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浅述泡沫注入工法在盾构法隧道施工中的应用

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  摘要:在隧道工程中,盾构法是一项极为有效的施工技术,目前应用于盾构法隧道工程中的盾构机也种类繁多。本文中介绍了泡沫注入工法在土平衡盾构机隧道施工中的应用。
  关键词:土压平衡盾构机;泡沫注入工法;操作模式
   中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号:
  
  一、土压平衡盾构机隧道施工
  1.复合式土压平衡盾构机
  通常在盾构法隧道施工过程中采用复合式土压平衡盾构机比较普遍。其工作的原理是向掌子面土体中注入泡沫剂和膨润土等塑性材料,使其与切削下来的土体充分搅拌,形成具有一定透水性的塑性体。同时,在掘进过程中还要对盾构机的推进速度和螺旋输送机向外排土的速度进行匹配控制,塑流体向开挖面传递设定的平衡压力,从而保证盾构机在推进过程中始终保持动态平衡状态。因为这种复合式土压平衡盾构机,可以根据不同的土层条件来设计和配制出合适的泡沫剂,所以比较适合应用在复杂土层的隧道工程中。
  2土压式平衡盾构机施工技术要点
  土压式平衡盾构机有三种模式,包括敞开式、半敞开式和土压平衡模式。在对掘进模式进行选择时,我们应该根本地层的不同条件特征来选择。通常情况下,对全断面岩层掘进时,我们可选择敞开式掘进模式,并使用泡沫剂对渣土进行改良;而对于存在软弱层的复杂地层,则可选择土压平衡模式,并采用泡沫和适量的膨润土对渣土进行改良。采用此种模式时,土仓的压力不用过于频繁调节,只要保证土仓压力略高于掌子面的土压和水压力和即可;对于处理砂卵石或者上软下硬的土层,由于土层比较复杂,则同样需要采用土压平衡模式来掘进,因为在这种复杂土层掘进时控制土仓压力较难,所以掘进时必须认真对待每个环节。
  二、泡沫注入工法在盾构法隧道施工中的应用
  1 泡沫注入工法概要
  泡沫注入法工法是指使用特殊的发泡材料制作成泡沫,随着盾构机的掘进,同时将泡沫注入刀盘或盾构机土舱内的施工方法。注入的泡沫增加了切削土的流动性和止水性,而且能防止切削土粘附在土舱内,保持了刀盘切削面的稳定性,使盾构机能顺利地掘进施工。另外,在排出渣土中的泡沫,根据条件将自然消泡,如果出现不能自然消泡的情况,则需要加入特殊的消泡材料,使排出渣土能恢复泡沫注入前的状态,以便于渣土处置。
  2 泡沫注入工法的特点
  2.1 增加切削土的流动性
  当在砂砾地层中盾构机掘进时,由于泡沫注入的效果,使切削土的流动性得到提高,土舱内不致被砂砾阻塞,刀盘和螺旋输送机的运行扭矩能够减小,掘进施工能够顺利进行,同时设备也可得到保护。
  2.2 防止切削土粘结在土舱内
  盾构机在硬质粘土地层中掘进时,由于泡沫的注入,减少了粘性土的粘结性,能防止切削土粘结于盾构机刀盘面板和土舱的内壁,避免了堵舱现象的发生。
  2.3 有良好的止水性
  细微泡沫的注入,置换了土体粒子间隙中存在的地下水,使切削土的止水性得以提高,能够防止螺旋输送机的喷水现象。
  2.4 保持掘进施工的稳定
  由于泡沫具有压缩性,因此掘进土压力的变动很少,切削面比较稳定。
  2.5 排出渣土的运输和处置较容易
  注入泡沫后排出的渣土其复原性能基本与原状土体相同,未增加渣土的含水率及泥水,对于渣土的运出和处置不会再增加困难。
  2.6 作业环境保护良好
  使用泡沫后,不使用粘土或膨润土,保持了施工作业区不被污染,施工环境良好。
  2.7 设备规模小
  泡沫制作设备和注入设备规模较小,易于搬动,在盾构机内占用空间体积也少。
  3 适用范围和使用材料
  泡沫注入工法适用于砂砾层到粘土层。但在每一个工程施工时,应根据不同的土质选用适当的特殊发泡剂。
  泡沫注入工法中主要的使用材料是特殊发泡剂和特殊消泡剂。所有这些材料必须根据现场调查和室内试验结果,确认其安全性和无公害性,才能使用。
  4 泡沫加工设备及功能
  发泡材料制成设备:添加剂散布设备发泡剂溶解槽,贮存槽、输送泵等。
  泡沫注入设备:发泡材料注入泵、空气压缩机、发泡材料注入控制装置、泡沫发生器等。使用时,将发泡剂与水按设计的配比在溶解槽内混合溶解,根据需要散布适量发泡添加剂制成发泡材料,然后泵送到贮存槽,再通过发泡材料注入泵、空气压缩机、泡沫材料注入控制装置,将发泡材料送入到泡沫发生器生成泡沫,通过可控球阀、操作控制元件及管路送入到刀盘面板的注入孔、土舱内的注入孔以及螺旋输送器的注入孔。注入量根据掘进速度、土压力等参数及相关的公式来调节。操作模式可设计成手工、半手工或自动方式。
  5 工程实例
  南京地铁三号线天元西路站—清水亭西路站—诚信大道站区间隧道工程,长 2250m 和 1345m,隧道纵坡 18‰~ 27‰, 平曲线半径 350~ 800 m,覆土厚度约 11~ 16 m,隧道管片外径 6200 mm,内径 5 500 mm,环宽 1 200 mm,错缝拼装。该工程隧道穿越的地层从淤泥质粘土到粉质粘土、粉砂夹粉土,地质变化大,基本以粘性土为主且含水量高。水文地质情况也比较复杂,地下水主要为孔隙潜水与微承压水,勘察期间,混合水位埋深 1.60~ 2.65 m。根据上述的地质条件,考虑到使用泥水平衡盾构机将有排出泥水处理的困难和切削面的不稳定性等问题,所以选用了土压平衡式盾构机进行施工。
  但在这样的地质情况下,即使用土压平衡式盾构机掘进,切削的土仍易在土舱内滞留和固结,导致盾构机推力的增加,也有可能发生喷水现象。为在增加切削土的流动性和止水性的同时能防止切削土的粘附性,以及减轻刀盘扭矩等的机械负荷,本次盾构掘进施工中,采用了泡沫注入工法。
  本工程盾构机采用德国海瑞克公司制造的土压平衡式盾构机,该盾构机配备有泡沫注入系统。泡沫发生器自动运行,4根独立管路分别把泡沫注入不同位置,一般以注入刀盘前部为主,泡沫槽容积 1m3,管路上有一段是透明的,可供观察。
  在泡沫发生器工作的过程中,可以设定泡沫剂与水混合的比例,在正常掘进状态下,一般不需要对该值做过多的调整,在许可的范围内,通常取较高值为 1:8, 只有在扭矩长时间过大,而单靠调整流量又难以降低扭矩的情况,才需进行调整,此时可调到 1:6。
  泡沫注入系统有三种控制方式:分别为自动、半自动及手动。在正常掘进状态下,若使用自动状态,泡沫的用量比较大。由于盾构掘进沿线土质情况时有变化,而采用手动控制就可以节省泡沫的用量,因此,在掘进过程中,一般要求盾构驾驶员采取手动控制方式,主要根据刀盘的扭矩,千斤顶的顶力以及出土的情况三项参数来调整泡沫注入系统的流量。当观察到出土的含水量过高时,应马上适当调整泡沫的注入量,本工程在砂土地层中的泡沫用量为 60~ 120 L/m。
  工程实践证明,在整个区间掘进施工中由于使用了泡沫注入,刀盘的扭矩和推力都有明显的下降,泡沫注入率的设定适当,使切削面的土压稳定,螺旋输送机喷水现象没有发生。排出的渣土也不需作固化处理,可用翻斗运土车顺利运出、处置。
  6 结 语:在盾构掘进中使用泡沫注入工法,是一项全新的工艺改进,除在南京地铁工程中应用而外,还在深圳地铁1 号线区间隧道盾构法施工中应用过,效果也很好。施工时应根据地质条件的不同,选用不同的发泡剂的配比用量和泡沫注入工艺,即具有针对性,才能起到最大的施工和经济效果。
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