公开讲课盾构施工带压开仓泥膜护壁新工法()

目录材料特性二配制工艺三泥膜护壁工艺四案例分析4五背景一展望4六背景一困境富水断裂带开仓作业（全国累计15人死亡）滞排沉降、塌方频发……有没有更好的解决办法？寻路十二年前竺总提出如何解决“滞排问题”和降低开仓作业风险；五年前广州地铁盾构技术研究所提出从材料、设备和工艺方面解决上述工程风险建议；2013年11月联合佛山泰利斯材料厂家进行联合开发；2014年4月确定材料研究方向，开始材料配方研制；2015年3月进行材料配比及性能研究，进行配比优化试验150多次，竺总正式命名为“衡盾泥”；2015年7月全国范围内调研“衡盾泥”搅拌、混合、泵入设备；2015年9月分别在福州、广州、兰州等6个工地试用泥膜护壁工法，均取得初步成果。-2016年4月材料特性二51、衡盾泥定义衡盾材料是一种以无机粘土为主要材料，通过改性后与增粘剂反应形成一种高粘度的触变泥浆，具有良好的和易性和粘附性，在水中不易被稀释带走，成膜稳定，附着力好，是一种绿色环保材料。在盾构机掘进的施工过程中，如遇到复杂的地质环境：全断面砂层、岩层裂隙发育的断层破碎带、砾卵石地层、江底贯通地层，采用传统的泥膜护壁法难以达到保压效果，衡盾泥浆体泥膜护壁简化了常规泥浆制作稠度分级，具有一定的时效耐用性，封闭保压效果稳定，能满足保压开仓作业的需要。该材料黏附力强，包裹性好，能够解决大粒径卵石地层中的“滞排”问题。5产品组份：本产品为双组份配制材料，分A组份和B组份，A组份为干粉料，B组份为液体材料。应用范围：①带压开仓作业的泥膜护壁和仓内保压；②掘进中将砾卵石裹携排出，防止滞排；③掘进中地层水量较大时可控制喷涌；④在复杂地层中掘进时，可调整盾构机姿态，控制地面沉降；⑤在始发和到达时，稳定端头土体和止水。技术参数项目技术指标观察时间min15min~45min浆体粘度dpa.s未增粘前浆体粘度10~90增粘后浆体粘度350~600塌落度cm4.5~22.0增粘后浆体载荷能力≥1.5kg/cm2比重g/cm31.3~1.2失水率%29.4%~47%（在恒温30°）附着力（级）1~7级（恒温40℃）2、衡盾泥材料技术参数a、隔水性3、衡盾泥材料工程特性b、裹携性c、与不同介质的附着力d、承载力e、保水性及可逆性衡盾泥配制工艺三1、配制要求：a、根据地层的地质条件和掘进要求，选用适当粘度的衡盾泥浆体配比b、配制流程：称重A组份→加入需用的水量→充分搅拌均匀（要求无结团微粒）→（反应30分钟~24小时后）→将配比用量的B组份加入A组份浆体中→在搅拌桶中均匀搅拌→混合→泵送至土仓A组份：水=1:1.5~1:3.0（浆体）A组份：B组份=12.5:1~20:1立式搅拌筒：容积约1.3m3，2、A液搅拌广州工地2：通过台车上同步注浆罐，利用管漏形式倒入卧式搅拌槽内进行混合，每次1-2m3，2min后目测到达效果。3、A液与B液混合情况4、推荐配套设备高速立式搅拌筒同步注浆罐内混合，每次1-2m3整套衡盾泥搅拌设备衡盾泥泥膜护壁工艺四衡盾泥材料用于泥膜护壁工艺操作流程止水封堵渣土置换盾构机后退分级加压浆气置换1、实施例1福州某区间过江隧道，采用德国海瑞克φ6450复合式土压平衡盾构机。因盾构机在江底段因遇到碎块状岩石刀盘被卡，并发现盾构3把掉落刀具（小刮刀），需要开仓检查。盾构机停机位置距离北岸月30米，盾构机埋深约18m，顶部为5-3中粗砂层，上部为15散体状强风化岩层、16碎块状强风化岩层，下部为17中风化岩层。盾构土仓与闽江水已贯通；受江水影响，每天形成4-5米左右潮汐差。使用浆车运输并直接泵送衡盾泥材料通过土仓隔板上10点钟位置预留孔灌注衡盾泥1.1衡盾泥泵入情况通过螺旋输送机置换排渣情况渣土置换情况1.2衡盾泥置换排渣情况本次注入49.8m3，排渣28.6m3，渣土置换耗时25小时。1.3衡盾泥保压情况1、根据水土压力分算原则，并考虑潮汐影响，计算开仓压力为2.5bar，衡盾泥开始加压至3.5bar为止，加压期间，压力波动值控制在3.0-3.5bar之间。2、渣土置换完毕后，开始进行加压过程，一共动态保压45小时，补浆150次，累积灌入2.5方，平均16.6L/次，平均间隔18分钟/次，平均0.92L/分钟。控制土仓压力可以稳定在3.5bar超过6小时为止。1.4开仓情况衡盾泥对松散地层黏附力较强，对于岩层等稳定地层黏附力较差，开仓作业时，转动刀盘容易被剥落。2实施例2该区间左线盾构机出现开挖直径不足现象，需要开仓检查及更换刀具。刀盘处上覆土16.9米，自上而下依次为：1素填土（约3.8米），4N-2粉质黏土（约3.2米），3-2中粗砂（约3.5米），4N-2粉质黏土（约1.5米），3-2中粗砂（约2.7米），4N-2粉质黏土（约1.3米），洞身范围上部5.2米为7-3全风化泥质粉砂岩，下部1.1米为9-3微风化泥质粉砂岩；属于典型上软下硬地质情况。3.1渣土置换及“洗仓”步骤设定假设开仓工作压力2.0bar。置换过程时，控制土仓上部压力在2.0~2.5bar范围内，可以缓慢转动刀盘。同时，应避免压力过度波动扰动地层。利用同步注浆系统完成衡盾泥注入，一共注入36.7方，排渣29.8方。3.2盾构机后退置换完成后，可回缩推进千斤顶使盾构机后退5cm左右，便于更换刀具及在刀盘与掌子面之间建立5cm左右的泥膜。a、控制刀盘的低速旋转（刀盘转速0.1-0.5r/min），在确保压力稳定的情况下，边后退边注入衡盾泥，促使加厚了刀盘前方的衡盾泥厚度及均匀度，形成“泥墙”。b、加强地面沉降监测，避免沉降过大。为了使衡盾泥能更加有效的填充渗透，在排土压气前进行衡盾泥梯级加压试验。a、衡盾泥压入从2.0bar压至2.8bar，共分四个梯次压入，每个梯次的压力为0.2bar，即2.0~2.2、2.2~2.4、2.4~2.6，2.6~2.8，每个梯级共两个小时的动态注入，过程中可以低速转动（0.1-0.5r/min,转半圈），以保证注入和渗透的均匀性。b、当注入压力达到2.8bar梯级的时候，进行12个小时的动态保压（2.8bar)注入试验。3.3分级加压步骤3.4浆气置换步骤a、分级加压后，即可进行排土换气作业，为保证螺旋机能够正常出土，b、加气排土阶段，以0.2bar为一个压力阶梯压力，每个下降阶梯须稳压2小时，波动控制在±0.1bar左右，开仓压力时，需稳压6小时。c、排土时控制不能转动刀盘，并防止螺旋机出土时，产生负压，破坏衡盾泥泥膜的整体性。a、浆气置换以后，在开启samsons气压系统情况下，至开仓工作压力能够稳压6个小时，并满足空压机加载时间小于其待机时间的10%，则认为衡盾泥泥膜护壁完成，否则应重新制作泥膜。b、现场必须对衡盾泥置换、分级加压、浆气置换过程中具体泄压时间、衡盾泥补注量的详细记录情况，综合分析，并确定是否具备开仓条件。以上两个条件缺一不可。3.5开仓作业标准3.6开仓情况51、工程概况兰州某区间右线长1128.097m，区间隧道穿越地层大部分为全断面3-11卵石层，3-11卵石层：灰黄色、青灰色，饱和，局部夹有薄层或透镜状砂层。粒径大于200mm的漂石、卵石平均含量占64.53％，一般粒径20mm～60mm，最大粒径为500mm；粒径2mm～20mm的圆砾平均含量占14.82％；水位埋深为3.12～11.65m，主要受大气降水、地表水入渗以及黄河水补给，以迳流与地下越流方式排泄。地下水丰富、渗透系数大（渗透系数：65-72米/天）。案例分析4五5盾构掘进至750环位置时，需要开仓检查更换刀具。停机位置为富水大粒径卵石地层，土体灵敏度高，受扰动易发生坍塌，刀盘位置隧顶埋深32米，洞身范围地层为3-11卵石层,水头高度16米，开仓作业压力设定为2.5bar。5本次开仓距离上次换刀共计推进137环，穿越地层为全断面3-11卵石层。正常推进过程中，速度为10~30mm/min，土仓压力2.5bar，扭矩2000~3500kN.m，推力11000kN~14000kN。掘进至730环开始，刀盘扭矩波动增大，多次出现刀盘卡死、螺旋机卡死现象，螺旋机喷涌现象比较严重，掘进过程中发现有正面刮刀及断裂滚刀从螺旋机排出。5a、采取洞内拌合方式；b、试用自带膨润土箱进行衡盾泥A液拌合搅拌。c、A液拌合好后泵送到同步注浆罐与B液混合，再通过同步注浆系统注入土仓。d、采用配比：A粉：水=1:2（质量比）A液：B液=15:1上料口2、衡盾泥现场拌制情况5A液拌制情况A、B液混合塑化后的衡盾泥5a、置换渣土前，利用双液浆对脱出盾尾3-7环管片注浆止水；b、并通过前体径向孔向盾体外侧注入衡盾泥3.5m3，对盾体进行包裹；c、衡盾泥注置换土仓通过同步注浆系统在土仓隔板1点、3点和11点位置球阀注入。d、共计注入衡盾泥材料约36m3，排出渣土约15m3。3、衡盾泥渣土置换5a、采用梯级加压，每级0.2bar。即2.2-2.4，2.4-2.6，2.6-2.8，2.6-2.8，2.8-3.0，3.0-3.2，3.2-3.5bar。前面5级动态稳压2小时，最后一级3.2-3.5稳压12小时以上。b、加压过程中回退刀盘8cm，便于在刀盘前方形成一定厚度泥墙。序号土仓压力变化范围稳压时段（min)补注衡盾泥量（L)(按冲程计算）动态稳压时间（min)备注12.2-2.417:47-21:11021022.4-2.622:00-6:1050.848032.6-2.88:46-12:4525.613042.8-3.012:46-15:4038.113053.0-3.215:41-19:3238.111063.2-3.521:00-9:56393.77204、分级加压5a、29日12:00-13:30进行气压置换衡盾泥，共计排出衡盾泥约8m3，排置换过程转动刀盘约5min，转速0.1r/min；b、打开前体胸板上部球阀检查有气体排。根据位置判断土仓内渣土位置位于10点位置，停机打开samsons系统保压2.5bar稳压在12h以上。5、浆气置换5初次压气进仓检查结果，刀盘切口环位置、刀盘背板位置衡盾泥材料覆盖情况良好，泥膜效果非常明显，仓内无渗漏水现象。10点钟方向脱落滚刀刀箱位置前方掌子面有部分衡盾泥材料，10CM左右厚度。6、开仓效果情况a、衡盾泥扩散范围本次衡盾泥材料共计注入36m³,置换过程出渣15m³，另有约4m³材料填充至切口环、护壁刀盘背板及覆盖土仓内剩余渣土表面，剩余17m³材料推测扩散填充至盾体周圈及之前盾构掘进过程中超挖而形成的松散体或空洞中，以致在盾构机刀盘上方形成衡盾泥材料填充层区域。b、泥膜及固结体情况后期滚刀更换过程中，对掌子面进行了掏空作业，3点钟、9点钟位置掌子面掏空作业50CM，渣土干燥无水，部分需用羊镐或风镐凿除，固结强度估测5-10Mpa。推测：衡盾泥材料中的微细颗粒在渣土置换过程及分级保压过程中渗透至人为固结体中及掘进过程中刀盘扰动地层而形成的松散体中，最终形成较为致密的结构体，该构造气密性及隔水性较之人为固结体更为良好。c、衡盾泥材料有效时间表观现象：据进仓情况发现，压气进仓作业4天左右时间可见切口环位置有裂纹现象，分布较少，并不密集，人工重新涂抹。实际效果：此次压气作业时间共计38天，压气进仓180仓，除初期更换正面滚刀过程中进行过人工涂抹补强工作外，其余时间未做任何处理。衡盾泥作用情况下的固结体区域土体稳定无坍塌，压气作用下区域干燥无水，固结强度高.。展望4六1、配套设备的研制2、其他用途序号产品名称所起作用工作方法备注1衡盾泥1号控水作用：通过盾体径向孔注满盾体与围岩之间的空隙隔绝盾体前后水通道。盾构径向孔、注浆泵2衡盾泥2号排渣作用：盾构出现滞排时，悬浮、裹携大颗粒物排出。利用膨润土管注入3衡盾泥3号防喷作用：土压平衡过砂层时，渣土改良、防喷涌。利用膨润土管注入4衡盾泥4号控制沉降和防塌方作用：径向孔注入5衡盾泥5号纠偏作用：盾构姿态异常时，加固盾体外地层，实现纠偏。盾构径向孔、注浆泵、微型固定装置6衡盾泥6号止水、补强作用：盾构始发到达时，