高渗透富水砂卵石地层大直径土压平衡盾构带压换刀施工工法

1成都地层具有“高富水、卵石含量高、卵石强度高”的三高特点，地铁盾构施工在此条件下施工难度极高、施工风险极大。因其砂卵石地层特殊的地质情况，造成盾构机施工过程中盾构刀具磨损较快且易于偏磨。土压平衡盾构机于高渗透砂卵石地层采用的换刀方式有带压换刀及常压换刀模式。带压换刀在线路埋深较深时工作压力将过高，进舱风险较大，于该地层泥膜形成难度大，过程控制难度大。常压进仓于降水后进行开仓作业，土体未进行加固处理或加固效果不佳时，掌子面稳定性差，若降水井出现异常后，水位上涨，砂卵石地层稳定性变差，易造成掌子面失稳，开仓风险大。成都高渗透砂卵石地层多采用常压规常压方式进行刀具更换。深埋深常压换刀时，需进行超深降水作业，降水难度大，受地面环境限制较大，且工期较长。根据成都的地质水文条件及环境特点，经项目相关人员研究决定采用带压换刀方式进行刀具更换，优化带压换刀中的施工工艺，建立泥膜试验模型，数值模拟法检测泥膜闭气性能，优化泥膜配比，减小了施工过程中的风险，具有明显的经济效益和推广价值。中交一公局第三工程有限公司针对该工程难点进行研究，在总结高渗透砂卵石地层大直径土压平衡盾构带压换刀施工技术的基础上，形成工法。该工法经过我项目左右线区间的实践，相关泥膜建立技术在临近标段应用均取得了较为显著的效益，成功的证明了该工法的可应用性。2工法特点2.1通过渗透带+泥皮型泥膜进行带压开舱泥浆调配及成膜。2.2通过试验分析研究，提出高渗透性地层泥浆成膜条件及机理规律。2.3建立泥膜厚度与地层渗透性的泥膜闭气非饱和数值模型，提出泥膜的闭气时间与闭气压力、泥膜厚度的关系。23适用范围4工艺原理本次高渗透砂卵石地层所采用土压平衡盾构机开挖直径为8634mm,切口环长度为890mm。采用膨润土泥浆经渗透形成稳定泥膜，舱内加压使得舱内建立合理的气压平衡泥的泥浆配比，使得掌子面形成泥皮+渗透带型泥膜。盾构掘进至预定换刀位置后，使用高比YY图5.1-1带压换刀施工工艺流程5.2工前准备5.2.1泥膜材料(1)根据不同的地层条件和泥浆特性，泥浆渗透形态的不同，泥膜分为三类，即泥皮型、渗透带型及泥皮+渗透带型。4图5.2.1-1地层泥膜形成类型(2)根据泥浆的成膜试验，富水砂卵石地层一般能够形成泥皮+渗透带型泥膜，需选(3)施工中采用采用钠基纯膨润土加钙基膨润土混合将泥浆比重调到1.18至1.2之间，粘度提到30s的物理稳定性较高的泥浆，同时将泥浆压力适当提高至开仓压力加0.2MPa。表5.2.1-1泥浆性能标准比重8.6米级土压平衡盾构机自有2台90KW-0.8MPa空压机，1台冷冻式压缩空气干燥机处理风量33m³/min、功率50KW,1台4m³储气罐。成都富水砂卵石地层6米级土压盾构富水砂卵石地层带压换刀采用2台9.6m³/min空压机，1台12.6m³/min空压机备用。(1)在带压换刀过程中，盾构设备自有空压机及备用空压机供气量必须高于需求量，(2)需用转化接头将备用空压机排气管与盾构机的储气罐连接好，若盾构设备自有空(3)备用空压机每12h至少启动两次检查其运行状况，并做好运转记录。5P—进舱理论气压值k—取值系数，可小于1,k的建议取值分别为0.9～1.0Y水—水的重度h水—水高度通过理论值计算公式确定进舱压力，其选定设定进舱压力值必须高于地下水压力图5.3.2-1膨润土注入压力关系图1)选择换刀点类似地层，进行保压试验，确定地层透气量及气压值，并同理论值进对2)盾构掘进过程进行保压试验，统计盾构在此地层保压过程中，空压机每分钟加气量，3)根据施工经验，在0.1Mpa压力进行半舱保压情况下，舱内具有良好的成膜效果，为防止同步浆液流入到盾尾，停机前3～5环浆液采用粘稠度较高的惰性浆液，注浆量增加至正常段的1.2倍，保证壁后注浆密实。5.4.3注盾尾油脂停机前加大盾尾油脂注入量，使每道油脂腔充满油脂，避免盾75.4.4管片双液浆封环为阻止成型隧道外的地下水沿管片外流向盾构土舱，在盾尾后的第5环管片和第6环类别注浆压力配比水泥：水玻璃：水为：1:1:2备注：注浆量受到注浆压力的影响，实际注浆量与压力值双控；水泥硅酸盐水泥，水玻璃采用35Be'(波美度)的浓度。通过前盾径向注浆口向盾壳外注高比重不低于1.18的膨润土，5.4.7管片背部止水盾尾后的第3环和第4环注环氧树脂材料防止地下水涌入。时，根据土仓内压力变化情况，调整手动阀的大小，保证土仓加气压力高于静止土仓压力 5.5.2土仓内的渣土排出1/2后(约35m³),立即停止螺旋机排渣。通过膨润土系统，从土舱隔板顶部预留孔注入高比重膨润土泥浆(比重1.18～1.2),逐步关闭手动加气，等5.5.5当置换1/2以上后暂停置换，从土仓中部放浆取样测试，如果泥浆比重小于85.6.1保压渗透过程中，注意保持土舱压力稳定。过程中如果土仓压力有下降，即从隔1小时用最低速点动刀盘一次，使刀盘面板及开口位置互换，将泥浆均匀渗透至整个掌子5.6.2渗透完成后，采用高粘膨润土调制粘度大于80s(马氏漏斗)的泥浆，置换土仓内5.6.3保持土舱压力过程中每间隔3h从土舱中部放浆取样测试一次，保证粘度大于5.6.4过程中保持土舱压力，若6h内压力稳定，不需补充泥浆则判定泥膜制作成功。若压力波动值>0.05bar/10min,即从土舱上部小流量补充泥浆，继续渗透成膜。5.7土舱气密性试验放浆或螺旋输送机缓慢放浆，注意放出的泥浆与补充的压缩空气体积相等(即仓内压力不降低),可把放出的浆液泵入渣土车测量放浆体积，直至放完土仓上半9(1)人员进入主舱并关闭闸门、打开双层带状纸记录器，关闭(2)操作管理员和闸内人员保持通讯畅通。(3)缓慢打开“向主舱通风”球阀，进行增压至操作压力。(4)确定土舱与人闸的联通阀门无水流出，开启闸门进行作业。(5)通向土舱的闸门必须保持打开状态。(1)通过副舱将其它人员或材料送入主舱。(2)每次后续入闸过程完成后，副舱应减压，以提供后续入闸条件。(3)副舱增压至与主舱压力相同，可打开通向主舱的闸门。(1)土舱内作业采用轮班制，根据工作压力在《带压工作减压表》中选择适宜的工作(2)作业人员完成一舱后按照出闸程序离开主舱。下一班人员按照入闸流程进入土舱(3)刀具处理完毕后，关闭舱门前对土舱及刀盘前方进行全面检查，避免工具、杂物遗留在内。(1)作业所需工具、刀具等物品应运入人舱。(2)作业人员进入人舱前，医师对人员身体状况进行评定，评定合格后进舱作业，每舱作业人数不超过两人。(3)带压作业过程应注意作业上部有无孤石，掌子面是否稳定，及时处置，保证掌子面稳定。(4)作业过程中注意对泥膜的保护，及时修复损坏处泥膜。(5)不间断观察泥膜有无开裂现象，若开裂严重，人员立即撤出土仓，关闭闸门，重新制作泥膜。(6)根据开舱气压值选择适宜作业时间，本舱工作结束后按既定的减压方案进行减压、出舱，下一组人员进舱。5.9减压出舱5.9.1出闸减压过程分为减压→停留→再减压→停留，直至压力降至常压，即减压结束。5.9.2人员进入主舱后，确定闸门关闭，根据《带压工作减压表》减压作业。5.9.3确保舱外操舱员和舱内人员保持通讯畅通，使用“主舱放气”球阀和“主舱通风”球阀进行调整，逐渐降低主舱中的压力至停留期压力，停留时间满足相关要求，逐渐减压，至减压结束。5.10恢复掘进5.10.1盾构复推前须做好设备检查，确保设备正常，对空心桩内机具、材料等进行清理，避免造成刀盘、螺旋机卡死。5.10.2复推前往仓内注入1/3仓1:7纳基膨润土或填入惰性浆液，注入惰性浆液的过程中打开土仓壁上部的平衡阀排出仓内空气，直至溢出惰性浆液时关闭平衡阀。5.10.3观察土仓压力传感器，当土仓压力达到掘进时的土压平衡压力时停止注入惰性浆液。6材料与设备设备、工具、材料包括盾构机自身配备的压力保持系统等带压作业必备的配套系统，以及应急设备根据施工需求进行配备。根据作业内容准备需更换的刀具、进仓作业所需工具等放入人仓或仓外。序号项目分类备注1检查盾构自身必备的气1套2自动保压系统系统2套31套41套52套6带压进仓作业人员设备/照明3套7防爆低压照明灯具6个8防爆强光手电筒4个9医用氧气瓶10个工具气管2条配备相应直管/弯管接头水管2条球阀4个喷水嘴2个小尖铲6把小铁锹4把拍照、测具2把2把2把数码照相机(可选择防爆)1件2本油性笔4支带压进仓检查换刀工具2把配置所需型号的套筒1把配置所需型号的套筒重型套筒2把配置所需型号的套筒序号项目分类设备/机具/工具/材料名称备注内六角扳手1套1套活动扳手2把2个2个吊带2根2根4个1把小千斤顶2个绑工具用1个安全防护设施安全带10条而定麻绳2条灭火器(清水)2人闸内用(1)采用高黏度、高质量泥浆；(2)泥浆采用专用设备拌制，应经充分膨化后利用注浆泵注入仓内；(3)对于气密性差的地层，宜在高黏度泥浆中加入填充材料。(1)同步注浆应饱满，应填充超挖间隙；(2)管片背后注浆采用双液浆，且应至少封堵盾尾后2环～5环全环管片；(3)盾体径向注浆宜采用环氧树脂等化学浆液，在盾壳外形成封闭止水带；(4)采用同步注浆、二次注浆和盾构径向注浆结合方式。8.2.2气压作业开仓前，应确认地层条件满足气体保压的要求，不得在无法保证气体压8.2.3人员在作业区域时，必须时刻观察掌子面状况，若有异并关上仓门。8.2.4开仓作业时，应做好地面沉降、工作面的稳定性的监测反馈。8.2.5供气系统动力源除采用电源外，应配备备用发电机。8.2.6空气压缩机的容量配备应满足维持工作压力稳定的需求。8.2.7严禁仓外作业人员进行转动刀盘、出渣等危险操作。8.2.8撤离开挖仓前，确认工具全部带出。8.2.9气压作业配置气压作业主卦、操仓员、医护人员等应满足要求。8.2.10人闸内的加压速度宜控制在0.05MPa/10min～0.10MPa/10min。9环保措施9.1执行标准9.1.1整个施工过程中，全面运行ISO14001环境保护体系标准，系统地采用和实施一系列环境保护管理手段。9.1.2《建设项目环境保护管理条例》。9.1.3《中华人民共和国水污染防治法实施细则》。9.1.4《建设项目竣工环境保护验收管理办法》9.2控制措施9.2.1严格遵守国家和地方政府部门颁发的环境管理法律、法规和有关规定，根据客观存在的粉尘、污水、噪声和固体废物等环境因素，实施全过程污染预防控制，尽可能减少或防止不利的环境影响。9.2.2将施工场地和作业限制在工程建设允许范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。9.2.3对施工时产生废浆，应及时排出，泥砂按时清理，并运卸到指定地点；对于地面的浆液，在初凝之后及时予以消除并平整。9.2.4弃土要运送至指定地点，防止对周围环境进行破坏和污染。9.2.5施工机械产生的废油料及润滑油等，必须集中收集进行处理，生产用油料必须严根据施工工效统计分析，带压换刀过程中，总工期在常压换刀作业总工期在25天(换刀作业16天，降水及桩基施工9天)。富水砂卵石地层埋深30米工况下带压换刀及常压换刀对比。常压换刀深埋深降水需采用分阶分序作业，加固方式采用桩基稳固土体(加固区域长8m,宽2m,深度39m)。序号费用合计(元)1常压换刀1、钻机施工单价386.36元/m³,施工直径为3.14*1*1*39*4=489.84m³,总价189254.58元。2、混凝土用量，每方480元，总价235123.2元。3、降水井施工单价346.25元/m,降水井需设置15口，深度58m。降水井总延米：58*15=870m,总价301237.5元。计30把，外加人工及相关材料费用。总价：455000元。5、降水用电量、外加变电箱等设备共计1315615.28元135000元。2带压换刀1、操舱费：单价2500元/仓，总价180000元。2、超前注浆每次40000元，总价800003、刀具更换共计15000元，人员进仓费：300小时/人，总价共计425000元。4、相关材料设备费用共计50000。735000元3费用比较以上施工费用施工前准备、施工作业过程人刀费用低于常压换刀施工价格，单次总体节省约58万，总体为项目节省了568.6万元。富水深埋高渗透卵石地层盾构带压换刀施工技术11.1成都轨道交通17号线明九区间2#中间风井～九江北站盾构区间(右线)明九区间2#中间风井～九江北站盾构区间右线由由2#风井分体始发，九江北站接收，区间总长2274.048m,最小曲线半径为R-600m,隧道埋深为9.1～29m,穿越地层主要为密实砂卵石地层。隧道最大坡度28‰,盾构开挖直径8.634m,管片内7.5m,管片外径8.3m。明九区间2#中间风井～九江北站盾构区间右线盾构分别掘进至第460环时，由于盾构解决了高渗透性地层泥