土压平衡盾构在砂层中掘进的渣土改良技术

渣土改良技术是土压平衡盾构在砂层中掘进的关键。结合南昌、郑州和西安地铁区间隧道盾构施工实例,对土压平衡盾构砂性地层改良技术的应用进行系统的调查研究,采用膨润土泥浆、泡沫剂、聚合物等添加剂对不同的砂性地层进行渣土改良,分析膨润土泥浆、泡沫剂、泥浆与泡沫剂相结合、泥浆与聚合物相结合等对砂性地层改良的作用机制和特点,总结盾构在不同砂性地层中掘进采取的渣土改良技术措施,指出渣土改良技术目前的使用及研究现状,以期为今后类似工程提供参考和借鉴。     

富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验研究

富水砂层由于其高渗透性、高含水率及高摩擦角等特性,在盾构开挖时常面临喷涌、刀具磨损严重及掌子面压力不均等难题。依托南昌地铁4号线七里站至民园路西站高渗透富水砂层区间隧道工程,为确定最优膨润土泥浆改良参数,通过室内试验测试膨润土泥浆性能及渣土改良,确定合理膨润土泥浆黏度和盾构膨润土泥浆性能参数及高承压水砂层改良方案。研究结果表明：采用膨润土泥浆配比为1∶8,对应黏度约为22 mPa·s,改良效果较好;砂土中含水量可促进膨润土泥浆改善渣土流动性;对上述膨润土泥浆配比,当膨润土泥浆注入率为10%、聚合物注入比为1%时,改良后的渣土具有很好的流塑性和较低的渗透性。现场渣土改良结果也表明,采用上述渣土改良方案,可以有效降低刀盘扭矩和盾构机总推力、提高盾构掘进速度。     

提高土压平衡盾构掘进效率研究

为了在确保工程质量及施工安全的同时,进一步提高盾构掘进施工效率,获取更大的经济效益,根据土压平衡盾构施工特点,从盾构掘进的施工工序进行综合研究,以石家庄地铁1号线一期工程和平医院站-烈士陵园站区间施工为例,确定了影响盾构掘进效率的主要因素,并对掘进影响因素进行分析总结。得出了： 1)盾构掘进时间、管片拼装时间工序较为单一,主要和地质情况和作业人员熟练程度有关; 2)管片吊运下井时间、渣土吊运出井时间、其他外部原因对现场施工的影响等会受施工场地布置影响,在盾构施工前应进行合理的施工场地布置; 3)对盾构、后配套设备维修保养及易损件更换时间、盾构施工测量及移站影响时间的优化,能进一步提升施工效率。     

富水砂层土压平衡盾构小半径曲线始发掘进参数控制研究

盾构始发是盾构施工的关键环节,也是盾构施工时的高风险环节。为给南昌地区富水砂层条件下盾构曲线始发施工提供掘进参数设置样本,以南昌市轨道交通3号线绳金塔站—六眼井站盾构始发工程为背景,对富水砂层盾构小半径曲线始发段主要掘进参数进行统计分析,确定相关参数的优势区间,并基于盾体姿态控制参数和地表沉降进行掘进参数控制效果评价。结果表明： 1）盾构水平方向2组油缸推力在曲线段和直线段变化差异明显,线路平曲线半径越小,差值越大,在左右线曲线段和直线段水平方向2组油缸推力分别相差872%和758%; 2）线路平曲线半径越小,所需的总推力和刀盘转矩越大,而掘进速度略有降低,左右线总推力均值为1 3976 t和1 6717 t,刀盘转矩均值为3 1011kN·m和3 7239 kN·m,掘进速度均值为388 mm/min和351 mm/min; 3）由于始发段掘进断面地层相对均一,土舱压力基本随隧道埋深呈线性增加,而由于右线曲线半径更小,因此右线土舱压力离散程度相对较高; 4）左右线盾尾注浆量差异不大,优势区间均为3~6 m3,均值约为4 m3; 5）左右线曲线始发段水平方向盾体姿态超限率分别为2%和4%,地表累积沉降最大值仅为625mm,表明本工程小半径曲线始发段掘进参数控制效果较好,掘进参数对地层条件和线路线型具有良好的适应性。     

土压平衡盾构掘进施工中泡沫改良工艺的研究

为适应土压平衡盾构在复合地层中施工,需将盾构开挖地层中的土体改良成具有良好的塑性流动性、较低的渗透性,以及较小的内摩擦角,通常采取在开挖面及土仓内注入土体改良剂。现对土压平衡盾构掘进施工中的泡沫改良工艺进行叙述,对泡沫改良机理、泡沫使用参数、盾构机改良系统等方面进行了研究。     

土压平衡盾构螺旋输送机排土及保压作用分析

螺旋输送机的排土和保压作用的发挥对土压平衡盾构的施工安全与效率有重要影响,对其作用机制及影响其作用发挥的因素进行系统的理论分析,并参考工程实测数据,得出以下结论:1)盾构施工中的土压平衡包括土仓内外与螺旋输送机内的压力平衡和进、出土量的平衡,其通过螺旋输送机排土量的控制来实现;2)渣土进入螺旋输送机后,依靠自身重力及与螺杆、叶片和筒壁界面间的摩擦作用来抵抗土仓内的水土压力,保持出渣过程的稳定性;3)渣土性质对螺旋输送机的排土和保压效果有较大影响,主要通过向刀盘前方和土仓内添加改良材料的方法对渣土状态进行调整;4)从螺旋输送机结构分析,可通过减小螺距、采用间断式螺杆或双螺旋输送机3个方面进行改造,以增加保压效果。     

砂性地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

土压平衡盾构在砂性地层中施工时,土舱内的土体很难形成塑性流动状态,土舱压力平衡难以建立,易导致开挖面失稳崩塌、排土不顺畅、地表变形过大等影响盾构推进的问题。为确保盾构顺利推进,找出适应于该地层的改良剂及改良参数,对砂性地层土体改良进行研究。针对砂性地层采用添加泡沫剂和膨润土等方法进行改良,分析泡沫半衰期及发泡倍率随泡沫浓度变化的规律,膨润土泥浆黏度及相对密度随泥浆浓度变化规律,找出泡沫剂最优发泡浓度及膨润土最佳浓度,通过坍落度试验确定改良剂注入比,通过现场掘进试验分析改良效果,研究出适用于砂性地层的渣土改良方案。     

大直径土压平衡盾构在复杂地层中的掘进技术探析

针对长沙某盾构项目始发段复杂地层掘进困难的问题,分析其原因,判断由于地层复杂,渣土改良效果不佳、盾构埋深较浅等原因导致刀盘结泥饼、地表沉降、地表冒浆等现象。通过试验不同添加剂、开舱清理刀盘、增加冷却塔等措施进行处理,总结分析问题的原因,并对以后类似施工问题提供合理的解决办法和经验。     

广州地铁复杂地质条件下的土压平衡盾构掘进技术研究

 广州地铁由于地质条件复杂，在施工中遇到了众多难题，如穿越溶洞、穿越高强度花岗岩、穿越珠江等，在施工过程中积累了大量的盾构施工经验。对广州地铁的地质条件进行分析，对复杂地质条件下的土压平衡盾构掘进技术进行了研究和总结。     

富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究

针对成都地铁富水砂卵石地层中盾构施工渣土改良进行了室内试验研究,初步得出适合于该地层渣土改良剂的种类和配比,并通过现场应用确定砂卵石地层盾构施工渣土改良的合理配比,为其他类似地层盾构施工渣土改良提供一种参考。     

复合地层土压平衡盾构掘进参数模拟分析研究

复合地层特别是软硬交互地层的盾构掘进参数模拟与预测理论及方法研究,目前还处于薄弱阶段。基于Terzaghi松动土压力模型与CSM(科罗拉多矿业学院)模型,对广州地铁3号线大石—汉溪区间不同风化程度混合岩地层的土压平衡盾构掘进表现分别进行模拟分析,结果基本符合实际的掘进表现,但在贯入度大于20 mm/r的硬岩掘进情况下推力及扭矩模拟值与实际值存在较大正负差异。针对这种正负差异情况,分析可能产生的原因。通过对软硬交互复合地层的盾构受力分析,模拟计算在软硬地层各占50%情况下的推力与扭矩值,结果表明,总推力和扭矩的模拟值均在实际值范围内,验证了采用的综合考虑软土和硬岩模拟分析结果的复合地层掘进参数模拟分析方法的有效性。     

富水圆砾地层盾构渣土改良技术研究

为解决土压平衡盾构在富水圆砾地层中渣土不易改良及易喷涌问题,采用昆明地铁4 号线圆砾土作为试验材料,以膨润土泥 浆、羧甲基纤维素(CMC)与聚丙烯酰胺溶液(PAM)作为主要改良材料,泡沫作为辅助改良材料开展室内改良渣土坍落度和常水头渗透性试验。试验结果表明: 1)在塑流性方面,仅用泥浆或泥浆与CMC 混合改良时,圆砾土流动性过大; PAM 加入到泥浆改良渣土中时,能够提高渣土的塑流性; 泡沫的掺入对泥浆和PAM 共同改良渣土的塑流性无影响。2)在渗透性方面,CMC、膨润土泥浆和PAM 均可有效改善渣土渗透性,且渗透系数随着注入比的增加而增大; 泡沫的掺入对泥浆和PAM 共同改良渣土的渗透性无影响。根据试验结果可知: 当地下水头约为25 m 时,可将膨润土泥浆配比1 ∶ 4(1%CMC)、膨润土泥浆注入比(BIR)= 25%、PAM 注入比(PIR)= 12. 5%、泡沫注入比(FIR)= 20%或膨润土泥浆配比1 ∶ 3、BIR= 25%、PIR= 7. 5%、FIR= 20%作为此圆砾地层的渣土改良参数。     

土压平衡盾构全断面富水砂层带压进舱地层气密性封堵及其检测技术

富水砂层与黏性土地层等普通地层相比,其孔隙率大、渗透性强、含水量大,在此类地层中带压进舱作业的难点是地层气密性封堵难度大。在高压环境中,为了尽量减小气体的逃逸,以西安地铁3号线土压平衡盾构在全断面富水砂层中成功带压进舱为依据,通过采用盾体外部膨润土泥浆封堵、掌子面用高效能泥浆形成泥膜封堵、盾尾采用加大同步注浆量和盾尾油脂注入等方法,以及一系列气密性检测等措施,成功进行了带压进舱作业,并得出土压平衡盾构全断面富水砂层气密性封堵的方法及气密性合格的判定方法。     

南昌复合地层盾构渣土改良技术

为解决在南昌富水条件下砂层与泥质粉砂岩复合地层中喷涌、结"泥饼"、渣土"流塑性差、含水量高、渗透系数大"等施工难点,以南昌地铁1号线中子(中山西路站—子固路站)区间、八八(八一广场站—八一馆站)区间盾构施工为背景,通过数据统计及案例分析,得出液态高分子聚合物可作为抑制喷涌常态措施,泥质粉砂岩及富水砾砂层地质条件下,选取泡沫剂作为渣土改良添加剂,在砂砾石与泥质粉砂岩的复合地层,可考虑添加一定量的膨润土或高分子聚合物,解决砂砾石地层中渣土流动性差、防喷涌及粉质泥沙岩中结"泥饼"等问题。砂砾层体积与渣土总体积之比小于等于1/3时,渣土改良方式采用泡沫剂与分散剂溶液;大于1/3而小于2/3时,改良方式采用膨润土与泡沫剂溶液;大于等于2/3时,改良方式采用水土比8∶1膨润土与浓度为3%泡沫剂溶液,但膨润土用量应增加。     

土压平衡盾构在砂卵石地层中穿越城市河流施工关键技术

北京地铁10号线二期工程(公主坟站—西钓鱼台站区间和西钓鱼台站—慈寿寺站区间)盾构区间在砂卵石地层长距离下穿昆玉河,为了摸索出一套适合土压平衡盾构砂卵石地层下穿城市河流的施工方法,通过在穿河之前设置试验段优化施工参数,穿越期间有效控制土仓压力、盾构推进速度、螺旋输送机出土速度,调整注浆压力、注浆量和盾尾油脂用量,及时进行同步注浆和二次补浆等技术措施,盾构成功穿越河流并解决了螺旋输送机喷涌、被卡等重大风险,保证了河堤变形在产权单位要求的范围内,为今后类似工程积累了施工经验。