工環(huán)境適合選用土壓平衡盾構(gòu),某些又適合選用泥水盾構(gòu)。盾構(gòu)選型時(shí)要綜合考慮并對(duì)不同選擇進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析后擇其優(yōu)者。3)安全因素從保持工作面的穩(wěn)定、控制地面沉降的角度來(lái)看,當(dāng)隧道斷面較大時(shí),使用泥水盾構(gòu)要比使用土壓平衡盾構(gòu)的效果好一些,特別是在河湖等水體下、在密集的建筑物與構(gòu)筑物下及上軟下硬的地層中施工時(shí)。 盾構(gòu)選型的確定盾構(gòu)機(jī)的選型一定要根據(jù)不同的工程、不同的地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行“量體裁衣”式設(shè)計(jì)和選型,才能使盾構(gòu)機(jī)更好的適應(yīng)工程施工要求。16根據(jù)盾構(gòu)施工法的特點(diǎn),盾構(gòu)機(jī)選型主要取決于盾構(gòu)經(jīng)過(guò)的地層的地質(zhì)情況,同時(shí),所選盾構(gòu)機(jī)必須具有與工期相適應(yīng)的掘進(jìn)速度,而且能夠滿足隧道施工的要求,根據(jù)本區(qū)間地質(zhì)特點(diǎn),制造盾構(gòu)機(jī)時(shí)有如下要求:盾構(gòu)機(jī)必須具備較強(qiáng)的穩(wěn)定開挖面、防止開挖面坍塌的能力。具有
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