泥水平衡

泥水平衡（共7篇）

泥水平衡 篇1

随着城市建设的发展,各种管道的开挖施工都受到很大的限制,顶管施工已经越来越普及。它能够穿越公路、铁路、河流、地面建筑物、地下建筑物及各种地下管线,已经广泛地应用于排水、供水、煤气、电缆、通讯等各个行业。但现代的顶管施工距离越来越长,埋度越来越大,穿越的地上地下构筑物越来越多,传统的手掘式顶管施工已经不能满足现代顶管施工的要求,泥水平衡顶管施工作为一种较新型的施工方法,已经得到越来越广泛的应用。

1 泥水平衡顶管施工的优点

1)适用的土质范围比较广。2)可有效的保持挖掘面的稳定,对所顶管子周围的土体扰动比较小。3)与其他类型的顶管相比,泥水顶管施工时总推力比较小,尤其是在黏土层表现的更为突出,所以它适宜于长距离顶管。4)工作坑内的作业环境比较好,作业比较安全。5)由于泥水输送弃土的作业是连续不断进行的,所以它作业时的进度比较快。

2 泥水平衡顶管施工流程

测量放样→基坑构筑→设备安装→注浆材料准备→出土准备→泥浆运输→注浆→推进→测量→卸管、接口安装→进洞→取工具管→全线测量→收坑。

3 泥水平衡顶管施工重点工序介绍

3.1 工作坑和接收坑施工

3.1.1 工作坑和接收坑选址原则

首先,在选址上应尽量避开房屋、地下管线、河塘、架空电缆等不利于顶管施工作业的场所。其次,在选址上也要根据顶管施工全线的情况,选取合理的工作坑和接收坑的个数。最后,在选取工作坑和接收坑时,也应全盘考虑,然后再不断优化,一般的选取原则有:1)在土质比较软,而且地下水又比较丰富的条件下,首先选用沉井施工作为工作坑。2)在渗透系数为1×10-4 cm/s左右的砂性土中,应有井点降水的辅助措施加以配合。3)在土质条件比较好,地下水少的条件下,应选用钢板桩工作坑。4)在覆土比较深的条件下可采用多次浇筑和多次下沉的沉井工作坑或地下连续墙工作坑。5)在一些特殊条件下,如离房屋很近,则应采用特殊施工的工作坑。6)在一般情况下,接收坑可采用钢板桩等比较简易的构筑方式。

3.1.2 工作坑和接收坑的构筑方法

1)工作坑和接收坑按形状来区分,有矩形、圆形、腰圆形、多边形等几种;按其结构形式来分,有钢筋混凝土坑、钢板桩坑、瓦楞钢板坑等;按构筑方法来分,有沉井坑、地下连续墙坑、钢板桩坑、混凝土砌块或钢瓦楞板拼装坑以及采用特殊施工方法构筑的坑等。

2)最常见的钢板桩工作坑和接收坑的构筑方法简单。一般是先放样,然后按钢板桩走向在一周中挖一条深0.5 m左右的地槽。钢板桩沿已挖好的槽打成所需的形状,大多为矩形。如果地下水位过高,钢板桩应打一圈井点,用以降低地下水。当井点水位降到预定水位后,就可以在坑内挖土。当土挖到地表下0.8 m左右时,应对钢板桩坑设置第一道支撑。通常支撑都采用框行,四个角部分应加45°斜撑。接着往下挖土,每挖1 m～1.5 m就需设置一道横撑。如果工作坑纵向距离较长,还需在框中间设置一道支撑,一直挖到基础地面为止。在距离坑底板表面0.3 m左右处设置最后一道支撑,在基础和底板浇筑以后把此道支撑拆除。然后在工作坑的前方浇筑一道与工作坑基础同宽,厚度为0.5 m左右的止水墙。该止水墙中间预留洞口,洞口的直径一般比顶管机外径大0.15 m～0.2 m。在洞口安装止水圈。接着在工作坑的后方浇筑后座墙。后座墙为素混凝土时,它所能承受的最大弯矩不能满足要求,则可在墙体受拉的一面加入钢筋,使其强度增加,达到要求。

3)采用沉井施工的工作坑和接收坑的构筑顺序是先挖一个1 m深的、比工作坑外围尺寸还大1 m的坑,坑底要平,然后再在工作坑的刃脚下面先垫一层砂和素混凝土垫块,垫块的尺寸与井壁大致相同。接下来立模、扎筋、浇筑。工作坑中留有进出洞的洞口,直径比顶管机大0.15 m～0.2 m,接收井的洞口直径比工作井大0.1 m左右。然后准备下沉。下沉前把素混凝土块打碎,沉井的刃脚就切入土中。如果是干沉,还需要在沉井周围大井降水。挖去井内的土,沉井就会漫漫下沉,当达到要求时立即进行封底。

4)采用地下连续墙方法施工工作坑或接收坑时先按要求做一圈槽壁组成的地下连续墙,这种坑多数为圆形,然后从上往下一边挖土一边做内衬砌,一直做到底板的基础底面为止,再做基础和底板。用地下连续墙方法施工,工作坑或接收坑的洞口不是预留而是后来开凿成的。圆井在开凿好进出洞口以后还要浇筑前止水墙和后座墙。采用此方法施工时,即使离房屋和其他建筑物近时也比较安全。

3.1.3 进出洞口的措施

为了使进出洞口顺利开展,可采用对洞口土体进行加固的措施。如果土体不是很软,则可采用门式加固法。所谓门式加固法,就是对所顶管道外径的两侧和顶部的一定宽度和长度范围内的土体进行加固,以提高这部分土体的强度,从而使工具管或顶管机在出洞或进洞中不发生塌土现象。加固方法有的采用高压旋喷技术,有的采用搅拌桩技术,也有的采用注浆技术或冻结技术。如果土体比较软,则必须在管子顶进一定范围内,对整个断面进行加固,加固的方式与前述基本相同。如果土质比较好,土比较硬,挖掘面上的土体又能自立,这时也可不必对土体进行加固。

3.2注浆减摩

注浆使管周外壁形成泥浆润滑套,从而降低了顶进时的摩阻力,在注浆时做到以下几点:1)选择优质的触变泥浆材料,对膨润土取样测试。主要指标为造浆率、失水量和动塑比。2)在管子上预埋压浆孔,压浆孔的设置要有利于浆套的形成。3)膨润土的贮藏及浆液配制、搅拌、膨胀时间在12 h以上。4)压浆方式要以同步注浆为主,补浆为辅。在顶进过程中,要经常检查各推进段的浆液形成情况。5)注浆设备和管路要可靠,具有足够的耐压和良好的密封性能。在注浆孔中设置一个单向阀,使浆液管外的土不能倒灌而堵塞注浆孔,从而影响注浆效果。6)注浆泵选择脉动小的螺杆泵,流量与顶进速度相应。

3.3顶进过程中的方向控制

测量与方向控制要点如下:

1)有严格的放样复核制度,并做好原始记录。顶进前必须遵守严格的放样复测制度,坚持三级复测:施工组测量员※项目管理部※监理工程师,确保测量万无一失。2)布设在工作井后方的仪座必须避免顶进时移位和变形,必须定时复测并及时调整。3)顶进纠偏必须勤测量、多微调,纠偏角度应保持在10′～20′,不得大于0.5°。并设置偏差警戒线。4)初始推进阶段,方向主要是主顶油缸控制,因此,一方面要减慢主顶推进速度,另一方面要不断调整油缸编组和机头纠偏。5)开始顶进前必须制订坡度计划,对每1 m,每节管的位置、标高需事先计算,确保顶进时正确,以最终符合设计坡度要求和质量标准为原则。

4泥水平衡顶管施工的缺点

1)弃土的运输和存放都比较困难。2)所需的作业场地大,设备成本高。3)口径越大,它的泥水量就越多。因此在闹市区施工是比较困难的事。4)采用泥水处理设备,噪声很大,对环境会造成污染。5)由于泥水顶管施工的设备较复杂,一旦出现故障,就得全面停止施工作业。6)如果遇到覆土层过薄,或遇上渗透系数特别大的砂砾、卵石层,作业就会受阻。

摘要：针对泥水平衡顶管的广泛应用,就泥水平衡顶管的优缺点作了说明,特别就工作坑和接收坑的施工、注浆减摩、顶进方向控制、施工常见问题及解决方法作了重点阐述,以完善泥水平衡顶管施工工艺,达到推广该施工工艺的目的。

关键词：泥水平衡,顶管施工,重点工序

参考文献

[1]余彬泉,陈传灿.顶管施工技术[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]陈传灿.泥水式盾构挖掘面稳定系统动态仿真[J].筑路机械与施工机械化,2002(4):31-32.

[3]赵久敏,王岚,黄伟.泥水式平衡顶管施工技术探讨[J].山西建筑,2007,33(9):144-146.

浅述泥水平衡顶管施工技术 篇2

本工程地下土质为粘土, 根据工期要求, 施工单位决定选择较为先进的泥水平衡顶管施工技术。下面结合本工程对泥水平衡顶管施工进行简述。

1 泥水平衡顶管施工的工法特点

泥水平衡顶管施工工法采用机械掘进技术, 其特征为:刀盘将切削的土壤送入泥水仓, 然后由送水泵将具有一定浓度的泥水送至挖掘面, 通过刀盘充分搅拌后由排泥泵经排泥管道将泥水送至地面泥浆池, 经沉淀或分离后泥水可重复利用, 残渣外运;掘进过程通过刀盘以及顶速平衡正面土压力, 调节循环水压力用以平衡地下水压力;采用流体输送切削入泥仓的土体, 顶进过程中不间断, 施工速度快;无需土质改良或降水处理, 施工后地表沉降小。

2 施工准备

施工单位应制定严密合理的施工组织计划, 主要涉及顶管机的选型, 施工工艺技术准备及人员准备, 材料准备情况, 质量保障体系、安全保障体系以及应急预案的建立等内容, 施组经批准后方可组织施工。

3 工作坑及接收坑施工

在各项准备工作完成后, 可开始顶管工作坑及接收坑的施工。应根据顶力大小、顶管的施工方法、地质、管径、埋置深度及地面环境条件等因素, 合理确定工作坑及接收坑的类型。根据本工程特点, 经比较研究, 顶管工作井及接收井采用SMW工法施工, 基坑围护采用双轴水泥搅拌桩, SMW (Soil-cement Mixed Wall) 工法是指水泥土深层搅拌桩墙体中, 按一定形式插入H型钢, 成为一种劲性复合围护结构。这种结构抗渗性好, 刚度大, 构造简单, 施工简便, 工期短, 安全系数高, 无环境污染。

施工中应注重桩的间距和垂直度控制。施工中垂直度应小于1%, 桩的间距必须保证最小搭接宽度为0.2 m, 以保证型钢插打起拔顺利, 并确保墙体的防渗性能。同时, 应做好型钢的减摩, 以利拔桩。型钢表面应进行除锈, 并在干燥条件下涂抹减摩剂, 本工程采用了石蜡作为减摩剂。

工作坑基底应进行相应处理, 以保证顶进过程中导轨沉降在允许范围内。本工程在基底进行砂砾换填后, 浇筑了20 cm素混凝土 (C15) 。

4 后靠、导轨及顶进设备的安装

后靠除了平面位置须满足要求外, 还应注意:后靠设施和土体的最大允许反力必须经过计算, 并满足最大顶力的需要, 必须结构稳定, 无位移, 必要时对结构后靠及土体予以加固。

后靠承压壁必须具有足够的强度和刚度, 能够承受和传递最大顶力, 并应留有较大的安全度。在承压壁直接承受顶力的接触面应设置一块5 cm以上的厚钢板, 钢板应与顶管轴线垂直。

导轨、顶机、千斤顶、油泵站、后靠的布置、安装应顺序进行, 达到导轨稳定, 顶机平稳, 轴线、标高、坡度符合顶管设计要求。顶机及相关设备应进行单机、单系统调试, 并进行整机系统运行试车, 操作运行正常后才能拆除封门机头顶入土体。

5 顶进施工

在各项准备工作及设备调试完成后, 可进行顶进施工。顶管的施工顺序应从整个排水系统考虑, 并结合工程施工的具体条件, 一般宜从管道的下游开始, 逐段顶进。通常应选择施工条件较好、顶程较短、技术风险较小的顶段作为起始顶管段, 在顶管前进行必要的现场技术数据的测试和分析, 设定施工技术参数, 通过起始段的顶进, 逐步调整各项施工技术参数和对顶管机的操作, 为下一段的正常顶进优化施工工艺。本工程选择了从污水下游即从起点开始顶进, 并选择顶程较短的50号～51号井 (60 m) 开始顶进。顶进过程中施工重点有:

1) 顶力计算:顶力的理论计算:F=F1+F2。

其中, F为总推力;F1为迎面阻力, F1=π/4×D2×P (D2为管外径;P为控制土压力, P=K0×γ×H0, K0为静止土压力系数, 一般取0.55, H0为地面至掘进机中心的厚度, γ为土的湿重量) ;F2为顶进阻力。

根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后, 取最小值作为油缸的总推力。

2) 由于本工程要进行长距离顶管, 因此要进行触变泥浆减阻处理。 管节顶出工作坑洞口后, 应立即在机头工具管尾部与管节连接处压注触变泥浆, 即“机尾压浆”。按设计和施工组织设计的要求, 在管道顶进中, 间隔顶入带有预留压浆孔的管节。在压浆孔中压注触变泥浆, 随顶随压, 定时定点, 按量均匀压入, 即“管中补浆”。在穿越地下管线及建筑物时, 应避免做大的纠偏, 并适当增加触变泥浆的压注量, 在地面沉降增量或采取纠偏顶进时, 均应适当增加压浆量, 即特殊地段“增量压浆”。

顶管中压注触变泥浆, 对于降低管壁摩阻力、减小顶进力、支护成洞土体、减少土体流失和地面沉降具有十分重要的作用。为了保证管壁外周泥浆套的稳定, 要求泥浆失水量小, 粘滞度高, 不沉淀, 稳定性好, 因此必须选择优质膨润土配置泥浆。常用压浆压力为0.1 MPa～0.3 MPa, 压浆量通常为机头外径与管壁外径的空隙量的3倍～5倍, 当土质松软、顶管纠偏、地面冒 (漏) 浆、地面沉降时, 应酌情加大压浆量并调整压浆压力。压浆压力不宜过大, 压浆应随顶随压, 分次压注。

3) 中继间使用。为增大顶进长度, 在管道顶进过程中加设了中继间。利用中继间进行接力顶进是中长距离顶管的一项重要技术措施。中继间的布置要求按顶力及操作的要求, 以提高顶进速度。第一只中继间应放在比较前面, 因为顶管机的正面土压力在推进过程中会因土质条件和施工情况等因素发生较大的变化, 所以当总推力达到设计推力的60%时就安放第一只中继间, 以后当达到设计推力的80%时安放下一只中继间, 而当主顶推力达到设计推力的90%时就必须启用中继间。

4) 顶进过程中及时纠偏。顶进过程中的测量和方向控制, 贯穿顶进施工的全过程。a.应有严格的放样复核制度, 并做好原始记录。顶进前必须遵守严格的放样复测制度, 坚持三级复测:施工组测量员→项目管理部→监理工程师, 确保测量万无一失。b.布设在工作井后方的仪座必须避免顶进时移位和变形, 必须定时复测并及时调整。c.顶进纠偏必须勤测量、多微调, 纠偏角度应保持在10′～20′ 不得大于30′ , 并设置偏差警戒线。d.初始推进阶段, 方向主要是主顶油缸控制, 因此, 一方面要减慢主顶推进速度, 另一方面要不断调整油缸编组和机头纠偏。e.开始顶进前必须制定坡度计划, 对每一米、每节管的位置、标高需事先计算, 确保顶进时正确, 以最终符合设计坡度要求和质量标准为原则。督促施工单位勤测勤纠, 尽量采取小幅度的纠偏, 尽可能的保证管道的直顺, 减小管道绕曲造成土层移动引起的沉降, 避免急度纠偏造成管道接口密封失效和管端碎裂, 发生水土和触变泥浆的流失, 引起地面沉降。本工程所用设备采用激光制导, 且有顶进监控及数据显示功能, 给顶进方向控制提供了很大方便。

5) 顶管洞口的加固和止水。洞口加固:为防止洞口处土体坍塌, 需对洞口采取加固措施。本工程在开洞口之前, 沿洞口上部180° 范围内顺管方向打入长2 m的注浆花管, 打入深度不小于1.5 m。当工具管全部入土后, 利用预埋好的注浆花管向土内注入水泥浆。洞口止水:为保证顶管机出洞时触变泥浆不从顶管机外壳周围涌出, 需要在出洞口安装封闭装置。本工程后封闭利用δ10 mm钢板, 加工两个圆环, 两钢环内径比管材外径稍大;外钢环比内钢环的外直径大100 mm, 把橡胶圈安装在两钢套环之间, 采用夹板螺栓固定。顶管机顶入土前, 将加工好后封闭安装在洞口预埋钢筋上, 用螺栓固定。由于橡胶圈内径小于管材直径, 当顶管机头进入洞口, 橡胶圈形成一个反向折弯, 利用注浆时的反推力, 使橡胶圈附着在管身, 注浆压力越大, 橡胶圈附着力越强, 从而达到后封闭的效果。

6 泥浆置换

管道顶进施工完成后, 在泥浆填充置换前用雷达进行探测, 充分掌握顶管后管道四周土体密实度情况以进行注浆。

注浆使用高压注浆泵向管外注入水泥、粉煤灰浆液填灌顶管超挖空隙, 避免地面沉降, 同时将触变泥浆置换出来。补浆时由后向前交错压入水泥、粉煤灰浆液。

经过以上工序, 顶管主体工程基本完成。

7 结语

在天北路改造工程顶管施工过程中, 各方加强了施工安全管理, 并加强了进度控制, 保证了天北路改造工程顶管施工高质量、按期完成任务, 确保了奥运会前通车的工期目标。

参考文献

泥水平衡 篇3

关键词：泥水平衡,顶管,曲线,施工技术

1 引言

泥水平衡顶管施工是指利用泥水压力来平衡顶进工作面上的地下水和土层的压力,泥水压力主要通过泥浆泵来控制进出泥浆的量来实现[1]。泥水平衡式顶管施工以其作业性能好、总顶力较小及施工进度快等优点受到顶管工程界的肯定,但其在施工过程中如果控制不当,将造成地面塌陷、污染环境及泥浆突涌等现象,特别是在曲线顶管测量控制不当的情况下问题更加突出。从泥浆配制、泥浆分离、曲线段测量及压密注浆技术四方面来探讨泥水平衡式曲线顶管施工阶段的技术控制措施。

2 工程概况

为改善厦门岛内电网结构,提高中心城区的供电可靠性,需建设110k V半曾Ⅱ回线路开断进金榜变工程项目。该电力改造工程沿线路径共设计两段顶管,顶进管材采用Φ2000mm钢筋混凝土企口管,顶管施工完毕后在钢筋混凝土管内安装电缆支架,而后完成电缆敷设施工。本文主要研究横穿文屏路段曲线顶管。该曲线顶管长度为180m,新建沉井2座(1#为工作井、2#为接收井)。施工项目部在顶管施工前综合分析地质勘察报告、工程造价及周边环境影响等因素,确定采用泥水平衡式顶管掘进机(型号:YD2000[2])来完成该段顶管施工。工程总平面布置如图1所示。

注:1#~18#为沉降观测点

3 施工阶段技术研究

3.1 不同地质条件下泥浆的配置

由于本工程曲线顶管施工所跨越土层的岩土特性差异较大,因此,根据不同地质条件进行泥浆的调整以及对泥水压力的调控成为施工过程中质量与安全控制的重点,如若控制不当,势必造成顶管失败、地面塌陷、泥浆突涌等事故。

泥浆一般由粘土、水(或油)和其他外加剂根据配比要求混合而成,具有可调控的粘性、比重、降失水和润滑等性能。施工性能良好的泥浆一般具有如下特征:化学稳定性好;物理稳定性好;流动性好;成膜性好;泥浆的黏度、相对密度及颗粒级配适当。泥浆在泥水平衡式顶管施工中主要起到平衡顶进作业面的压力、双向隔离及运送土渣的功能。

顶管贯穿杂填土层、坡积粉质粘土层、残积粉质粘土层及砂砾状强风化花岗岩层,为保证顶管路径顶部路面的稳定,将变形控制在最低限度,顶进过程必须根据各阶段岩土特性及时对泥浆相对密度进行调整。顶管开挖面稳定安全系数与泥水相对密度的关系如下:

式中,FS为开挖面稳定安全系数;ρ为土体密度;ρf为泥水相对密度;φ为土的内摩擦角。

根据式(1)及岩土工程勘察报告,对顶管贯穿土层所需配置的泥浆相对密度进行分析,岩土设计参数表详见表1。

杂填土:由于杂填土内摩擦角较小,顶进过程中若遇到杂填土段必须提高泥水相对密度,保证开挖面的稳定。

坡积粉质黏性土、残积砂质黏性土:由于该土层内摩擦角较杂填土大,顶进过程中所采用的泥水相对密度可略比杂填土地质情况低,本工程采用的泥水相对密度约1.025~1.075。

砂砾状强风化花岗岩:由于该土层中所蕴含的黏土成分极少,泥浆在循环使用过程中会不断损失黏土,为使泥浆保持较大的黏度和较大的相对密度,顶进过程中遇该土层必须不断向泥浆中加入一些黏土,本工程采用的泥水相对密度约1.225。

通过对顶管沿线路径沉降量进行跟踪与监测,最大沉降点位于2#接收井附近的18#沉降观测点,该沉降点恰好位于杂填土层,累计沉降量为32mm,但总体沉降量小于理论计算值,处于可控范围之内,针对不同地质条件所配制的泥浆满足施工要求[3]。

3.2 泥浆分离处理技术

对于泥水平衡顶管施工而言,泥浆的质量非常关键。泥浆又常被称为泥水平衡顶管的“血液”。为了保持“血液”运行质量,必须对循环泥浆进行净化处理,为泥水平衡顶管施工提供优质的泥浆。

采用全自动泥浆净化处理设备,顶管机排出的污浆由排泥泵经分配器送入泥水处理系统,经过预筛分器的振动筛选后,将粒径在3mm以上的渣料分离出来;筛余的泥浆进入泥浆净化装置经过旋流除砂、振动脱水处理后,干净泥浆沿出浆管自流入沉淀池或调浆池,如图2所示。

通过全自动泥浆处理,一方面提高了泥浆的循环利用率,降低了液体泥浆运输过程中对城区环境所带来的影响,另一方面则降低了废弃泥渣的运输成本。建议对位于城市繁华地段及施工场地受限的泥水平衡顶管工程,采用全自动泥浆处理设备进行泥浆的过滤处理,可有效降低对城市环境的影响。

3.3 曲线顶管测量与纠偏技术

采用局部曲线顶管施工避开已有建筑物基础,测量导向工作是曲线顶管施工的重点,因此测量导向工作是否精确直接影响到顶管施工的成败与公众安全。顶进的测量与方向的控制,是采用激光经纬仪辅以水准仪测量[4],并通过液压油缸进行纠偏,测量原理如图3所示。测站布置数量与曲线段顶进误差的演算过程如下。

所以,管内必须设置一个测站C,否则无法通视进行测量。

式中,D为混凝土管内径;R为曲率半径(由设计图纸可知);L为最大一次测量距离;l为顶管曲线段弦长(由设计图纸可知)。

1)测量实际顶进曲线与设计曲线的误差步骤如下:

(1)布设测量基准点A及测站C;

(2)利用光学测距仪测出点A到始曲点B之间的距离l0,以及点A到测站C之间的距离l1;

(3)利用光学经纬仪测设出直线AC与测量基准线间的夹角α0;

(4)利用光学经纬仪测设出向A对准以后再转向D点所测得的AC延长线与CD线的夹角α1;

(5)根据几何关系可推算出被测点D的坐标x=l1cosα0-l0+l2cos(α0+α1),y=l1sinα0+l2sin(α0+α1)

(6)进而可推算出被测点D与设计曲线之间的误差

2)顶进曲线误差纠偏的原则

通过以上方法测算出曲线段顶进误差d后,进而需进行误差的纠偏,纠偏工作应遵循先纠上下后纠左右的原则,做到以下几点:

(1)有严格的放样复核制度,并做好原始记录。

(2)布设在1#工作井后方的仪器座必须避免顶进时移位和变形,必须定时复测并及时调整。

(3)顶进纠偏必须勤测量、多微调,纠偏角度应保持在10~20',不得大于1°[5]。

(4)初始推进阶段,方向主要是主顶油缸控制,因此,一方面要减慢主顶推进速度,另一方面要不断调整油缸偏移和机头纠偏。

(5)在每一顶程开始前必须制定坡度计划,可对设计坡度线加以调整,以方便施工和最终符合设计坡度要求和质量标准为原则。

3.4 压密注浆技术在城市道路下泥水平衡式曲线顶管施工中的运用

顶管施工横穿双向四车道思明区文屏路,交通流量大,如何保证在道路下方土体受到顶管扰动及道路重荷双重作用下的稳定显得尤其重要,否则易引发突发道路大面积沉陷,后果将不堪设想。为保证顶管完毕对沿线扰动地层进行“加固土体”以达密实、稳定该地段地层的作用,实行压密注浆技术来加固土体。其注浆孔的布置为沿顶进管道两侧及管顶每20m布设三个压密注浆孔,压密注浆加固土体断面图如图4所示。

在曲线顶管过程中会在曲线段的外侧存在法向分力的作用,对土体的扰动范围较大,故在曲线顶管外曲侧增加压密注浆孔的数量,注浆压力控制在1.5~3.0MPa。

在曲线顶管外曲侧的10#、13#及15#沉降观测点的累积沉降量分别为5mm、4mm及2mm,采用压密技术加固城市道路下方土体取得了较好的效果。

4 结语

泥水平衡式曲线顶管施工阶段,根据不同地质情况配制泥浆及运用压密注浆技术来控制泥水平衡式曲线顶管施工所引起的沉降;运用曲线测量原理来计算实际曲线与设计曲线误差,为顶管纠偏工作提供了依据;运用泥浆分离设备对泥水平衡式顶管掘进机排出的污浆进行筛分过滤并重复利用,大大降低了对城市环境的影响。施工阶段技术的运用效果良好,可供日后同种工况条件下的泥水平衡式顶管施工借鉴。

参考文献

[1]马保松.非开挖工程学[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]陈勇,陈永光,黄以华.长距离曲线顶管技术在电力管道工程中的应用[J].非开挖技术,2011(2):63～68.

[3]中国非开挖技术协会《.顶管施工技术及验收规范》(试行)[S].北京:人民交通出版社,2006.

[4]葛金科,沈水龙,许烨霜.现代顶管施工技术及工程实例[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

泥水平衡 篇4

海沧大道站一东渡路站区间自海沧大道站起,先沿海沧大道向北敷设,然后以500m曲线半径下穿海沧湾公园后入海,经大兔屿,穿越厦门西港,于国际码头1号泊位上岸,然后以350m曲线半径下穿邮轮城二期地块,到达东渡路站。

线路总体呈“V”字,先下坡至最低点再上坡,下坡的最大坡度为2.8%,上坡最大坡度为2.9%。区间隧道覆土厚度为8.7～65.7m,最高潮位至隧道最低距离约为55m,最大水土压力约为6bar。

区间分为盾构段和矿山段。盾构段采用2台直径为1043mm复合式泥水平衡盾构,由海沧大道站始发,矿山段盾构空拼管片通过。左线盾构区间长2287.953m,矿山段长479.569m;右线盾构区间长2337.816m,矿山段长397.568m。

2 地质概况

海沧大道站一东渡路区间隧道穿越的地层主要有:淤泥、中、粗砂、粉质粘土、残积土、全强风化层(包括(全)强风化花岗岩、(全)强风化辉绿岩、(全)强风化安山岩、(全)强风化变质砂岩)、碎裂状强风化层、中等风化变质砂岩、中等风化变质石英砂岩、微风化变质石英砂岩、中等风化凝灰熔岩。隧道穿越F8、F10风化深槽,F8影响宽度350m,F10影响宽度300m。

3 泥水处理系统整体设计

3.1 泥水处理原理

在盾构掘进时,刀盘切削下来的土体经搅拌在泥水舱混合,形成高比重泥水,该高比重的泥水由P2泵输送至泥水分离系统处理,进入沉淀池,经新浆调整至合格的泥水性能后,由P1泵送入井下循环使用的过程。

泥水的性能指标应根据土层的变化,合理配制新浆,边检测边调整。一般情况下,将预先制备好的新浆,根据需要定时定量加入到调整池中,由泥浆工取样化验,供调整泥水人员配制新浆使用。

3.2 泥水处理系统工艺流程

泥水处理系统工艺流程如图1所示。

3.3 材料选择

根据地质情况,聚合物材料应具有以下特点。

(1)在海底施工的隧道,要求泥浆材料的抗海水污染能力应足够强,且在压力差下具有良好的成膜能力。

(2)泥水在盾构掘进时,具备堵塞浅覆层、砂土层及地层破碎带各种孔隙的能力,能在较短时间内形成薄而致密的泥膜,满足开挖面的稳定。

(3)具备配合固控设备分离的要求,有利于提高固控设备的使用效率,减少废浆排放。

(4)能够在金属表面快速形成致密保护膜,起到保护刀具及管线的作用。

4 泥水调配制方案及材料用量探讨(以左线为例)

4.1 泥水材料概算依据

4.1.1 泥水性能参数设计依据

泥水的性能根据穿越土层性质划分为:自造浆段浅覆层泥水性能指标、泥砂互层段泥水指标、上软下硬、及风化岩层泥水性能。并根据这四个指标分别进行控制。

4.1.2 进浆泥水参数

根据泥浆分离设备与沉淀池的配合使用,在粘土层和粘砂互层推进时,比重会大幅度上升,如果掘进正常设备允许的情况下,也可用较高比重的方法来掘进,如在粘土颗粒较少的土层掘进时,加入部分粘土或膨润土来保持泥浆中有较为丰富的颗粒级配及合适的比重。

(1)盾构机始发要求达到:比重1.08～1.12g/cm3,粘度(S)为18～18.5方可进入浅覆层。

(2)在浅覆层、粘土、粘砂互层,比重在1.20-1.25 g/cm3,粘度(S)在18～19.5。

(3)在上软下硬土层掘进要求,比重在1.10-1.20 g/cm3,粘度(S)在20-22。

(4)在风化岩层掘进比重在1.1～1.25 g/cm3,粘度(S)在18～20。

4.2 堵洞门环

(1)配合比:清水1m3+1包(25kg/包)HS-1+10包(25kg/包)HS-2+1包(25kg/包)HS-3。

(2)使用设备:挤压式砂浆泵1台,罐体1个(4m3),搅拌器1台(2m3)。

(3) 1拌新浆方法:先将搅拌桶中加入清水,加入HS-1、HS-3,充分溶解后,再加入HS-2搅拌均匀。

(4)注浆方法:一种方法是,盾壳进入帘幕橡胶后,将盾壳与帘幕橡胶之间注满。第二种方法是盾壳进入帘幕橡胶后,启动P1泵,要求搅拌器能把材料和水混拌均匀。注入到盾壳与帘幕橡胶之间,先注11点钟,再注1点钟,最后注12点钟位置。

(5)对帘幕橡胶盾壳和盾尾刷的要求:橡胶要坚硬而有弹性,能够和盾壳紧密接触,尽量减少之间的缝隙,为了保证有良好的堵洞门效果,帘幕橡胶应安装在最外部,注入材料的部位应在帘幕橡胶和尾刷之间,并在洞门圈上的11、12、和1点钟部位各焊接有50短节,并配有球阀作为注浆材料的入口。盾壳外表面要光滑防止把橡胶破坏。

(6)连接方法见图2所示。

(7)操作程序如图3所示。

(8)应急预防措施。在工作井下部安装3台排浆泵(扬程大于60m),排除堵漏施工过程中的漏水。

4.3 加固区自造浆

盾构机在加固区内推进,相对比较安全,建议在这个推进区间用清水掘进,利用推进切削下来的胶体颗粒进行自造浆,并且进行小循环掘进(所谓小循环也就是把沉淀池的一部分短路,约占沉淀池总量的1/3或1/4不般不超过500m3),沉淀池的其他部分保持空置状态,随着掘进的土体增多,泥浆的比重和数量都会增加,多出的泥浆通过自溢把沉淀池其他空置的部分流满,再转换成大循环,把整个沉淀池利用起来,这样在配初始泥浆时使用材料的量和工作量较少,如果以后井下出现意外也容易处理。

在利用封堵洞门的时间,建立好泥水体系,以小循环泥浆的总量为500m3计算,HS-1的加入量应占泥水量的1.5%(重量体积比),HS-3占泥水量的0.5%左右,此时比重应在1.08-1.12,漏斗粘度(s) 18～18.5。HS-1用量为7.5t,HS-3用量为2.5t。

4.4 左线DK18+532—DK18+744区间泥浆配制探讨

土层为软土层的4-1淤泥,5-1-2粉质粘土,5-1-3淤泥质粘土,11-1残积砂质粘性土,其性质为自稳能力差,易产生土体流动、开挖面不稳定现象,另外在这个层段覆土层较浅,易发生地面冒浆坍塌等事故。设备属调试阶段,意外停机和拼装环片停机时间长,所以是每个工程事故多发危险层段,控制不好会直接影响以后的正常推进。

在建立好聚合物泥浆体系的基础上,每环加入HS-1为2包,HS-5为1包,HS-2为2包左右就可满足需要。

4.5 左线DK18+744-DK18+809区间泥浆配制探讨

主要上软下硬地层,其土层为:4-1淤泥,5-1-2粉质粘土,5-1-3淤泥质粘土,11-1残积砂质粘性土,17-1全风化花岗岩,利用HS-3其中的微孔堵塞剂来堵塞地层孔隙。其中的大、中分子和粘土颗粒使泥水达到良好的流变性和稳定性,快速形成致密的泥饼,以平衡掌子面。预计每环新浆加入HS-1量为4包,HS-3为1包,HS-5为1包。

4.6 左线DK18+809-DK19+225区间泥浆配制探讨

主要土层为全断面11-1-2强风化变质砂岩,17-1全风化花岗岩,18-1全风化安山岩、19-1全风化辉绿岩,这个层段正常情况下主要是保护刀具和携带岩土,如果在碎裂带出现异常,则用HS-2封堵预计每环新浆加入,HS-1量为1包,HS-3为0.5包。

4.7 左线DK19+225-DK19+300区间泥浆配制探讨

穿越的主要土层为4-4-1中粗砂,14-4-1全风化花岗岩,5-1-2粉质粘土,为上软下硬地层,掌子面不稳定的因素更大,首先利用HS-1,HS-3中的大、中分子和与泥浆中的粘土颗粒结合,使泥水具有良好的流变性和稳定性,能够快速形成致密的泥饼,平衡掌子面并且提高了泥浆的结构力和悬浮力。

预计每环新浆加入,HS-1量为4包,HS-3为1包,HS-5为1包。

4.8 从里程DK19+300-DK20+788区间泥浆配制探讨

主要土层为14-1-1、14-1-3碎裂状强风化变质砂岩,13-3-4中等风化变质石英砂岩,14-2-5砂质泥岩,14-1-2强风化变质砂岩,14-2-2强风化砂质泥岩,14-3-5微风化变质石英砂岩,这个层段正常情况下主要是保护刀具,如果在碎裂带出现异常则用HS-2封堵断层

每环加入HS-1量为1包,HS-3为0.5包。

5 新浆的配制

盾构机始发时,制备新浆100m3。新浆槽内加入清水至槽体半满的状态,加入清水的同时启动搅拌器;起动制浆泵,运行正常后向漏斗中缓慢加入HS,80包(每包25kg),加料完毕后,使液面上升至槽体的4/5高度(液面离槽体上沿约35～40cm);制浆泵运行20～30min后停止。

6 结束语

通过对厦门轨道2号线海沧大道站一东渡路站跨海区间隧道地质情况进行分析,统计出每种地层中的泥浆配制密度和黏度,为国内首条跨海地铁隧道的泥水盾构施工提供有力的技术支持。

参考文献

[1]胡长明,崔耀,王雪艳,等.土压平衡盾构施工穿越砂层渣土改良试验研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2013,45(6).

泥水平衡 篇5

通常直径在3～5m的盾构被称为小型盾构。小型盾构的特点是挖掘灵活，可超长距离施工，施工曲线半径范围大，但施工速度较慢，主要用于长距离的油气输送、给排水、电力通讯、辅助管道等隧道建设，可穿越河流、建筑、铁路等。

1 工程概况与盾构简介

西气东输二线长江盾构工程是国家油气能源战略通道——西气东输二线东段的重点控制性工程。在江西省九江市和湖北省武穴市之间穿越长江，隧道全长为2 590m。本工程中砂层长达1 700m，其中绝大部分为粉细砂层，分布于长江北岸地表以下及河床部位，厚17.00～44.20m。地层渗透性强，而且地下水丰富并与地表水系有直接水力联系。砂层含水量高，具有流变性，在动力作用下易产生流砂涌砂现象，引起土层损失，导致地层变形和地面沉降。

本工程采用德国海瑞克公司生产的M971-AVND3080AH泥水加压平衡复合式小型盾构施工，刀盘外径为3 805mm。盾构由3节主机与5节拖车组成，装机总长度为56m，主机安装总长度11.3m，盾构最大推力为11 661kN，最大扭矩为1540kNm，盾构隧道设计内径3 080mm，管片厚度230mm，管片宽1 200mm。该设备能平衡地下水土压力，在一定深度下能控制地表隆起和沉降，具有激光定向测量功能，掘进速度最高可达100mm/min以上。

泥水加压平衡系统工作示意如图1所示，工作流程如图2所示。

2 砂层地段盾构掘进参数控制

2.1 切口压力控制

由于过江段地质为砂层且与长江水有直接水力联系，容易产生江底塌方或泥水击穿江底等事故，因此控制好泥水压力尤为重要。根据以往工程类似地层的经验，设定切口泥水压力P切=水土压力+附加压力=P0+附加压力，附加压力设定为15～25kPa。

开挖面是一种动态的平衡，因此对切口泥水压力的管理应该是动态的。盾构在江底施工时，无论是掘进阶段还是停止掘进阶段，必须动态设定切口压力并防止切口压力的过大波动，保证土体稳定的同时又不击穿覆土层。

2.2 出渣量控制

盾构施工中，出渣量多少是地层超挖、欠挖判断的重要依据，而超挖、欠挖可直接导致地表沉降或隆起。为控制住地层沉降和隆起，将严格控制掘进时单环出渣总量。单环理论出渣量为13.6m3，松散系数取1.1～1.2，每环出渣约为15～16m3。盾构在砂层掘进的出渣量主要与泥浆在挖掘舱循环时间的长短以及刀盘与砂层接触的紧密程度有关，通过初期掘进砂层的经验发现，调节掘进速度将单环掘进时间控制在20min以内，刀盘油压在70bar以上，贯入度控制在40～50mm/rot，可以有效控制出渣量。从图3可以看出，在参数合理设置的情况下，单环出渣量基本控制在14～16m3，符合出渣量控制要求。

2.3 同步注浆控制

同步注浆主要是对同步注浆材料、注浆压力以及注浆量进行控制。

对砂层地段，有效地填充管片外壁空间，才可以消除管片周边地层塌落，因此，增大浆液的稠度，提高浆液的填充性能，确保浆液不发生过量流失，有效填充管片外壁空间，注浆材料应满足以下要求：凝结时间在5～8h，浆液稠度在70～110mm;浆液稳定性好，倾析率(静置沉淀后上浮水体积与总体积之比)小于3%。同步注浆材料配比：水∶水泥∶膨润土∶粉煤灰∶砂子=1∶0.5∶0.1∶0.06∶0.3。

注浆压力的控制除考虑注浆处的水土压力，还要考虑开挖面来水的水压以及地层自身的稳固能力，故注浆压力是在注浆处水土压力基础上提高0.1～0.2MPa，另外，后期注入压力要比先期注入压力大0.05～0.1MPa，同时要求浆液不进入挖掘舱和压坏管片，并且不因注浆压力过大造成江底地表隆起。

注浆量的控制主要根据盾构开挖后洞体与管片之间的理论空隙确定，单环管片的空隙理论值为1.8m3，考虑浆液失水固结、盾构推进时壳体带土使开挖断面大于盾构外径、部分浆液劈裂到周围地层，同步注浆量采用理论值的135%～215%进行注浆，即为2.4～3.9m3,本工程实际注浆量为3m3。

2.4 泥浆的控制

在透水砂层中掘进，优质的泥膜是开挖面稳定的重要因素之一，高质量泥膜可以防止挖掘舱内泥浆流失，维持开挖面泥水压力的稳定，从而保持开挖面稳定。而泥膜的形成质量与泥浆质量有很大关系，因此在掘进过程中应调配高质量的泥浆，以确保形成优质泥膜。

过江段隧道地层以砂层为主，砂层渗透性强，因此应加大泥浆密度，以利于泥膜的迅速形成，又应考虑泥浆的携渣能力和排浆泵的输送能力，在砂层中掘进时，泥浆密度控制在1.15～1.25g/cm3之间。泥水必须具有适当的黏性，以收到以下效果：(1)防止泥水中的粘土、砂粒在挖掘舱、泥水舱及泥浆管路沉积，保持开挖面稳定;(2)提高黏性，增大携带渣土能力。在不同的地层中推进时，要求泥水具有相适应的粘度，以满足施工要求。在过江段砂层中掘进时泥浆马氏漏斗粘度应控制在29～32s。

2.5 盾构姿态控制

盾构推进过程应保持盾构有良好的姿态，避免蛇行。由于盾构施工中姿态控制措施的实现具有一定的滞后效应,也就是说,盾构推进操作方式的变化与其自身发生线路变化之间存在一个时间上、距离上的滞后,这一现象我们称为盾构滞后效应。由于这一滞后效应，对盾构的姿态应超前调整，且调整宜缓不宜急，每环姿态变化控制在±5mm以内，导向油缸上下两组或左右两组行程差值改变每环控制在2mm以内，导向油缸压力差值宜保持统一、恒定性，不宜出现过大的波动。为避免盾构出现“磕头”现象，推进油缸千斤顶B区、C区两组压力应大于A区、D区两组压力1～2MPa，导向油缸与推进油缸布置分别如图4与图5所示。

2.6 盾尾油脂压力与注入量控制

盾尾密封由4道盾尾密封刷3个充满油脂的密封腔组成。在盾构掘进时保证注脂压力大于30bar，并根据盾尾密封情况随时对漏浆窜浆的部位进行手动加强油脂注入。盾尾密封效果与切口泥水压力和江面潮水的升降有一定关系，当外界压力增大时，可能导致密封局部出现漏浆漏水等不良后果，因此每次切口水压调节时，应加强盾尾的观察，一旦出现泄漏立即采取措施，加强油脂注入。油脂注入量约为2.5kg/m2，每环注入油脂约为35kg。

盾尾密封还与盾构姿态有一定关系，盾构掘进尽量保持四周盾尾间隙均匀，减少管片对盾尾刷的挤压。在掘进过程中应随时把残留在盾尾的渣土和异物清理干净，防止渣土和异物进入盾尾舱，损坏盾尾密封。

3 盾构通过砂层前、后采取的措施

3.1 到达砂层前的准备工作

在盾构到达砂层前应选择一开挖面自稳性较好的地段对盾构进行全面检修，减少在砂层地段停机检修的风险：(1)全面检测刀具，对磨损超标的刀具进行更换;(2)对破损较大的盾尾密封刷进行更换;(3)对堵塞的注浆管进行疏通处理;(4)对泥水舱的压力传感器与阀门等进行检查维修。

3.2 二次注浆

砂层地段每推进4环后补注双液浆一次。同步注浆后使环形空隙得到填充，地层变形沉降得到控制，在浆液凝固，强度得到提高，但可能存在局部不够均匀,为提高背衬注浆层的防水性及密实度，必要时再补充以二次注浆，使注浆体充填均匀，形成稳定的防水层，达到加强隧道衬砌的目的。

3.3 管片螺栓复紧3次

为防止因管片的变形引起地层的过度扰动，对管片螺栓拧紧要求3次复紧。即拼装管片时一次拧紧，推出盾尾后二次拧紧，后续盾构掘进至每环管片拼装前，对相邻已成环的3环范围内管片螺栓进行全面检查并复紧。

4 结束语

通过精心组织和科学管理以及技术人员的努力,长江盾构项目成功地掌握了泥水加压平衡盾构在富水砂层掘进的施工技术。由于准备充分、措施到位，盾构已在砂层顺利掘进1 300m，日平均进尺达8.6m，最高日进尺19.2m，并创造了最高月进尺430m的国内小型泥水加压平衡盾构施工纪录，进一步丰富了国内泥水加压平衡盾构的施工技术。

参考文献

[1]谢小兵,钟长平.特殊地段盾构掘进的沉降控制技术[J].建筑机械化,2006,(08):45-47.

[2]张凤祥,傅德明等.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]周忠陆,钟志全.浅覆土透水砂层泥水盾构越江技术[J].建筑机械化,2009,(01):63-65.

泥水平衡 篇6

顶管施工是一种广泛应用于穿越公路、铁路、河流、闹市区等不允许或不具备开挖施工条件下进行各种管道铺设、更换及修复的施工工艺, 由于顶管施工技术具有综合成本低、施工周期短、环境影响小、不影响交通、施工安全性好等优点, 在市政给排水、通信电缆、燃气管道、电力电缆等地下管线中广泛的应用。

泥水平衡式顶管施工工艺是顶管施工最常用的一种, 它具有顶进速度快、施工精度高、安全、快速、高效、单向顶进距离长等优点, 最突出的一项优点是适应土质范围广, 如高地下水软弱地层, 淤泥质土、粘土层、粉土层、中粗砂层都适用, 甚至有部分块石或卵石的土体也可以施工。但是, 在不同地质条件下施工, 需根据实际情况采取不同的机型及顶进参数对应施工。

2 施工工艺及机具的选取

2.1 泥水平衡顶管施工工艺的选取

由我单位实施的尚航路污水管线主管设计长度1867m, 管径d2400mm, Ⅲ级钢筋混凝土钢承口管, 埋设深度14.8~16.1m。位于道路中心线东侧20.5m处, 距征地红线9.5m。根据地勘资料显示, 自地表分别至管底依次为素填土、粉质粘土、细砂、细中砂、中粗砂, 均为一、二类土, 稳定性较差, 如采用自然放坡开槽施工, 沟槽上口宽度超过40m, 远远超出征地红线, 无法采用。根据工程的实际情况, 污水管线施工采取采用泥水平衡机械顶管施工。可连续顶进, 施工速度快, 通过管道排出土方, 安全性好, 但在含卵石较多的砂层可能会出现泥浆向外土层渗透造成无法循环而作业受阻, 对周围土体扰动较大, 可能在管顶出现空洞或者塌方。

2.2 顶管机具的选取

根据适应地质的不同泥水平衡顶进机械分为多种, 主要体现在刀盘的不同和是否有破碎功能上。主要分为如下几类:

(1) 适应于软土土质, 如MPE型。

(2) 具有破碎功能但不适用于固结性泥土的, 如TCC型。

(3) 适用于各种地质的, 如MTS的、NPD型泥水平衡顶管机。

本工程地质大部分处于含有圆砾的中粗砂层, 且可能穿越具压缩性的粉质粘土, 故选用类型 (3) 更为适应本工程。鉴于本工程需要多工作面同时顶进, 从成本方面考虑, 本工程采用了国产的NPD型泥水平衡顶管机。

2.3 泥浆的配制

根据现场管线处于含圆砾的中粗砂层的实际情况, 泥浆的配制按照表1选取相对密度1.2进行配制, 采用200#粘土与250#膨润土按照3∶1质量比加入清水搅拌配制而成。

2.4 顶力计算

推力的理论计算: (以外径Φ2880mm计算)

现场采用6台300t (3000KN) 顶镐作业, 每台顶镐控制在250t以内, 不采用中继间, 直接进行顶进作业, 采用触变泥浆减阻可以满足总顶力要求。

3 顶管作业中出现的问题

3.1 排泥管路容易堵塞

泥水平衡式顶管的出土采用全自动的泥水输送方式, 被挖掘的土通过在机舱内的搅拌和泥水形成泥浆, 然后由泥浆泵抽出, 高速排土沉井。但在顶管作业过程中, 排泥管路经常出现堵塞现象。有时在顶管机内被堵住, 有时在管道出井的弯头处。施工时常出现中断, 作业进度受到较大影响。

经过对排泥管的多次拆卸后发现, 堵塞物主要为小圆砾或者被刀盘磨切不充分的碎圆砾石卡在管道中, 致使砂砾石在管道中沉积, 越积越多, 最终完全堵塞, 尤其是在沉井上口处的弯头处堵塞尤其厉害。

3.2 顶力偏大

管道在顶进过程中顶力偏大, 在顶进超过100m后, 6台顶镐顶力无法满足作业要求。为了满足管道顶进所需顶力, 在工作井内不断增加顶镐数量, 最多时采用10台顶镐作业, 顶力达到2000t以上。并出现油泵压力过大而造成的液压油管爆裂现象。顶镐给靠背的后坐力太大, 致使30cm厚的C30钢筋混凝土靠背出现开裂。

3.3 管顶土体出现坍塌

在管道顶进过程中, 根据施工要求需要进行地表的检测, 检测数据显示, 地表部分段落出现较大下沉, 甚至有部分地段管线上方地面出现塌陷现象。

4 原因分析及解决方案

4.1 排泥管堵塞解决方案

4.1.1 堵塞原因分析

泥水平衡顶管泥浆除用来保持挖掘面稳定以外, 还要用泥浆来输送弃土, 所以, 泥水自身的比重、粘度、稳定性及脱水性等这些特性都应当与挖掘面上的土质以及泥浆输送的特性相吻合。

本工程实际施工中出现堵管, 堵管物为砂砾石, 由此可见是由泥浆的相对密度、粘稠度偏低无法携带大量砂砾排出造成的。

弯头处堵塞严重是由于弯头半径过小而造成砂砾石堆积而堵塞。

4.1.2 解决方案

首先, 加大泥浆的相对密度、粘稠度, 调整相对密度至表1中的粗砂及砂砾的高值, 即相对密度1.225, 同时在泥浆原料中加入增稠剂, 使粘稠度增加至35-40s。同时根据施工的情况调整粘稠度, 直至不堵管为止。

其次, 再将堵塞最严重的弯头更换为大半径的弯管。

4.2 顶力偏大原因及解决方案

4.2.1 原因分析

顶力偏大主要是由顶进阻力所致, 即管道外壁与周围土层的摩擦力过大引起。根据相关文献, 泥浆的粘度高, 物理稳定性好, 泥膜容易形成, 且形成的泥膜致密、滤水量小。泥膜的形成越好, 对管道的润滑作用越大, 摩擦力就越小。故引起摩擦力过大的原因分析主要有:

(1) 管道周围注入的触变泥浆流失严重, 没有充分形成泥膜。

(2) 管道周围注入的泥浆量偏小, 没能充分形成泥膜。

(3) 管道周壁不够光滑。

4.2.2 解决方案

针对分析得出的原因多措并举致力于减小管道所受摩擦力:

(1) 调节融变泥浆比重, 增加粘稠度, 触变泥浆配制仅采用膨润土加增稠剂与水搅拌而成, 相对密度取高值1.225, 粘稠度40s。

(2) 增加泥浆注入量。有研究表明, 管道顶入1节之后开始注浆, 随顶随注浆。开始压力不大于0.1Mpa, 随后逐渐加压, 控制在0.2~0.3Mpa为宜, 不超过0.4Mpa。

(3) 给管道外表面涂腊, 减小其与周围土层之间的摩擦系数, 从而降低摩擦力。

4.3 管顶土体出现坍塌原因分析及解决方案

4.3.1 原因分析

泥水平衡顶管作业中挖掘面稳定是靠泥浆压力平衡开挖面处的土水压力, 在透水性较强且富含地下水的底层, 泥浆压力必须分别平衡开挖面处的水压力和土压力才能保证开挖面的稳定。泥浆压力以类似水压的形式存在, 只要泥浆压力大于地下水压力, 水压力即可得到平衡;但土压力的平衡则比较困难, 要求必须在开挖面上形成不透水或微透水的泥膜, 将部分泥浆的压力转化为有效应力才能实现平衡。如不能达到平衡, 开挖面土体将失去稳定, 会出现开挖面土体涌入顶管机, 尤其是自稳能力非常差的中粗砂及砂砾土层。

4.3.2 解决方案

首先, 加大泥浆的相对密度、粘稠度, 调整相对密度至表1中的粗砂及砂砾的高值, 即相对密度1.225, 并在泥浆原料中加入增稠剂, 使粘稠度增加至35-40s, 同时根据施工的情况调整粘稠度。

其次, 及时调整泥浆压力, 根据管道的埋深以及地下水位的变化, 调整泥浆压力, 始终保持泥浆压力比工作面水土压力 (理论计算值) 高出20KPa, 并根据实际效果及时修正参数。

5 解决方案效果评价

通过更改方案, 在接下来的施工中得到了明显改善:

(1) 排泥管堵管问题得到解决, 很少出现堵管现象, 在为数很少的几次堵管之后通过再次修正参数便可顺利进行施工, 直至顶管施工完成。

(2) 顶进作业中顶力明显降低, 虽有时会与理论顶力出现偏差, 但均能保证偏差在20%以内, 应为地质变化或因操作不规范引起。

(3) 地表土体塌陷现象未再在顶管作业中出现, 为验证管线上方土体中是否隐藏未反映至地面的塌方空洞, 在顶管完成后对全部顶管进行了地质雷达扫描扫面结果如图1、图2

从地质雷达扫描反射图可以清晰反映出管道上方的底层密实情况, 图1中在7-11m范围内存在大量的不密实或小型空洞, 图2中管道上方地层密实无异常。由此可见, 方案调整后, 顶管作业效果良好, 未出现开挖面失稳现象。

6 结论

泥水平衡顶管施工工艺应用于含砂砾石的砂质地层时保证顶进质量的关键因素主要有:

(1) 根据实际地层调整好泥浆的参数, 促使泥膜的形成, 保证了管道上方土层的稳定, 有效降低路基塌陷的风险。

(2) 泥浆参数的合理调整也保证了弃土的顺利外运, 促进了顶管作业的正常进行。

(3) 触变泥浆等润滑膜的合理利用, 保证了顶管作业的正常进行, 既减少资源的投入又能保证施工的进度。

摘要：本文以陕西省西咸新区尚航路污水管道采用泥水平衡顶管工艺顶进施工为背景, 阐述了顶管机具的选择以及施工工艺具体实施方案的制定与修正的全过程。并通过最终的实施效果说明了泥水平衡在砂质地层中施工的重点。

关键词：砂质地层,泥水平衡顶管,破碎,泥浆,泥膜

参考文献

泥水平衡 篇7

成都地铁1号线一期工程盾构隧道长18.5Km, 分为4个标段, 其中盾构4标总长4900.43单线延米。区间隧道下穿火车南站民房、股道群、机场高速立交桥、二环路人南立交桥等建筑物, 地下管线密集。隧道主要穿越〈3-7〉卵石土层, 部分地段穿越〈4-4〉卵石土层, 卵石含量高达55%～80%, 卵石成分主要为中等风化的岩浆岩与变质岩, 单轴抗压强度65.5～184MPa, 最大值为206MPa。卵石粒径以30～70mm为主, 局部80～120mm, 地层中粒径大于200mm的漂石含量占0～22.3% (重量比) , 全线已发现最大漂石粒径达670mm, 大粒径卵石含量较高且局部富集成群。

地下孔隙水主要赋存于砂卵石土层中, 含水层总厚度18.2～23.8m, 为强透水层, 渗透系数12.53～27.4m/d, 枯水期地下水位埋深3～5m, 丰水期2～4m。

为了研究盾构法施工在富水砂卵石地层中的适应性问题, 成都地铁1号线一期工程4个盾构合同段分别采用1台泥水平衡盾构和7台土压平衡盾构施工。不同类型盾构的使用, 为后续地铁工程的施工积累了丰富的经验。

1 盾构适应性分析

1.1 泥水平衡盾构的适应性分析

泥水平衡盾构采用面板式刀盘, 控制进入泥水仓的卵石粒径, 对开挖面起到一定的支撑作用, 具备良好的稳定地层能力;提高了刀盘、刀具的耐磨损性能, 具备长距离掘进的能力, 盾构机具备带压进仓功能, 满足检查更换刀具的要求;具备处理大卵石和漂石的能力, 配备双刃盘形滚刀作为破岩的主要刀具, 同时可与撕裂刀、羊角刀等互换。安装了双颚板式碎石机, 可对进入仓内的卵石进行二次破碎, 防止泥水输送管路堵塞。

在砂卵石地层中, 由于卵石是移动的, 无法为刀具破岩提供足够的反力, 卵石从剥离开挖面到破碎费时较多, 加剧了刀具的磨损, 进而造成刀盘和刀座的磨损。在施工过程中多次进行了刀座的修复工作。

由于碎石机在砂卵石地层中的使用强度远远超过其它地层, 施工中碎石机的润滑系统、密封系统以及钢结构等多次受到不同程度的损坏。

1.2 土压平衡盾构适应性

土压平衡盾构不受出渣限制, 掘进速度快, 维护方便, 使用成本较低。从成都地铁1号线一期工程使用效果看, 主要存在以下问题:

1) 刀盘刀盘均为面板式结构, 开口率在25%～28%。由于刀盘采用中心支撑方式, 刀盘中心部位无开口, 在泥岩中掘进时易形成泥饼, 造成中心刀具磨损严重。刀盘开口率相对较小, 不利于卵石顺利进仓, 造成卵石的多次破碎, 增大了对刀盘面板的磨损, 另外刀盘轮缘磨损比较严重。

2) 刀具主要采用单刃滚刀破岩, 由于卵石随着刀盘的转动而移动, 卵石破碎比较困难, 增加了刀具的磨损和异常损坏。

3) 螺旋输送机螺旋输送机采用双螺旋设计, 可以有效避免富水地层掘进时的喷涌现象。由于隧道埋身浅, 水压较低, 大多数标段只保留了1号螺旋机, 未再安装2号螺旋机。另外1号螺旋机仅前端1/3段焊接了耐磨块, 造成螺旋叶片磨损严重, 施工中多次进行了螺旋机叶片的修复工作。

2 土压平衡盾构施工技术

2.1 始发段掘进

车站围护结构采用直径1500mm的玻璃纤维筋人工挖孔桩, 盾构始发时不凿除围护桩, 可以避免围护结构凿除时引起的端头土体失稳。

1) 刀盘转速:刀盘转速控制在1.0rpm, 并尽可能选择低速。

2) 推力:始发段掘进时总推力不宜大于1200t, 推进速度不宜大于25mm/min。

3) 土仓压力:盾构破桩掘进时采用敞开式模式, 进入原状土层后采用土压平衡模式掘进, 土压力0.6～1.0bar

2.2 正常段掘进

1) 土仓压力:控制3号压力传感器压力1.2～1.3bar, 并实时调整, 在停机时适当提高土仓压力, 避免地面发生较大的沉降。

2) 刀盘转速及贯入度:刀盘转速在1.0～1.1r/min, 刀具贯入度在50～60mm, 掘进速度保持在50～70mm/min左右。在大粒径砂砾石地层中尽可能采用小转速掘进, 可以较好地保护刀具。

3) 油缸推力及行程:相向两组油缸推力值差一般在50bar以内, 四组油缸行程差一般不大于40mm, 总推力在1200～1500t左右。

4) 掘进姿态:直线段水平姿态控制在0±5mm以内, 曲线段水平姿态控制在0±10mm以内, 掘进时每环姿态调整量控制在10mm以内。

2.3 贯通前50m掘进

盾构距车站围护桩约50m时, 根据盾构姿态测量和洞门复测结果, 制定盾构姿态调整方案。土压0.6±0.1bar, 速度40mm/min以内, 推力1200t以内, 刀盘转速1.0r/min。

距离贯通面10m时遵循“小推力, 低转速, 少出土”的原则逐步降低土仓压力, 盾构推进保持匀速、平稳, 速度控制在20mm/min以内, 土压0.4±0.1bar, 推力1000t以内, 刀盘转速0.8r/min。

2.4 车站围护桩段掘进

洞门围护结构采用4根桩径为1500mm的玻璃纤维筋人工挖孔桩, 盾构破桩时遵循“小推力、低转速, 减小扰动”的原则, 确保不对车站端墙造成破坏。掘进模式从土压平衡逐步向敞开式过渡, 破桩速度控制在10mm/min以内, 推力不大于800t。

2.5 注浆

2.5.1 洞门圈处注浆

安装完+2环管片后, 盾尾已完全进入隧道内, 停止掘进对洞门圈注浆。洞门圈处总注浆量约10m3, 注浆压力不超过0.3MPa。

2.5.2 同步注浆

1) 注浆压力上部压力稳定在0.1～0.12MPa, 下部压力在0.18～0.2MPa。

2) 注浆量根据《地下铁道工程施工及验收规范》 (GB50299-1999) , 注浆量应控制在130%～180%。根据砂卵石地层的特点, 同步注浆量确定为理论间隙的150%～200%, 即为6.07～8.09m3/环。

3) 补充注浆在局部地段, 同步注浆浆液凝固过程中可能存在局部不均匀、浆液凝固收缩或稀释流失, 造成注浆不密实, 根据检测结果, 必要时进行二次补强补充注浆。

补充注浆以水泥、水玻璃等材料为主, 注浆压力不超过0.3MPa, 注浆时以压力控制为主。

2.6 渣土改良及出渣量控制

1) 渣土改良渣土改良对减少刀具磨耗、提高出渣效率具有关键性的作用。施工中不断摸索总结, 采用泡沫剂、泥浆、水相结合的渣土改良工艺, 每环泡沫剂用量一般在30～45L左右, 泥浆加入量每环一般6m3。当渣土较干或渣土中夹有泥岩时可通过膨润土罐或盾构前体上安装的水管向土仓内加入适量的水。

2) 出渣量控制出渣量采用体积和重量双重控制, 每环约为55～58m3, 重量110～117t。超出上述基准后必须及时分析原因采取相应处理措施。

2.7 换刀工艺

经过多种方法对比实验, 摸索出砂卵石地层带压作业方法, 确保进仓作业安全。换刀前需采取降水措施保持换刀工作面的稳定。由于成都地铁砂卵石地层透气性较好, 采用气压法换刀关键是保持泥水仓或土仓内压力的稳定, 即减少气体的逃逸。停机换刀前, 往土仓内注入优质膨润土泥浆, 转动刀盘, 在气压下浆液会逐步渗透到砂卵石层的孔隙中, 进而形成泥膜, 一般土仓内压力保持在0.08～0.1MPa, 可以满足换刀的需要。

3 掘进效果对比

泥水盾构自2007年1月21日始发, 2009年2月3日贯通, 累计掘进1883m, 单月最高掘进196.5m, 月平均进尺仅80m, 施工面临着很大的困难。

土压平衡盾构2007年9月8日始发, 经历桐梓林站、倪家桥站两次过站, 提前半年实现了左线隧道贯通, 于2008年9月3日到达省体育馆站, 这是成都地铁1号线首条贯通的盾构隧道。土压盾构累计掘进2327m, 最高日掘进24m、周掘进118.5m、月掘进357m, 平均月进度237m, 大大高于150m/月的设计要求。

从地表沉降监测数据分析, 泥水盾构地表沉降控制效果比土压盾构好, 在通过重要建 (构) 筑物时安全可靠性较高。

经济指标比较:泥水盾构功率高于土压盾构, 还需配置专门的泥水处理设备, 要求有足够大的场地面积, 施工投入大。本项目泥水盾构每米掘进成本比土压盾构约高38%。

4 设备性能对比

1) 刀盘设计两台盾构均采用面板式刀盘, 对开挖面起到良好的支撑作用, 开口率在28%～30%。刀盘总体使用效果较好, 耐磨性需要进一步提高。

2) 刀具选型及磨耗泥水盾构配置6把双刃中心滚刀、13把双刃正滚刀、64把小齿刀、16把刮刀, 土压盾构配置4把双刃中心滚刀、32把单刃滚刀、28把宽齿刀、8把刮刀。泥水盾构利用泥浆携渣、护壁, 更有利于保护刀具, 但实际上泥水盾构刀具消耗远大于土压盾构, 主要原因是排渣效率低, 卵石不能顺利进入泥水仓, 在刀盘前方反复破碎, 增加了刀具的磨损破坏。

3) 刀盘驱动扭矩泥水盾构刀盘驱动扭矩3050kNm, 脱困扭矩3500kNm。由于砂卵石地层渗透性强, 泥浆极易冒出地面, 开挖面坍塌的卵石堵满泥水仓, 由于刀盘脱困扭矩明显不足, 刀盘被卡难以转动, 只能加固地层后人工清仓, 影响了掘进效率的发挥。土压平衡盾构刀盘扭矩6000kNm, 脱困扭矩达到7150kNm, 施工中未发生刀盘被卡现象。

4) 排渣效率从统计数据看, 泥水盾构每循环纯掘进时间只有40～60min, 由于砂卵石地层排渣效率低, 每环出渣时间一般耗时2.5～3.5h, 甚至达到5～7h。施工中不断调整泥浆配比, 并增加了排渣泵, 但是效果一直不甚理想。土压盾构采用螺旋机出渣, 最大出土量达285m3/h, 每环掘进时间40～60min, 掘进效率较高。

5 对今后施工的建议

5.1 盾构选型建议

经过实践对比, 土压平衡盾构较适应富水砂卵石地层的施工, 盾构选型建议如下:

1) 卵石以排为主, 破碎为辅。刀盘采用中间支撑方式, 辐条加小面板式结构, 刀盘开口率35%左右, 同时加大刀盘中心部位的开口率。

采用直径900mm轴式螺旋输送机, 节距630mm, 螺旋带高度340mm, 可以直接排放大部分的卵石。预留二级螺旋机接口, 分段设置检查窗口, 以便及时检查修复磨损的螺旋机叶片。

2) 卵石不破碎, 直接排放。采用辐条式刀盘, 开口率65%左右, 带式螺旋机排渣。日本在这方面成功经验较多, 但成都地铁地下水位较高, 带式螺旋机不易形成土塞效应, 实际效果还有待于验证。

3) 刀盘、螺旋机的耐磨性能必须在一号线的基础上大幅提高。

5.2 掌握详尽的地质勘察资料

建设单位应提供尽可能详尽的地质勘察资料, 尤其古河道、不良地质等, 施工单位应根据详勘资料制定地质补勘计划。

施工前对盾构掘进影响范围内的建 (构) 筑物、地下管线现状进行调查, 以便制定相应的保护措施。

密切关注车站施工进展, 了解车站端头水文地质条件, 降水时带泥带砂情况。

5.3 监控量测