超大直径泥水盾构超黏地层施工技术

1超大直径泥水盾构超黏地层施工工法超大直径泥水盾构常压刀盘开口率小，在穿越黏性颗粒含量较高地层时极易出现刀盘刀具结泥、仓内滞排、掘进参数突变等异常，严重时需带压进仓清理，增加施工风险的同时也严重制约施工效率。针对该地层特点及施工难点，从大直径泥水盾构掘进模式、掘进参数、泥浆管理、环流及刀盘冲刷等方面进行分析研究及技术创新，总结形成超大直径泥水盾构穿越超黏地层（富含黏土矿物）的施工工法，取得较好效果。2.1可有效提高施工效率针对超黏地层遇水膨胀、黏性增加的特点，以预防为主、防治结合、综合治理为主要原则，采取泥水仓上部1/3～1/2压缩气体、下部2/3～1/2泥浆辅助气压模式，减少了地层与泥水长时间接触而引发的膨胀、粘性增加，降低了刀盘刀具结泥的概率，并可降低刀盘扭矩；同时通过采取严格控制泥浆质量、增加循环泥浆流量、周期性洗仓、高压水刀冲洗等措施防止仓内滞排引起的刀盘结泥，掘进参数稳定，规避了带压进仓及减黏剂泡仓，有效提高施工效率。2.2可有力保障施工安全通过对地质情况、周边建构筑物、地下管线等进行严密调查，针对辅助气压掘进带来的风险制定针对性措施，降低了刀盘结泥带来的掘进参数剧变、无进尺，降低了频繁带压进仓、减黏剂泡仓风险，有效控制地表沉降。2.3工艺参数具体，实操性强通过对施工参数、控制指标等进行量化，施工目标明确，规避施工过程中繁琐复杂的程序，可操作性强，有效解决了此地质条件下各种疑难杂症，为后续类似工程盾构掘进奠定了基础。本工法适用于超大直径泥水盾构在超黏地层中的掘进施工。地层中的黏性颗粒遇水易膨胀、粘性增加，进入泥水仓后在仓底沉积，引发滞排，进而使刀盘扭矩增加、掘进速度明显降低，并逐渐堵塞刀盘溜渣口。本工法工艺原理如下：4.1通过采取辅助气压模式掘进，减少了黏性地层与泥水长时间接触而引发的膨胀、黏性增加，降低了刀盘刀具结泥的概率，并可有效降低刀盘扭矩。4.2严格控制泥浆指标，通过增大泥浆循环流量及刀盘中心冲刷流量，辅以周期性洗仓措施，使泥浆快速流动，一定程度上缓解了常压刀盘开口率过小导致的渣土流动不畅，降低了仓底积渣滞排的概率。4.3高压水刀定期冲洗刀盘溜渣口，降低堵塞风险。4.4通过大数据平台严密关注掘进参数，通过刀具监测系统适时监测，有问题时及时调整、更换。25.1施工工艺流程施工工艺流程见图-1：5.1-1超大直径泥水盾构超黏地层施工工艺流程5.2操作要点5.2.1地表环境调查及预处置根据施工调查情况、建构筑物安全鉴定评估报告及地质详细勘查报告，对地表建构筑物、地下管线等施作相对应的预处置措施，如预埋跟踪注浆管、注浆加固等，必要时应进行地质补勘。5.2-1建构筑物加固示意图35.2.2气压辅助模式掘进（1）气压辅助模式掘进以每300mm为一掘进周期，掘进的同时辅以防滞排施工控制、高压水刀冲洗、掘进参数管理及刀具状态监控。（2）气压辅助模式掘进的使用、关闭条件①使用前提条件：盾构机刀盘上覆土以及刀盘前方掌子面地层稳定，且气密性良好；②使用过程关闭条件：掘进过程中，通过控制进排浆流量差，使泥水仓液位无较大波动，并时刻关注空压机状态及保压系统排气量，调节阀开合度＞0.7时应立刻恢复满仓掘进。5.2-2保压系统监控（3）气压辅助模式的转换缓慢打开泥水仓与气垫仓联通阀，单次开启不超过阀门的1/3，待压力稳定后，按照每梯度1m降低泥水仓液位至工作液位（按需调整，如1/3仓气体同时按照每梯度0.1bar调节上部气压至掘进所需稳定压力，过程中需注意观察泥水仓液位及上部压力变化情况。（4）气压辅助模式掘进压力计算对掌子面暴露在气体下每种地质亚层的稳定压力进行计算，取最大值作为掘进压力的理论设定压力。i/2)-2Cii/2)i：第i层土的重度，地下水位以上取土的天然容重，地下水位以下取土的浮容重Ci：机顶土层的粘聚力，当土体为砂性土时，则Ci=0i：机顶土层的摩擦角结合前期掘进过程中地表沉降情况及保压试验时气垫仓液位上升情况，对设定压力进行适当调（5）地层气密性试验1）转换为气压辅助模式，待液位达工作高度、气压稳定后，保压不低于2h，保压系统补气量≤10%（0.6＜调节阀开合度≤0.7）时，则判定地层气密性试验合格，可开始掘进或梯度减压；若保压系统补气量＞10%，则判定地层气密性试验不合格，需立刻恢复满仓液位。2）梯度减压通常用于理论计算压力P远远高于正常掘进可稳定控制地表沉降的压力P1时，按0.1bar/次的梯度逐级减压、保压至P1+P水（P水为掌子面暴露在气体中高度的水压压力每梯度内保压系统补气量不大于10%（0.6＜调节阀开合度≤0.7）。保压系统成功则可开始掘进，失败时应恢复上一压力梯度并开始掘进。（6）气压辅助模式掘进风险控制1）气体压力控制不精准易引发地表较大沉降盾构隧道直径越大，掌子面内地质分层越多，辅助气压模式掘进时气体高度、气体压力的选择确定条件更为严苛，稍有不慎就会引发地表较大沉降甚至坍塌。可通过地勘资料选择自稳性更好的地层，初步确定气体高度；再在理论计算及地表沉降监测的基础上，通过保压试验确定最优的气体4高度和压力。气密性无法保持时，应立刻恢复满仓液位。2）气体高度内同步注浆不饱满液位降低后，气体高度内盾壳与岩体间无泥浆填充，同步注浆更易前窜进入泥水仓，管片壁后填充不饱满。可通过以下措施控制：①适当控制掘进速度，不易过快；②适当降低砂浆初凝时间或采用厚浆；③提前预制多孔管片，适时检查壁后注浆情况，通过二次注浆填充饱满。图5.2-3多孔注浆管片3）可能引发后续施工段管片背后浆液不凝固当以辅助气压模式通过超黏地段，未及时进行管片背后二次注浆，恢复满仓泥浆掘进时，管片背后空隙被大量泥浆填充，将稀释注入的同步浆液，致使其不凝固，进而导致管片上浮、错台等质量问题。图5.2-4管片上浮、错台图5.2-5管片上浮规律5.2.3防滞排施工控制（1）泥浆循环流量及刀盘中心冲刷流量控制增加一套分离设备，为大流量循环提供条件。采用大流量泥水循环模式，保证进浆流量不低于3200m3/h，排浆流量不低于3500m3/h，同时在掘进过程中开启刀盘中心、开口夹角及刀盘面板冲刷，且中心冲刷流量不小于1800m3/h。（2）操作注意事项掘进过程中，随时关注各管路流量大小变化及时进行调整，同时关注各泥浆泵运转情况，避免压力过高，负荷过大而跳停的现象。掘进前，保持泥浆门冲刷、格栅冲刷、破碎机冲刷、刀盘中心冲刷、刀盘夹角冲刷等各管路畅通，掘进过程中，保持泥浆门冲刷、格栅冲刷开启，破碎机做左右摆动动作。（3）泥水指标控制泥浆指标控制在比重ρ＜1.05，粘度＜20s，主要通过弃浆后加水、离心处理等实现。（4）周期性循环洗仓通过采用定时、大流量冲洗措施，重点照顾易积渣的部位，防止滞排，主要分为掘进前和掘进过程中洗仓两大类：1）掘进前的洗仓操作5第一步：进入气垫仓循环出渣不转刀盘，打开F13、F14、F3、F4、F5、F6、F7进浆管路，打开V32、F32排浆管路，将泥浆送入气垫仓循环洗仓。其中，控制进排浆流量≥其设计最大流量的70%，泥水仓底部冲刷流量≥泵设计最大流量的70%；当在一个完整循环时间内进排浆密度差低于0.1t/m3时，结束该步骤。图5.2-6掘进前气垫仓清洗示意图第二步：进入泥水仓循环出渣第一步洗仓完成后，不转刀盘，打开F11、F17、F18、F3、F4、F5、F6、F7进浆管路，打开V32、F32排浆管路，将泥浆由气垫仓送入泥水仓进行循环洗仓。其中进排浆流量≥其设计最大流量的70%，刀盘中心背部冲刷流量≥设计最大流量的70%，泥水仓底部冲刷流量≥设计最大流量的70%；当在一个完整循环时间内进排浆密度差低于0.1t/m3时，结束该步骤。图5.2-7掘进前泥水仓清洗示意图第三步：进入刀盘前方循环出渣6第二步洗仓完成后，刀盘回退50～80mm，刀盘转速≤0.5r/min，打开F1、F17、F18、F3、F4、F7进浆管路，打开V32、F32排浆管路，经管路切换将泥浆由泥水仓送入刀盘前方进行循环清洗。控制进排浆流量≥设计最大流量的70%，刀盘前方面板冲刷流量以达到其设计流量的70%以上为准，刀盘中心背部冲刷流量以达到其设计流量的70%以上为准，同时不启动泥水仓底部冲刷。更换刀盘转向后，实际刀盘扭矩与刀盘转速额定扭矩基本相一致，且在一个完整循环时间内进排浆密度差低于0.1t/m3时，结束该步骤。图5.2-8掘进前刀盘前方清洗示意图2）掘进过程中或掘进完成的洗仓操作步骤第四步：由刀盘前方切入泥水仓循环出渣掘进过程中判断仓内积渣后或掘进完成停机时，打开F11、F12、F17、F18、F4、F5、F6、F7进浆管路，打开V32、F32排浆管路，将刀盘前方所积渣土通过泥浆循环至泥水仓。当正反转刀盘扭矩与刀盘转速额定扭矩基本一致，且在一个完整循环时间内进排浆密度差低于0.1t/m3时，完成该步骤。7图5.2-9掘进过程中泥水仓清洗示意图第五步：由泥水仓切入气垫仓循环出渣完成第四步出渣后，打开F3、F4、F5、F6、F7进浆管路，打开V32、F32、排浆管路，将泥浆由泥水仓循环至气垫仓。当在一个完整循环时间内进排浆密度差低于0.1t/m3时，完成该步循环出图5.2-10掘进过程中气垫仓清洗示意图第六步：由气垫仓切入旁通循环出渣关闭F30、F32，打开F31，切换至旁通模式清洗循环泥浆管路。进排浆流量≥其设计最大流量的80%，当在一个完整循环时间内进排浆密度差低于0.1t/m3时，完成循环工作。8图5.2-11掘进过程中循环管路清洗示意图3）洗仓操作注意事项洗仓过程中，泥水处理厂观察做好出渣量统计，若发现出渣量较大时，及时停止洗仓操作，避免过度洗仓造成掌子面地层流失，引起地表沉降和坍塌。当环出渣量统计需包含本环所有洗仓操作的出渣量。洗仓操作时，按要求退刀盘、旋转刀盘、达到结束洗仓指标停止洗仓或进入下一步洗仓操作。5.2.4高压水刀冲刷（1）高压水刀系统盾构机配置高压水刀系统一套，高压水刀系统由高压水刀液压泵站、高压水泵、水箱、水平钻机、滑动平台、密封装置、锁紧装置、导管、冲刷刀头、变频控制柜组成。（2）高压水刀冲刷操作流程每掘进油缸行程300mm，停机采用高压水刀冲刷刀盘开口，高压水刀冲刷示意如图5.2-12所示。图5.2-12高压水刀冲刷动作示意图水刀冲刷步骤如下：①刀盘开口旋转至水刀冲刷位置并锁定刀盘，降低泥水仓液位至水刀冲刷开口位置以下；②安装好第一节1.5m钻杆及喷头，向前伸入至隔板球阀后开启球阀，继续向前伸进至锁紧装置并锁紧钻杆，断开钻杆，后退钻机，以相同方式增加第二～四节钻杆，继续伸入至距离刀盘开口后0.35m，此时共伸入钻杆4.8m，外部剩余钻杆长度约0.9m（视盾构结构调整）；9③开启钻机，同步开启两台高压水泵，缓慢调节至转速500r/min，压力平稳后缓慢增加至30~35Mpa，对此开口持续冲刷30min。④将钻杆退回气垫仓内，旋转刀盘，依次对每个开口进行冲刷。水刀冲刷刀盘开口范围如图5.2-13所示。图5.2-13高压水刀冲刷范围示意图（3）操作注意事项①水刀伸入前，刀盘旋转到位，且泥水仓液位降低至冲刷位置以下；②钻机在伸入、回退过程中需缓慢进行，同时注意滑动平台末端限位；③钻机伸入、冲刷、后退过程中需保持钻杆正转，拆卸钻杆时除外；④钻杆退出密封装置前切记完全关闭隔板球阀，严禁未关闭球阀将钻杆完全退出；⑤高压水泵启动时，保持同步缓慢启动，同时观察泵转速及压力，在启动高压水泵的过程中，若压力出现剧烈波动，或憋压现象，及时停止高压水泵，拆除钻杆并检测喷头有无堵塞；⑥钻杆在伸入过程中，遇到卡顿现象，及时停止伸入，采取来回伸缩持续冲刷的方式进行疏通。5.2.5掘进参数管理及刀具状态监控（1）掘进参数管理以较大贯入度掘进，以尽可能大的切削泥水渗入新鲜掌子面的距离，但还需根据地层情况进行1.5rpm，并设定扭矩最高限值为16000KN·m。达到限值后，后退刀盘30mm以不低于3200m3/h的流量洗仓；专人对每掘进分段参数进行统计分析，有异常时及时讨论修正。（2）刀具状态监控盾构掘进过程中，通过刀具监视系统对刀具转速、温度、磨损量状态进行严密监控，及时对不正常的刀具进行检查更换，做到有疑必检、有损必换。刀具检查更换原则如下：1）刀具持续不旋转超过10min，且更换刀盘转向仍持续10min不旋转，立即停机更换。2）最外缘滚刀均值旋转比持续上升且至104＋超过2min（磨损量约10mm）时，立即停机更换。3）边缘滚刀均值旋转比持续上升且至112＋超过2min（磨损量约25mm）时，立即停机更换。4）正面滚刀均值旋转比持续上升且至114＋超过2min（磨损量约25mm）时，立即停机更换。5）中心滚刀均值旋转比持续上升且至113＋超过2min（磨损量约25mm）时，立即停机更换。6）持续出现温度高于附近轨迹滚刀温度6℃+超过10min时，立即停机更换。7）掘进过程中遇某刀具无旋转数据或无温度数据，需停机排查故障原因，若遇传感器、线路损坏、需停机修复或更换新刀筒。6.1材料无特殊材料。6.2主要设备配置本工法所涉及的主要设备机具见表6.2-1。表6.2-1设备机具配置表1台22根33根24/套25个26套27台48ANY-1个19ANY-1个1ANY-1个1/个2个1台1台1本工法主要从以下几点进行相关质量控制：7.1严格泥浆质量，粘度达18s时作为预警指标，达到20s时立刻停机调整至18s以下。7.2掘进过程中，保持刀盘中心冲刷流量不低于1800m3/h，同时开启刀盘面板冲刷及夹角冲刷，观察各管路压力及流量，避免堵塞。7.3严格控制掘进参数，观察刀盘扭矩及挤压力波动值，出现波动范围较大或持续上升现象，需立即停机汇报，进行分析。7.4每掘进300mm停机进行水刀冲刷，严格控制水刀冲刷时间，冲刷压力，操作过程中精确控制水刀伸出长度，避免碰到刀盘，完全退回前需关闭隔板球阀，冲刷过程中随时观察密封装置密封情况。7.5泥水处理厂派专业技术人员按要求时间间隔进行泥浆粘度、比重、温度测量工作，并做好统计，出现指标超标或不符合要求，立即汇报按要求进行调整。7.6泥水处理厂按每掘进300mm统计实际出渣量，并做好记录，按要求进行汇报。7.7进行周期性洗仓操作时，避免长时间高速旋转刀盘，造成多出渣现象，避免掌子面地层流7.8辅助气压模式掘进期间，严密观测萨姆森系统补气量，当其开合度大于0.7时恢复满仓掘进。采用本工法的具体安全措施如下：8.1成立安全管理小组，以项目经理为组长，项目副经理、安全总监、土木总工、机械总工为副组长，各部门及现场负责人为成员，对施工过程中存在的安全隐患进行排查，制定相应安全管控措施。8.2在使用高压水刀前对其进行全面的安全检查，正式使用前必须试运行。8.3高压水刀操作人员需经专门培训，并熟练掌握有关规程，培训合格后上岗。8.4钻杆压力未降至零时，严禁拆除以免高压水喷出伤人。8.5高压水刀未退回至指定位置时，严禁转动刀盘，避免刀盘转动造成水刀损害。8.6盾构掘进时，派专人对盾构机各部位电气及机械设备进行巡视检查，特别是对各泥浆泵、各管路接头等部位，若发现泥浆泵振动过大、泥浆管路及各接头部位漏浆，及时汇报并停机处理。8.7地面派专人进行巡视，同时加强地面沉降情况监测频率。9.1泥水处理厂配置洒水车，派专人对泥水处理厂周围道路进行清扫，保持周围环境整洁。9.2泥水处理厂渣场内设置集浆池、沉淀池，对渣场内废浆进收集、沉淀净化。9.3泥水处理厂设备噪声、振动较高，做好降噪防护。9.4做好各种材料储存工作，防潮、防晒、防泄漏、严禁暴露。9.5高压水刀使用完毕，做好现场清洁，对洒漏的泥浆冲洗干净，不用时采用篷布进行覆盖。9.6隧道内产生的污水、泥浆及时通过污水泵排至隧道外沉淀池，经沉淀处理后达到国家排放标准后方可排放。9.7场地出口设洗车槽和沉淀池，对施工废水进行沉淀净化，并用于场地内运输道路的洒水降9.8做好泥水盾构泥浆比重计放射源管理，配置有资质人员对放射源运行情况定期检查维护。本工法极大的提高了超大直径泥水盾构超黏地层施工效率，解决了掘进过程中参数异常、滞排、刀盘结泥饼的问题，避免了带压进仓人工清理刀盘泥饼时间消耗，有效缩短了工期（以xx隧道为例：F9糜岩断裂带掘进完成需要180天，采用此工法后实际40天完成），并能保证掘进过程中参数的稳定性，平稳、快速、安全通过，保证了施工质量安全。10.2经济效益本工法增加了高压水刀冲刷的水电费用，减少了生石灰、减粘剂、消泡剂的材料消耗，且可有效预防刀盘结泥饼，避免因刀盘结泥饼带压进仓人工清理的时间和成本损失，采用本工法通过糜棱岩断裂带经济成本较低。10.3社会效益该工法已成功应用于xxxx隧道、xx隧道工程大直径盾构F9糜棱岩、xx琶洲支线施工，由于其连续、平稳、安全、可靠的特点，得到了各级单位的一致认可。该工法攻破了大直径泥水盾构在此类地层中掘进时刀盘结泥饼的难题，有效规避带压进仓泥饼清理风险，切实保障了工程安全质量，可供在类似地层中大直径泥水平衡盾构施工参考，具有良好的社会效益。本工法已成功应用于xxxx隧道、xx隧道、xx城际铁路琶洲支线等项目，均取得较好的效果。11.1应用实例一—xx隧道11.1.1xx隧道工程项目工程概况越地层为粗粒花岗岩、构造碎裂岩、凝灰质砂岩、片岩、变质砂岩等，全断面岩层占全线80%以上。沿线需穿越9条主要断裂带及2条次生断裂带，均为压逆扭成因，地层主要表现为糜棱岩。糜棱岩呈灰绿、灰色、褐黄色，软岩，受断裂构造影响，构造裂隙发育，岩芯呈断层泥状，局部呈糜棱岩化砂状，强度相当于强风化岩，局部夹中等风化岩块。本工程分级为Ⅲ级硬土或Ⅳ软石。糜棱岩黏土矿物含量高达67.5%，黏土矿物是泥饼形成的物质基础，当土或岩中黏土矿物含量超过25%时，随着其含量的增加，相同施工设备和工艺的条件下，泥饼形成的可能性将增加。11.1.2地质情况盾构段隧道主要穿越地层为粗粒花岗岩、构造碎裂岩、凝灰质砂岩、片岩、变质砂岩构造角砾岩、糜棱岩，隧道存在部分上软下硬地层、断层破碎带，全断面岩层占全线80%以上，其中糜棱岩大小断裂带共12条，已顺利通过11条，其中F9侵入隧道最长、分部范围最广。地质纵断面图如图11.1-1所示。图11.1-1xx隧道工程地质示意图11.1.3设备情况中铁588号盾构机刀盘开挖直径为15.8m，主机总长约为15.7m，整机总长约160m；主机重约3075t，后配套拖车重约1475t,单件最重为刀盘651t（含刀具、吊具），刀盘开口率仅27%;后配套拖车由1#～4#拖车、1节连接桥及辅助平台组成。图11.1-2盾构示意图泥水循环系统采用DN500直径泥浆管，进浆采用1台功率1100KW的WARMAN300SHG型进浆泵，最大进浆流量可达3500m3/h，排浆采用3台（1设备+2中继）功率1100KW的WARMAN300SHG型排浆泵，最大排浆流量可达3500m3/h。泥水处理厂配置一套MTP4000型泥水分离设备，最大处理能力可达4400m3/h；配置一套泥浆调制系统，最大调制浆能力300m3/小时；同时配置3台离心机及2台带式压滤机进行废浆处理，废浆处理能力可达630m3/h。图11.1-3盾构设计概况11.1.4地表环境调查及预处置情况根据设计阶段调查资料显示及实际施工过程地表环境调查，本断F9断层掘进范围地表主要为深圳、香港共管区域香港飞地和深圳海关多层停车场（6层），按照设计要求此段预处置方式为预埋地表袖阀管注浆预加固处理措施，下穿前已完成袖阀管的布置和注浆设备的准备，穿越期间地表及建构筑物隆沉值稳定，且符合设计及规范要求。图11.1-4F9断层隧道与地表位置关系示意图11.1.5气密性试验采用辅助气压模式掘进前，对掌子面地层实施气密性试验，通过降低泥水仓液位（单次降低1m同时按照0.1bar每梯度降低气垫仓顶部压力，调整过程高度关注泥水仓压力、液位变化情况，本项目采用辅助气压模式掘进气密性试验过程安全、可控，保压系统排气量符合要求。表11.1-5辅助气压模式逐级减压表11.1.6F9断层掘进参数管理及刀具状态情况2020年11月21日刀盘进入F9糜棱岩断裂带（512环至516环盾构掘进参数出现异常，刀盘扭矩、挤压力急剧升高、掘进速度极低，判断为刀盘结泥饼。过程中加入各种减黏剂，但效果不佳，且泡沫多，易产生气蚀现象，泥浆泵无法工作。12月1日带压进仓后发现刀盘开口已完全堵塞，刀盘面板泥饼较厚，以4.5bar工作压力共带压30仓完成了清理。图11.1-4516环掘进参数折线图图11.1-5刀筒抽检及进仓查看溜渣口情况掘进517环（刀盘522环）油缸行程600～1500mm时，掘进参数无明显改