盾構(gòu)施工渣土改良專項方案

編制依據(jù)（1）隧道施工圖（2）鐵路隧道工程施工技術(shù)指南（TZ204-2008）（3）公司《質(zhì)量管理體系-要求》（GB/T19001-2000）一、工程概況本工程盾構(gòu)區(qū)間總長度3566.5m7個聯(lián)絡(luò)通道、2個防淹門、128.84米的海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機進(jìn)行施工。二、工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件2.1地形地貌地面高程多為0～10m10～20m內(nèi)道路縱橫，水網(wǎng)發(fā)達(dá)，河流縱多，主要河流有汾江、東平水道、吉利涌、潭洲水道、陳村水道等，均為通航河道。2.2工程地質(zhì)條件（1）洞身地層土層<1-1><2-1><2-2><3-1><3-2><3-3>、<3-4><4-1><5><7-1><7-2><7-3>。在里程DK31+439~DK32+260或強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖W4、W3（821m）；里程DK32+260~DK34+500洞身范圍地層主要為弱風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖（2240m）；里程DK34+500~DK35+005.5洞身范圍地層主要為上軟下硬，上部為強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖W3，下部為弱風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖W2（500.5m）。（2）洞身地層分布統(tǒng)計根據(jù)目前提供的地質(zhì)斷面圖，隧道洞身地層統(tǒng)計如下表所示：表比例折合長度（m）124.1左線淤泥<2-2>3.48%3.46%0.60%0.90%1.93%123.319.029.568.8粉質(zhì)粘土殘積）<5>粉質(zhì)粘土沉積）<4-1>弱風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖<7-3>合計82.9%100%2804.63566.5（3）巖層特性全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖W4：灰色，棕紅色，原巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，巖芯呈土狀，水浸易軟化崩解。強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖W3：棕紅色、深灰色，泥質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)，裂隙很發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、局部短柱狀，錘擊易碎。弱風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖W2：棕紅色、深灰色，泥質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造，裂隙稍發(fā)育，巖芯呈短柱狀、柱狀。（4）巖石的物理力學(xué)性質(zhì)示：巖石（弱風(fēng)化）的天然抗壓強度最大值為53.0MPa，最小值3.7MPa，平均值20.36MPa。強風(fēng)化巖層的推薦基本承載力為400kPa。全風(fēng)化巖層的實測標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗值N=10~59擊，標(biāo)貫平均擊數(shù)36擊?！鸺墷笥餐粒扑]基本承載力為200kPa。2.3水文地質(zhì)條件2.3.1地表水地表水：線路主要經(jīng)過河涌和陳村水道，地表水系主要為陳村水道水系。2.3.2地下水系孔隙潛水地下水水位埋深在0.46.1m；主要接受大氣降水、地表補給，通過地表蒸發(fā)、人工開采、地表徑流等方式排泄。第四系孔隙水主要賦存于海陸交互沉積層中的粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂中，海陸交互含水層厚度較大，分布較連續(xù)，徑流暢通，滲透性好，水量較為豐富。風(fēng)化節(jié)理裂隙中，含水層埋深和厚度差異較大，砂巖、泥巖節(jié)烈裂隙較發(fā)育，水隙發(fā)育，連通性較好，滲透性較強富水較好。三、設(shè)備配置本標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間采用德國進(jìn)口的兩臺直徑8.8米的海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機能否順利進(jìn)入土倉有很大影響。3.1泡沫系統(tǒng)泡沫系統(tǒng)主要包括泡沫劑桶、泡沫劑泵、水泵、溶液計量調(diào)節(jié)閥、空氣劑量8條泡沫管，分別通往刀盤面，土倉，螺旋輸送機，其泡沫發(fā)生原理見圖3-1，各部件連接示意圖見圖3-2。向盾構(gòu)機掘進(jìn)倉中注入泡沫發(fā)生裝置產(chǎn)生的泡沫，用于掘進(jìn)面土壤的性狀改良，掌子面土層在加入泡沫后，其塑性、流動性、防滲性都得到改進(jìn)，同時亦可減少刀具的磨損。泡沫混合液壓縮空氣泡沫圖泡沫劑箱泡沫發(fā)生器M膨潤土系統(tǒng)接口`M水箱螺旋輸送機泡沫及膨潤土系統(tǒng)示意圖圖泡沫劑罐圖圖泡沫系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)介紹如下：稀釋液濃度(x)：稀釋液中所含發(fā)泡劑原液的比例FER=泡沫體積/稀釋液體積FIR=泡沫注入量/開挖土方量，即注入泡沫體積總量與盾構(gòu)機刀盤切削的原狀巖土的實方比3.2膨潤土系統(tǒng)和螺旋輸送機內(nèi)，達(dá)到改良碴土地目的。些特殊的工程下。圖四、渣土改良方法4.1渣土改良必要性圖加材料，經(jīng)強力攪拌，改善開挖渣土的塑性、流動性，降低渣土的透水性。土塞效應(yīng)，防止噴涌。根據(jù)設(shè)計提供的地質(zhì)勘察報告可知，本項目盾構(gòu)前段區(qū)間820m左右和尾段區(qū)間500m左右為砂層、淤泥層及全強風(fēng)化層，且地下水豐富，地下水位較高，噴涌的風(fēng)險，且盾構(gòu)機在砂層中掘進(jìn)時對刀具磨損較快，增大了開倉換刀頻率。同時該地層屬于軟弱地層，容易塌陷，且在始發(fā)和到達(dá)段附近，隧道埋深較淺，維持倉內(nèi)土壓（或氣壓）平衡，快速通過。4.2渣土改良劑種類注改良添加劑，其具體功能如下：①對于富含水砂層，一方面止水，另一方面可由于改良劑中的微細(xì)氣泡可以置換土顆粒中的孔隙水，因而可以達(dá)到止水效果。目前常用的渣土改良劑包括膨潤土、泡沫劑、高分子聚合物、增粘劑等，不同種類改良劑的適用范圍和改良效果有很大差別，具體見下表4-1。表值，值粘值值粘0.2Pa·s2.0Pa·ss4.3泡沫劑的應(yīng)用在實際操作過程中，通過調(diào)整螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，可以調(diào)整土倉內(nèi)土壓力，一種“塑性流動狀態(tài)”。1、發(fā)泡劑的使用量參數(shù)主要取決于三個參數(shù)：稀釋液濃度(x)、發(fā)泡倍率(FER)、注入率(FIR)①稀釋液濃度(x)稀釋液中所含發(fā)泡劑原液的比例，一般取值為2%～5%。②發(fā)泡倍率FERFER=泡沫體積/稀釋液體積，一般取值為8～15③注入率FIRFIR=泡沫注入量/開挖土方量。即注入泡沫體積總量與刀盤切削的原狀巖土的實方比，通常取值20～45%。表土層粘土20～35％25～35％30～45％35～60％100%砂、粘土混合物砂、礫石性土砂性土巖石2、泡沫用量計算①泡沫流量Q：Q=A*V*FIR（1）FF泡沫總流量，以L/min為單位，式中，隧道開挖面積，A=3.14*(8.84/2)*(8.84/2)=61.3m；2盾構(gòu)推進(jìn)速度；注入率。②稀釋液流量QL：Q=Q/FER=A*V*FIR/FER（2）LF泡沫劑原液加水稀釋后的混合物，通常按照2～的比例進(jìn)行，以L/min為單位;式中，——盾構(gòu)推進(jìn)速度；——注入率；FER——發(fā)泡倍率。則：原液流量＝Q*x（x=稀釋液濃度）L③壓縮空氣流量QA：Q=Q-Q=A*V*FIR*(P+1)*(1-1/FER)（3）AFL即注入壓縮空氣的流量。式中P=空氣支持壓力（相對壓力，一般P=0.2～0.3MPa）3、本工程泡沫劑用量計算根據(jù)本工程實際情況確定以下參數(shù)：盾構(gòu)機開挖直徑R=8.84m，故A=61.3m2；盾構(gòu)機推進(jìn)速度取V=0.03m/min。稀釋液濃度x=3%；注入率；發(fā)泡倍率FER=10空氣支持壓力P＝0.3MPa按照公式（1）:Q=A*V*FIRF求得泡沫流量Q=643.7L/min；F按照公式（2）:Q=A*V*FIR/FERL求得稀釋液流量Q=64.4L/min；L按照公式（3）:Q=A*V*FIR*(P+1)*(1-1/FER)A求得壓縮空氣量Q=2.317m3/min；A原液流量Q=Q*X=64.4L/min*3%=1.932L/minL掘進(jìn)1米所需時間：1/0.03=33.33min每米用量為：33.33*1.932=64.39L每環(huán)用量為：64.39*1.6=103.0L4、中控室電腦顯示操作：圖圖圖4.4膨潤土的使用件和膨潤土品質(zhì)進(jìn)行試驗，以確定最佳配比。盾構(gòu)施工用膨潤土必須保證膨潤土的質(zhì)量，嚴(yán)禁膨潤土泥漿中含有硬質(zhì)顆粒，以防損壞中心回轉(zhuǎn)體或卡死刀盤泡沫管路中的止回閥。4.5兩種改良方式適用地層適合使用膨潤土改良的地層，（1）細(xì)粒含沙量少的土體，膨潤土泥漿能夠性；（2）透水性高的土體，在高透水性土體中膨潤土泥漿較易滲入，并形成具有氣密性的泥模，可有效改善渣土噴涌。本工程中，里程DK32+260~DK34+500洞身范圍地層主要為弱風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖（2240m），用膨潤土泥漿對渣土進(jìn)行改良較為適合。適合使用泡沫改良的地層，（1）泡沫更適合于顆粒級配相對良好的土體，23本工程中，前面800m左右和尾段500m左右上部為砂層、淤泥層及全/強風(fēng)化砂巖和泥巖，使用泡沫劑改良能取得較好效果。五、防噴涌措施可知，線路洞身地層前800m左右主要為砂層、淤泥層及全/強風(fēng)化砂巖和泥巖，中間，尾段500m左右上軟下硬地層，上部為強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖，下部為弱風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖。砂層滲透系數(shù)大，難以形成封閉空間，較易發(fā)生噴涌。噴和管片四周的土、砂帶出，造成地表沉降、塌陷，管片漏水、移位等施工事故。5.1噴涌產(chǎn)生原因地層條件、水壓、掘進(jìn)參數(shù)是噴涌發(fā)生的決定因素，在砂層、砂卵石等敏感地層，地下水的通路沒有阻斷，泡沫劑或膨潤土易稀釋，土體改良效果差，未能有效改變土體的滲透性．在水流量大或水力梯度大的情況下，極易發(fā)生噴涌。滲流水便在忽然降低的壓力下帶動正常輸送的砂土噴涌而出。5.2防止噴涌措施（1）嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，注重同步注漿，裂隙水發(fā)育的情況下，要分段做止水環(huán)，避免水路連通；（2）認(rèn)真分析勘探資料，在隔水層缺失的地層掘進(jìn)要嚴(yán)格控制土倉壓力，以免噴涌發(fā)生后土壓難以建立，引起地面的塌陷；（3）避免停機后開啟螺旋輸送機閘門引發(fā)的噴涌，在停機時要嚴(yán)格判斷土倉壓力顯示的是土壓還是水壓；（4）做好施工工序安排，減少盾構(gòu)機停機等待的時問，從而減少土倉內(nèi)的積水；（5）控制每環(huán)的出渣量，在停機時適當(dāng)建立土倉內(nèi)的土壓，使之大于停機處地層的水土壓力，必要時可通過泡沫管路向土倉內(nèi)適當(dāng)加入壓縮空氣。5.3噴涌發(fā)生時的處理措施（1）分析噴涌原因內(nèi)渣土的水量不能控制？則應(yīng)首先通過管片二次注漿確定切斷水從管片后部匯流所致，再嘗試以泡沫會膨潤土方式隔阻掌子面來水（2）在螺旋輸送機停止旋轉(zhuǎn)并且螺旋輸送機后艙門開度無論如何調(diào)節(jié)仍無（3（4）螺旋出土器出料口可以用滑動閘門關(guān)上，然后向土艙內(nèi)注入添加劑進(jìn)動關(guān)閉的緊急功能，以防出現(xiàn)噴涌的時候恰逢停電，造成不可預(yù)料的事故。六、防結(jié)泥餅措施進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)突變，使施工效率大大降低。6.1泥餅的成因（1）地層原因隧道穿越的復(fù)合地層多為全/強風(fēng)化的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖，這幾/（2）盾構(gòu)機刀盤和刀具的影響式、數(shù)量也是泥餅產(chǎn)生的因素。刀具布置不合理會導(dǎo)致切削下的砂土塊度不均、為26%，開口率較低，在掘進(jìn)過程中要采取有效措施防止泥餅形成。（3）施工控制因素結(jié)泥餅的一個不可忽視的因素，歸結(jié)為以下幾條:a)未能正確判斷復(fù)合地層下的盾構(gòu)掘進(jìn)模式過螺旋機排出，在土倉內(nèi)堆積擠壓，密實度和密度越來越大，最終形成泥餅。b)掘進(jìn)施工中砂土改良不到位為改善切削砂土的和易性(干稀度、流動性)，通常在刀盤和土倉內(nèi)加入水、斷失誤，對加入的改良劑的濃度配比、注入壓力、注入量等掌握不準(zhǔn)，導(dǎo)致砂土得不到很好改良，促成泥餅產(chǎn)生。c)盾構(gòu)機械維護(hù)保養(yǎng)問題塞，無法適時按量加入泡沫劑，砂土和易性得不到有效改良。6.2防結(jié)泥餅施工措施(土倉側(cè))及對螺旋機喂料，減少泥餅的形成。在施工中將采取如下措施：(1)粘性土地層砂土的土體改良土倉中土體壓實結(jié)密的可能性、減少掘削土體與盾構(gòu)機刀盤及結(jié)構(gòu)間的粘著力，的土體改良劑——泡沫，進(jìn)行土體改良，以減小土體粘性度和粘著力。(2)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定產(chǎn)生的機率。(3)土壓力傳感器的設(shè)置500×10/700×10漏斗法對土樣-6-612s良砂土的和易性。(4)控制循環(huán)水溫度是刀盤冷卻系統(tǒng)的主要介質(zhì)。當(dāng)外界氣溫高于30℃、隧道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的功能較的溫度，必要時需使用冰水。(5)快速均衡施工盾構(gòu)施工要求“連續(xù)、快速、穩(wěn)定”，長時間的停機會導(dǎo)致土倉內(nèi)土壓逐步升高、流動性減弱、刀盤及刀具板結(jié)泥餅的可能性增加；掘進(jìn)速度太慢，生成泥餅的可能性越大。(6)定期開艙、清艙及時、徹底清理。七、質(zhì)量安全保證體系7.1組織架構(gòu)圖7-1質(zhì)量管理架構(gòu)圖：7.2安全保證措施應(yīng)確保渣土改良過程安全可靠，主要安全保障措施如下：（1）膨潤土的運輸、拌合、發(fā)酵過程要注意安全；（2）泡沫劑垂直與水平運輸?shù)囊ＷC安全；（3）傷；（4）渣土改良過程中要注意避免造成機械傷害。7.3質(zhì)量保證措施粒，否則極易造成堵管。為控制改良劑質(zhì)量，應(yīng)做好一下幾點措施：（1）保證膨潤土材料的質(zhì)量；（2）嚴(yán)格按照配合比拌制，并保證膨潤土膨化時間；（3）當(dāng)確定使用膨潤土泥漿改良時，要保證每環(huán)注入量；（4）保證泡沫劑的質(zhì)量；（5）使用之前進(jìn)行試驗，確定最佳稀釋比例、發(fā)泡率以及相應(yīng)的半衰期；（6）果和堵塞系統(tǒng)管道。目錄編制依據(jù)........................................................1一、工程概況....................................................1二、工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件..................................12.1地形地貌................................................12.2工程地質(zhì)條件............................................12.3水文地質(zhì)條件............................................3三、設(shè)備配置....................................................33.1泡沫系統(tǒng)................................................33.2膨潤土系統(tǒng)..............................................5四、渣土改良方法................................................54.1渣土改良必要性..........................................54.2渣土改良劑種類..........................................64.3泡沫劑的應(yīng)用............................................64.4膨潤土的使用............................................94.5兩種