复杂条件下土仓回填换刀技术

发表时间:2015/9/15   来源:《工程建设标准化》2015年5月总第198期供稿   作者:王志才
[导读] 中铁十六局集团有限公司 随着城市轨道的飞速发展,盾构施工的风险越来越多,其中盾构刀具更换风险更是越来越突出。

王志才
        (中铁十六局集团有限公司,100018)
        【摘 要】在盾构掘进过程中,盾构刀具磨损严重,但由于地质及地面条件限制,无法直接常压或压气开仓,本文对复杂条件下的土仓回填换刀技术进行了分析和总结,以供后期类似工程项目参考。
        【关键词】复杂条件;土仓回填;常压;换刀
        引言
        随着城市轨道的飞速发展,盾构施工的风险越来越多,其中盾构刀具更换风险更是越来越突出。各种不良地质导致无法实现常压开仓换刀,必须采取压气作业、地面加固等一系列的辅助措施才能保证刀具更换的安全,然而在压气施工不成功和地面不具备加固条件时盾构换刀风险更大,土仓回填常压换刀技术将为此提供一个新的解决方式。
        1 工艺定义和适用条件
        1.1 土仓回填换刀工艺
        土仓回填换刀,是指将水泥砂浆填充到土仓内,压注的水泥浆扩散到掌子面周围土体内在刀盘的四周形成一定的加固体,在加固体稳定的条件下开仓清理土仓并进行刀具更换的一种工艺。
        1.2 土仓回填换刀工艺适用条件
        1、开挖面的围岩自稳性差,常压和压气换刀可能不成功;
        2、地面情况复杂,无加固施工场地;
        3、能压气作业,但刀具磨损严重须进行明火作业,存在作业危险。
        2 工艺流程
        2.1 工艺流程


        2.2 准备工作
        1、材料设备准备棉絮,钢丝软管及接头,球阀,注浆泵(含管),聚氨酯,丙酮,钢钎,剪刀,裁纸刀,铁丝,堵漏灵,1 寸胶管, 0.75kw 污水泵,2 寸消防管,水泥,砂,水。
        2、现场准备
        (1)调整刀盘位置,缓慢转动刀盘,尽量保证6 点和12 点位置无滚刀,以防造成清仓换刀困难。
        (2)通过前盾和中盾径向孔注水溶性聚氨酯,防止浆液裹住盾体使用气动泵注入水溶性聚氨酯,注入前使用丙酮清洗管路,清洗完管路连接盾体径向孔球阀(球阀处于关闭状态),开始注入时当管路中充满聚氨酯后再打开盾体径向孔的球阀,控制好好聚氨酯注入量,每点位注入约60kg,尽量保证聚氨酯不要流到土仓内。
        (3)泡沫管内注入膨润土,并保持一定压力防止浆液回灌到泡沫管内。
        (4)关闭土仓加气系统的阀门,防止浆液回灌到加气系统中。(5)向土仓内注入浓泥浆(建议浓度40s 左右),保持仓压。
        2.3 土仓回填
        1、使用盾构机自带同步注浆机,将水泥:砂:水=400kg:300kg:470kg 的水泥砂浆从3 点位和9 点位的球阀向土仓内加注,同时打开12 点位球阀缓慢释放空气和泥浆,直至排出砂浆。用水泥砂浆置换空气时,将仓压保持在一定压力(与掘进时土压接近)。
        2、待砂浆初凝后(约12-24 小时,通过泄压孔处钢钎确定砂浆强度),使用二次注浆机(气动或电动注浆泵均可),将水泥:水=1:1或1:0.8 的水泥浆从10 点位的球阀向土仓加注,打开人闸位置的球阀缓慢释放土仓内空气。直至球阀流出浆液后,关闭阀门继续注水泥浆,并实行分级加压,直至将仓压维持在设定值(根据maag 公式确定),停止注水泥浆(中途如果地面冒浆,间隔一段时间后继续注浆,直至仓压满足要求)。
        3、土仓回填完成,从24 小时后开始,每隔2 小时通过泄压孔处判断浆液凝固强度,待浆液凝固后(约72 小时),开始常压换刀。


        2.4 回填土仓注意事项
        1、先行估算每一步骤的大概注浆量,当达到计算方量时需注意土仓压力以及排气口是否已排出浆液,从而决定下一步是否该进行补浆。
        2、根据地面沉降和冒浆情况进行补充注浆或停止注浆。
        3、填仓过程中需保持仓压的稳定,调节放气球阀开度,以保证仓内压力平衡;
        4、注意土仓压力及螺旋输送机压力变化,并注意地面巡查和沉降监测;
        5、填浆过程中要每隔一段时间(1 小时左右)反转螺旋机,防止螺旋机卡死。
        6、填仓过程中要注意保护泡沫口和samson 系统加气口不要堵塞;
        7、砂浆回填完成后,往螺旋机中注入膨润土。
        2.5 清仓换刀
        土仓回填完成后,常压条件下进人工清仓。开仓前进行气体检测,甲烷等气体检测浓度在规范许可范围内方能打开仓门进仓作业,如果浓度超标则通过人闸气孔进行气体置换直到检测合格。一般情况下,掌子面上部地层不稳定,因此选择从下往上进行刀具更换,即先把土仓清理干净再从下往上更换刀具。清仓时可将土仓分成以下分区,1、2、3、4,清仓时可根据实际情况选择清仓顺序,图示顺序1→2→3→4 可以最快的速度清理出螺旋机,并保证土体的稳定性,加快清仓速度,但由于操作空间较小,前期的清仓效率要比1→3→2→4 的顺序低。

        清 理完一个分区, 需要及时用厚度30mm 的木板挡住开口和滚刀刀箱位置,木板用槽钢等卡住,防止漏水漏砂造成填仓失败。换刀按2→4→1→3 的顺序由下向上进行,换刀时打开封板进行刀具更换(刀具更换与常压开仓更换完全一致),更换完成后重新封板。待全部刀具更换完毕恢复掘进前拆除所有封板。
        2.6 清仓换刀注意事项
        1、必须采用原位换刀,即不转刀盘的情况下进行刀具更换;
        2、清理土仓的过程中如果有漏水,及时用棉絮和堵漏灵进行封堵;必要时可采用水平注双液浆或聚氨酯等进行局部土体加固和封水;
        3、及时把换好的新刀的位置用棉絮糊住,封板;
        4、在土仓内水位较高时,使用小污水泵抽水到人闸外;
        5、清仓换刀过程中要派专人时刻注意掌子面的稳定,如果有失稳迹象,则人员立即撤出土仓,关闭仓门后注入高密度膨润土;
        6、清理出螺旋机口后,可以采用螺旋机进行出土,加快清仓速度;
        7、清仓过程中,检查泡沫口是否堵塞,堵塞则进行清理恢复。
        8、换刀完成后,从下往上,清理切口环部位。
        2.7、换刀完成恢复掘进
        1、换刀完成后,试转刀盘,刀盘转不动时,可以使用风镐从下往上进行破除阻碍部位(如切口、开口、刀箱等);
        2、盾体脱困时,可以从盾体径向孔注入膨润土浆液,减少盾体的摩擦力;
        3、刀盘脱困后,赶紧关闭仓门,建立仓压(可以采用膨润土浆液或气压)控制出土保持土体的稳定性,从低到高逐步恢复推进速度。
        4、工程实例
        广州市轨道交通九号线施工4 标土建工程,马鞍山公园站~莲塘村站区间左线里程范围:ZDK11+425.300~YDK12+631.350 总长1213.683m, 右线里程范围:YDK11+425.300~YDK12+631.350,总长1206.05m。本区间隧道覆土最大厚度8.5m,最小厚度7m。此区间的地质情况如下表:


        其中,上软下硬地层占全长20%,隧道上部为砂层的占全长68%,全岩占12%,勘察报告中岩溶发育42%,此区间掘进时遇到了以上不良地质,地面在迎宾大道上交通繁忙不具备地面加固条件,经实践证明,土仓回填换刀技术适用于此种施工条件。通过将区间地质相关数据代入公式,可以得出填仓地段砂层中浆液扩散2.2m 半径,所需注浆压力约为0.2MPa。据此区间已多次成功采用土仓回填换刀技术进行刀具更换,每次换刀工期约为13 天:回填时间约3 天,挖仓3 天,刀具更换7 天(视更换刀具数量,约1-2 把/天)。
        5 结束语
        复杂条件下的刀具更换一直是个难题,选择一种适合当时地质及地面条件的换刀工艺能保证换刀的工期和安全性,本文对复杂条件下回填土仓换刀工艺进行了分析和总结,希望对后期类似工程施工提供参考。
        参考文献:
        [1]王立彬、燕乔、毕明亮《粘度渐变型浆液在砂砾石层中渗透扩散半径研究》2010.9 中国农村水利水电
        [2]竺维彬、林志元等《广州市轨道交通三号线土建施工技术研究》 2010.11

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