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(總報(bào)告)富水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究-資料下載頁(yè)

2025-06-07 06:17本頁(yè)面
  

【正文】 造成劈裂。在施工中應(yīng)根據(jù)洞內(nèi)管片襯砌變形和地表及周圍建筑物變形監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行信息反饋,修正注漿參數(shù)和施工方法,發(fā)現(xiàn)情況及時(shí)解決。 注漿參數(shù)與地表沉降關(guān)系同步注漿的最主要目的是及時(shí)填充盾尾,控制地表沉降,因此地表沉降值是衡量注漿效果好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。在此根據(jù)盾構(gòu)施工的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)注漿參數(shù)與地表沉降關(guān)系進(jìn)行討論。(為便于比較,地表沉降用cm,注漿壓力用bar,注漿率采用小數(shù)表示)。 地表沉降與注漿參數(shù)變化圖 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處注漿壓力和注漿量分布圖,結(jié)合上節(jié)對(duì)注漿參數(shù)的分區(qū),我們對(duì)處于不同區(qū)域中的典型點(diǎn)進(jìn)行分析,從注漿壓力和注漿量共同作用的角度探討注漿參數(shù)和地表沉降的關(guān)系。(1)沉降量較大時(shí)21環(huán)和65環(huán)處沉降分別達(dá)到27mm和30mm為,為本區(qū)段沉降最大兩點(diǎn)。,注漿率141%。,注漿率172%。按照分區(qū)原則兩環(huán)應(yīng)分別位于A區(qū)和B區(qū)。這是由于注漿壓力未達(dá)設(shè)定值即停止注漿,雖然注入漿液量達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn),仍然未能有效填充由于滲透和少量卵石塌落而突然增大的盾尾間隙,導(dǎo)致地表沉降較大。(2)沉降量較小時(shí)90環(huán)處沉降僅有3mm,為本區(qū)段沉降最小處,注漿率125% ,位于E區(qū)。此時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)引起圍巖擾動(dòng)較小,在設(shè)定的注漿壓力和注漿量下,漿液較好的填充了盾尾間隙,較好的控制了地表沉降;(3)沉降量處于中間時(shí),注漿率165%,位于D區(qū)。此時(shí)注漿壓力在設(shè)定范圍內(nèi),但注漿量稍大。在掘進(jìn)時(shí)有一定的超挖,但在注漿時(shí)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)注漿量的調(diào)整有效的控制了地表沉降;, MPa,注漿率123%,位于H區(qū)。這是因?yàn)槎芪矎?5環(huán)處脫出時(shí),隧道拱頂較多的砂卵石塊坍塌,盾尾間隙減小,砂漿流動(dòng)不暢,需在較大壓力下注漿。注漿時(shí)考慮了這個(gè)因素,,將地表沉降控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之內(nèi)(30mm)。但此時(shí)可繼續(xù)增大注漿壓力,增加注漿量,進(jìn)一步減小沉降值。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)討論可知,注漿壓力和注漿量均對(duì)地表沉降有較大影響。在本區(qū)段內(nèi)同步注漿參數(shù)絕大部分分布在E區(qū)內(nèi),較好的控制了地表沉降。而在施工中可能出現(xiàn)且對(duì)沉降影響較大的是其在A區(qū)和B區(qū)時(shí)的情況,這主要是因?yàn)槭┕r(shí)未針對(duì)實(shí)際情況變化而對(duì)參數(shù)做出調(diào)整,導(dǎo)致注漿不足,在施工時(shí)應(yīng)盡量避免。 松散帶對(duì)注漿量的影響由于松散帶的存在,按常規(guī)的注漿量已經(jīng)不能滿足填充掘進(jìn)間隙。對(duì)于砂卵石地層的同步注漿系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行適應(yīng)性的改進(jìn)。(1)提高相應(yīng)設(shè)備的配備能力,根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出盾構(gòu)開挖直徑DL,根據(jù)DL計(jì)算所得的注漿量Q值來(lái)判別盾構(gòu)的同步注漿的設(shè)備能力,提高填充率,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,~,以保證足夠高的填充率。 (2)同時(shí)改進(jìn)同步注漿的漿液材料,防止?jié){液從盾構(gòu)盾殼周邊的松散帶反竄到刀盤前方。 (3)由于地層損失率的改變,該地層中的同步注漿的控制,不應(yīng)采取注漿量來(lái)控制,而應(yīng)以注漿壓力來(lái)控制同步注漿。 控制措施從不同注漿方式的優(yōu)劣及常見(jiàn)問(wèn)題的分析來(lái)看,盾構(gòu)機(jī)注漿控制措施主要有以下幾點(diǎn)。 合理選擇注漿液類型惰性漿液初凝時(shí)間長(zhǎng),制備成本低,在上海等軟弱地層為主的地區(qū)應(yīng)用較為廣泛,但由于其強(qiáng)度較低,抗?jié)B性能差,不利于隧道襯砌的早期穩(wěn)定和隧道防滲效果。硬性漿液制備成本相對(duì)較高,初凝時(shí)間較長(zhǎng),早期具有一定強(qiáng)度,對(duì)于隧道襯砌的穩(wěn)定較為有利。雙液漿初凝時(shí)間很短,強(qiáng)度高,相對(duì)另外兩種漿液而言,注入量最少,沉降量最少,注漿效果最佳,廣泛適用于各種地層,但施工工藝較為復(fù)雜,施工過(guò)程控制要求較高; 根據(jù)隧道區(qū)段變化而調(diào)整。在靠近洞門和聯(lián)絡(luò)通道前后的注漿,應(yīng)提高漿液強(qiáng)度和抗?jié)B性能;洞門結(jié)構(gòu)和聯(lián)絡(luò)通道施工前,還需用雙液漿等進(jìn)行二次注漿補(bǔ)強(qiáng);根據(jù)地質(zhì)情況變化而調(diào)整。正式掘進(jìn)前,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘探和補(bǔ)充地質(zhì)勘探成果,進(jìn)行漿液配合比試驗(yàn),最好是單液漿和雙液漿配比均準(zhǔn)備2組以上;漿液初凝時(shí)間、早期強(qiáng)度和28d強(qiáng)度均滿足與圍巖共同作用的要求;液化地層,還應(yīng)進(jìn)行漿液抗液化試驗(yàn);根據(jù)漿液運(yùn)輸方式選擇。 合理選擇注漿壓力、注漿量、注漿位置正常施工階段,以注漿壓力控制注漿量,沉降控制要求相當(dāng)高的地段,采用注漿壓力和注漿量雙重控制標(biāo)準(zhǔn)。為防止盾尾被擊穿,注漿壓力不能大于盾尾密封所能承受的設(shè)計(jì)壓力。 加強(qiáng)管片沉浮的監(jiān)測(cè)加強(qiáng)管片沉浮的監(jiān)測(cè),摸清盾構(gòu)機(jī)通過(guò)不同地質(zhì)斷面的沉浮規(guī)律,以相應(yīng)調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和注漿參數(shù)。為控制管片上浮,并防止因漿液流動(dòng)性好而造成隧道頂部出現(xiàn)無(wú)漿液填充現(xiàn)象,在通過(guò)盾尾注漿管的同步注漿過(guò)程中,宜將位于上部的兩根注漿管注漿壓力和注漿量提高;在通過(guò)管片注漿孔注漿的操作中,一般應(yīng)選擇在頂部的2片管片注漿。 結(jié)合地面監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)調(diào)整通過(guò)地面沉降監(jiān)測(cè)成果指導(dǎo)盾尾注漿施工,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)某環(huán)掘進(jìn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)出土量遠(yuǎn)超出理論方量時(shí),則有可能前方地層發(fā)生坍塌,應(yīng)增加盾尾注漿量。 制訂詳細(xì)的注漿施工設(shè)計(jì)和工藝流程及注漿質(zhì)量控制程序制訂詳細(xì)的注漿施工設(shè)計(jì)和工藝流程及注漿質(zhì)量控制程序,嚴(yán)格按要求實(shí)施注漿、檢查、記錄、分析,及時(shí)做出P(注漿壓力)-Q(注漿量)-t(時(shí)間)曲線,分析注漿效果,反饋指導(dǎo)下次注漿; 防止注漿管堵塞盾構(gòu)掘進(jìn)指令要和漿液拌制指令相配合,避免過(guò)早拌制漿液后發(fā)生堵管。盾構(gòu)機(jī)停機(jī)前應(yīng)用膨潤(rùn)土等將注漿管充滿,以防漿液回流而堵塞注漿管。同時(shí),配備專用疏通器具,制定有效的疏通措施,使注漿管堵塞時(shí)能得以及時(shí)疏通。 5 砂卵石地層帶壓換刀技術(shù) 帶壓換刀基本原理在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)對(duì)刀盤前方地層改良或加固處理后,在保證刀盤前方周圍地層和土倉(cāng)滿足氣密性要求的條件下,利用空氣壓縮機(jī)將空氣加壓,并注入土倉(cāng),以氣壓代替土壓,通過(guò)在土倉(cāng)內(nèi)建立合理的氣壓來(lái)平衡刀盤前方水、土壓力,達(dá)到穩(wěn)定掌子面和防止地下水滲入。作業(yè)人員在氣壓條件下進(jìn)入土倉(cāng),進(jìn)行檢查、維修保養(yǎng)和刀具更換等過(guò)程作業(yè)。 簡(jiǎn)單而言,壓氣對(duì)開挖面的穩(wěn)定作用,可分為下述三種:  (1)可阻止來(lái)自開挖面的涌水,防止開挖面坍塌。 ?。?)因壓氣壓力本身的擋土作用使開挖面穩(wěn)定?! 。?)由于壓氣對(duì)圍巖縫隙起到排擠水的作用,增加了粉砂、粘土層或含有粉砂粘土成分的砂質(zhì)土的強(qiáng)度,從而增加了開挖面的穩(wěn)定性。這其中,以高壓空氣防止開挖面坍塌的作用是氣壓法的最顯著的作用,但是其擋土作用依圍巖的性質(zhì)不同而有所區(qū)別。透氣性小的粘性土或粉砂質(zhì)土地層中這種效果比較明顯;而在透氣性大的砂質(zhì)土和砂礫層中,即使采用與地下水壓相適應(yīng)的氣壓力,也多出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象,而且往往阻止不了開挖面下部的涌水及上部的坍塌,因此需對(duì)刀盤前方的地層進(jìn)行適當(dāng)?shù)母牧己图庸獭?對(duì)均勻分布的同一種土質(zhì)的開挖面而言。隨著深度的增加,地下水壓呈線性增加,即圖中三角形的斜邊,而氣壓在整個(gè)開挖面上呈均等分布。因兩者的變化規(guī)律不同,故在開挖面上只存在一個(gè)交點(diǎn)(即兩者相等的點(diǎn)),也就是說(shuō),只有在該交點(diǎn)處氣壓才與地下水壓相等(即平衡),該點(diǎn)上、下部均為不平衡部位。上部為氣壓過(guò)剩部位,下部為水壓過(guò)剩部位。另外,因地下水壓與地層的性質(zhì)(滲水性等)、覆蓋土的厚度等因素 為隧道直徑)處的地下有關(guān),所以氣壓的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(交點(diǎn)氣壓),通常按離開隧道頂端水壓確定(適用于中、大口徑隧道),也可按隧道中心處的地下水壓確定(適用于小口徑隧道)。 空氣壓力和地下水壓的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)氣壓值雖然取決于地層條件、隧道直徑及覆蓋土的厚度等因素, 范圍內(nèi)。 氣壓與土層的關(guān)系 (1)粘性土(粘土、淤泥)地層1  就一般粘性土而言,因其透氣系數(shù)小,當(dāng)盾構(gòu)停機(jī)換刀致使工作面不穩(wěn)定時(shí),可依靠氣壓的支護(hù)作用和脫水使地層得到加固;2  對(duì)軟弱且具塑流性的粘土地層而言,停機(jī)換刀時(shí)容易產(chǎn)生開挖面土體坍塌及尾隙土體坍塌,即開挖面不穩(wěn)定。 (h4D)的塑流性地層壓氣加壓,則開挖面可能趨于穩(wěn)定。 滑動(dòng)破壞形態(tài)判斷壓氣加壓后是否穩(wěn)定的估算方法如下: () 式中:—作用于盾構(gòu)中心的豎直土壓(γ1h)(kN/m2),其中γ1為土體重度;P—?dú)鈮?kN/m2);—土體非排水抗剪強(qiáng)度(內(nèi)聚力)(kN/m2);—系數(shù),無(wú)量綱 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),≥5時(shí)掘削地層土體仍呈塑流態(tài)(即掘削面不穩(wěn)定);若5,則說(shuō)明掘削面呈穩(wěn)態(tài)。 顯然,加大P值,可使減小,即即提高氣壓可使開挖面穩(wěn)定。不過(guò)P不能過(guò)大,過(guò)大致使環(huán)境惡化。在粘性土地層中使用壓氣工法時(shí),因透氣系數(shù)小,故不必?fù)?dān)心漏氣。另外,由于粘土的毛細(xì)管張力大,故氣壓往往小于理論值。 (2) 砂性土(砂、砂礫)地層 如前所述,開挖面上部因受過(guò)剩氣壓作用,涌水被止住,地層的含水率降低,故內(nèi)聚力和抗剪強(qiáng)度增大,開挖面趨于穩(wěn)定。但對(duì)砂地層而言,若掘削面的暴露時(shí)間長(zhǎng)在氣壓的作用下,砂土脫水干燥致使內(nèi)聚性喪失,故仍然存在坍塌的危險(xiǎn)。如果氣壓增大過(guò)剩,則漏氣量增加或出現(xiàn)空氣向地面噴發(fā)的危險(xiǎn),。 漏氣現(xiàn)象在開挖面的下部,過(guò)剩水壓的滲流作用有時(shí)會(huì)致使飽和砂失重,出現(xiàn)流砂現(xiàn)象(飽和砂的流動(dòng)現(xiàn)象,稱為流砂現(xiàn)象)。出現(xiàn)流砂時(shí)的動(dòng)水梯度稱為臨界動(dòng)水梯度,可用下式表示 =(G1)/(1+e) ()式中: G—砂粒重度(kN/m3)。e—空隙比。因此,氣壓必須控制在不發(fā)生氣體向地表噴發(fā)的臨界氣壓以下及不產(chǎn)生流砂的范圍內(nèi)。當(dāng)在滲水系數(shù)大的砂性地層中壓氣加壓時(shí),氣壓越大,漏氣量越大。這種場(chǎng)合下,光靠壓氣止水很難實(shí)現(xiàn)。遇到這種情形還遇到這種情形還必須同時(shí)輔以注漿、排水降低地下水壓等輔助工措施。 (3) 互交層通常地層是由多種不同的土層交疊而成。地層的構(gòu)成和狀態(tài)不同,壓氣方法也不同。因此現(xiàn)場(chǎng)勘察地層構(gòu)成和狀態(tài)極為重要。例如:開挖面上部是砂土,下部為粘性土?xí)r,須注意由過(guò)剩氣壓造成的漏氣和噴發(fā)。遇到這種情形時(shí),還須考慮增加其它輔助措施。相反,開挖面上部是粘性土,而下部是砂土?xí)r,因粘性土的透氣系數(shù)小,可以適當(dāng)加大氣壓,提高止水、擋土效果。不過(guò)此時(shí)還應(yīng)該考慮壓縮空氣可能會(huì)穿過(guò)砂層在遠(yuǎn)處漏出。當(dāng)不滲水層下存在著因地下水位下降而完全疏干的砂層或砂礫層時(shí),地層中會(huì)滯留缺氧空氣。這種場(chǎng)合下,進(jìn)行壓氣施工時(shí),存在加壓空氣從大型建筑物的地下室或枯井中噴出的危險(xiǎn)。為防止此類事故的發(fā)生,事先須在一定的范圍(盾構(gòu)周圍約 100m)進(jìn)行勘察,并且施工時(shí)需要嚴(yán)密監(jiān)視。 土壓封閉措施及機(jī)理成都以砂卵石地層為主,卵石間顆粒之間的孔隙大,透氣性大。在帶壓換刀時(shí),必須對(duì)土倉(cāng)進(jìn)行封閉處理,防止漏氣而引起開挖面坍塌。目前普遍采用的方法是向開挖面及盾構(gòu)機(jī)周圍注入膨潤(rùn)土,同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤使艙內(nèi)砂土內(nèi)與膨潤(rùn)土能較好的混合并較深地滲入地層中,利用膨潤(rùn)土的吸水膨脹作用,對(duì)盾構(gòu)周圍的地層進(jìn)行封堵,使氣壓有效的形成支護(hù),在此對(duì)膨潤(rùn)土的膨脹及防滲機(jī)理進(jìn)行說(shuō)明。 (1)膨潤(rùn)土的結(jié)構(gòu)及性能 盾構(gòu)掘進(jìn)中所使用的膨潤(rùn)土是粘土的一種,其主要成分為蒙脫石,蒙脫石是2∶1型層狀鋁硅酸鹽,其四面體中的硅可被鋁隨機(jī)置換,八面體中的鋁可被同價(jià)或低價(jià)離子如Ca2+、Na+、Mg2+等類質(zhì)同象置換,這種類質(zhì)同象置換過(guò)程使蒙脫石晶層面有過(guò)剩的負(fù)電荷,在層間產(chǎn)生一靜電場(chǎng),因此蒙脫石層間可吸附Ca2+、Na+、Mg2+等陽(yáng)離子和水(H3O+)、氨(NH+4)等極性分子。正是蒙脫石這種特有的吸附功能使得膨潤(rùn)土具有很強(qiáng)的膨脹能力。 膨潤(rùn)土一般分為鈉基和鈣基膨潤(rùn)土,在工程中多使用鈉基膨潤(rùn)土,其顆粒的單位晶層中存在極弱的鍵,鈉離子本身半徑小,離子價(jià)低,水很容易進(jìn)入單位晶層間,引起晶格膨脹,顆粒的體積膨脹為原來(lái)顆粒體積的10~40倍,吸水后形成一道不透水的防滲層。若再經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)時(shí)間,則膨潤(rùn)土顆粒會(huì)變成膏脂狀,滲透系數(shù)可以降到1107m /s以下,幾乎不透水。膨潤(rùn)土自身吸水結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的過(guò)程。膨潤(rùn)土泥膜(a)分散結(jié)構(gòu)(b)絮凝結(jié)構(gòu)(c)膠結(jié)結(jié)構(gòu) 膨潤(rùn)土水化后與土體作用形成不透水層的過(guò)程 從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看,膨潤(rùn)土顆粒是粒徑小于2μm的無(wú)機(jī)質(zhì),主要結(jié)構(gòu)體系為Si—Al—S,i是由云母狀薄片堆壘而形成的單個(gè)顆粒。這些薄片層的上下表面帶負(fù)電,因而膨潤(rùn)土的構(gòu)成單位是互相排斥的。膨潤(rùn)土在水化時(shí),水分子沿著Si—Al—Si結(jié)構(gòu)單位的硅層表面被吸附,使得相鄰的結(jié)構(gòu)單位層之間的距離加大。鈉基膨潤(rùn)土單位結(jié)構(gòu)層間能吸附大量的水,層間距離大,膨脹率高,鈉離子連接各層薄片。膨潤(rùn)土水化后,形成不透水的可塑性膠體,同時(shí)擠占與之接觸的土顆粒之間的孔隙,形成致密的不透水的防水層,從而達(dá)到防水的目的。膨潤(rùn)土泥漿和土體相互作用后形成的混合結(jié)構(gòu),。 膨潤(rùn)土泥漿與土體作用形成混合土體的結(jié)構(gòu) (2) 膨潤(rùn)土的盾構(gòu)氣壓法換刀中的應(yīng)用 膨潤(rùn)土由于具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性及良好的自封閉性能,國(guó)外從20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始將膨潤(rùn)土用作防滲材料。土壓平衡式盾構(gòu)施工對(duì)加入的膨潤(rùn)土泥漿的一個(gè)基本要求就是它能夠形成“濾餅”,可以形成于土粒內(nèi)部和土粒之間,由膠結(jié)和固結(jié)的膨潤(rùn)土組成。這個(gè)“濾餅”可以演變?yōu)橐粋€(gè)低滲透性的薄膜,從而可以將過(guò)量的地下水壓力中的液體壓力轉(zhuǎn)化為土顆粒和土顆粒之間的有效應(yīng)力,這對(duì)穩(wěn)定地層,防止停機(jī)換刀時(shí)的地面塌陷至關(guān)重要。不同壓實(shí)密度的膨潤(rùn)土的主要差別在于其土體顆粒間孔隙的大小,當(dāng)密度大時(shí),單位空間中的土體顆粒及吸附水層所占的體積就大,滲流液體通道就窄。由于膨潤(rùn)土的高吸濕膨脹性和自封閉性,遇水時(shí)極度膨脹,其密度越大,膨脹倍數(shù)越大,同樣的滲流空間留給過(guò)流液體的通道就越窄,其滲流系數(shù)也就降低了。 氣壓加壓試驗(yàn) (1)盾構(gòu)停機(jī)前狀況 2008年3月16日晚,盾構(gòu)機(jī)的推力逐漸增大,最大至1700噸,每環(huán)注入3方膨潤(rùn)土改良土體,出土夾雜較多未破損的20~30cm卵石及粘土,偶爾出現(xiàn)卡刀盤現(xiàn)象。掘進(jìn)速度在掘進(jìn)第二環(huán)突然從30mm/min降低至個(gè)位數(shù),使用水浸泡2小時(shí)后掘進(jìn),速度恢復(fù),不久后后停機(jī)。經(jīng)研究決定采用氣壓法換刀,對(duì)本方法進(jìn)行嘗試。 (2)換刀計(jì)劃及執(zhí)行情況。 換刀計(jì)劃及實(shí)現(xiàn)情況計(jì)劃內(nèi)容,參數(shù)時(shí)間及班組實(shí)際情況,處理及參數(shù)刀具檢查更換地點(diǎn)的預(yù)測(cè),對(duì)選定地面進(jìn)行觀察,確定盾構(gòu)機(jī)上方的管線,地質(zhì)鉆探孔,降水井等瀉壓通道堵死316無(wú) 停機(jī)換刀前五環(huán)每環(huán)盾尾同步注
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