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盾構在膨脹巖土中掘進的應對措施

發布日期:2020-01-29  瀏覽次數:220
 摘 要:膨脹巖土具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形性能,工程力學性質極不穩定,如果處理不當容易出現地面開裂、沉陷、隆起等工程病害。盾構機在膨脹系數較大的巖土層中掘進,一來很容易被遇水膨脹的土層“裹死”,導致姿態難以控制,輕則影響隧道成型質量,重則可能造成線路偏差超限;二來刀盤容易被粘性高的土體吸水膨脹后結泥餅“糊死”,造成刀盤溫度高、推力大扭矩小、速度小等現象,嚴重影響施工進度。本文通過工程實例介紹盾構機在膨脹巖土中掘進時遇到的難題和攻關過程,總結出盾構在膨脹巖土中掘進時的應對措施,以資同仁參考和指導。

關鍵詞:盾構 膨脹巖土 應對措施 
1.前言
膨脹巖土是一種特殊土,它是在地質作用下形成的一種主要由親水性強的粘土礦物組成的多裂隙并具有顯著膨脹性的地質體,具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形性能,即使在荷重作用下仍能浸水膨脹,產生膨脹壓力,同時該土還具有脹縮變形的可逆性,在吸水膨脹和失水收縮后,有再吸水再膨脹、再失水再收縮的特性,在反復膨脹收縮的過程中,能產生較高的膨脹力。由于其在土體中雜亂分布的裂隙及反復脹縮變形造成強度衰減的特性,所以常常給人類的工程建筑帶來嚴重破壞,造成許多地質災害。美國工程界稱膨脹土是“隱藏的災害”。日本工程界稱膨脹土是“難對付的土”、“問題多的土”。
2.工程及地質概況
廣州地廣佛線某標段為兩盾構區間,第一區間最小曲線半徑為1000米,最大縱坡為23.1‰。區間右線長度1504.140m,左線長度1331.173m(短鏈3.767m)。本標段采用德國海瑞克S337型土壓平衡式盾構機掘進施工。刀盤的最大切削直徑為6280mm,刀盤配置19把雙刃滾刀,64把齒刀和32把邊緣刮刀。
根據地質詳勘報告可知,此區間主要穿越的地層有<3-1>、<3-2>、<4-1>、<4-2>、<5-2>、<5-3>、<6>、<7>、<8>九個巖土層,膨脹巖土主要分布在粘土<4-1>層和粉質粘土<4-2>中,部分風化泥巖(<5-2>強風化泥巖、<5-3>中風化泥巖)也具有膨脹性。根據室內試驗,強風化泥巖<5-2>自由膨脹率平均為28%,膨脹力平均為45kpa,飽和吸水率20%;中等風化泥巖<5-3>自由膨脹率24%,膨脹力60kpa,飽和吸水率17%。膨脹巖除具有遇水膨脹和失水收縮的特點外,還有親水性強、膨脹率高、膨脹壓力大、強度低、崩解性強等特點。
3.膨脹巖土中掘進出現的情況及應對措施
3.1 刀盤結泥餅
3.1.2 現象及原因分析
盾構機掘進至<4-1>、<4-2>一段時間后,出現了“刀盤溫度高,推力大扭矩小,掘進速度慢”的現象,根據以往的施工經驗我們判斷可能是刀具磨損導致刀具的開挖面和貫入度減小,也可能是刀盤結泥餅所致。于是我們決定開倉檢查刀具情況。
  開倉后發現所有刀具均完好無損,但是刀盤面板上靠近掌子面一側的滾刀以及刀盤回轉體處均有結泥餅現象,如圖所示:
  
  圖1 滾刀結泥餅圖示
  
  圖2 刀盤回轉體處結泥餅圖示
  原因分析:
    1)地層地質因素
  盾構機所處地層為粘土和粉質粘土,此處土體為膨脹土。膨脹土為一種高塑性粘土,一般承載力較高,具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形的特性,當刀盤攪動土體時,破壞了其原有的平衡狀態,通過后方或上方來水,使土體內的水分增加。吸水后的膨脹土粘附在刀盤上,刀盤由于長時間切削土體溫度比較高,粘附在刀盤上的膨脹土高溫失水收縮,膨脹土的特性是在反復的脹縮過程中能產生較高的膨脹力,所以失水后的膨脹土再度遇水后就產生了更高的膨脹力,緊緊的粘附于刀盤上。這個過程不斷反復,使粘附于刀盤上的土體越來越多,直接減小刀盤對掌子面土體的切削,所以即便加大推力,掘進速度和刀盤扭矩也在下降,同時刀盤溫度升高,這更助長了膨脹土的脹縮特性,對泥餅有“燒結促成”的作用,如果不及時開倉處理,輕則刀具結泥餅,重則刀盤開口以及刀盤輻條和回轉體處被“糊死”。
  2)盾構機的刀盤、刀具系統缺陷
  盾構刀盤和刀具設計指導缺陷會導致掘進中“泥餅”的產生,其成因如表1所示。從表中可以看出,刀盤中心區開口率是結泥餅的重要因素,地鐵采用的三菱、小松、海瑞克等盾構機開口率多在33%~38%之間,可以認為33%是保證少結泥餅的開口率下限值。刀盤內的攪拌棒及輻條形式、數量也是另一泥餅產生的因素。刀具布置不合理會導致切削下的砂土塊度不均、滾刀磨損,進而降低掘進和排土效率,使其產生泥餅。
  表1 盾構機刀盤、刀具缺陷導致泥餅生成原因一覽
  盾構機部位泥餅生成原因
  ①刀盤——中心區域開口率太小
  ②刀盤——攪拌棒(包括主動、被動)數量少于6根
  ③刀盤——刀盤輻條橫截面呈方形,不夠圓滑
  ④土倉——土倉容積小于20m?,渣土臨時存放能力不足
  ⑤刀具——刀盤刀具平面布置不合理,有切削不到的盲區
  ⑥刀具——各型滾刀、刮刀布置高差小于20mm,層次不分明
3.1.2應對措施
  通過以上的原因分析和對膨脹巖土特性的進一步研究,我們總結出盾構在膨脹巖土中掘進時防止結泥餅的措施:
1.添加陽離子型添加劑
國內外現在常用的改良膨脹巖土方法是用石灰或石灰和粉灰摻拌改良,效果比較顯著,但是主要應用于路基施工,不適合于盾構施工。綜合膨脹土的特性和盾構施工的特點,我們通過添加陽離子型添加劑來改良膨脹土,增加渣土的塑流性,以防發生刀盤糊死現象。
1)膨脹土顆粒表面帶電性
粘土顆粒表面帶有負電荷,帶電的原因可以解釋如下:
①邊緣破鍵電荷不平衡。在一個理想晶體的內部,正負電荷是平衡的。但在外部邊緣處,結晶格架的連續性受到破壞,從而造成了電荷的不平衡。這些破鍵是粘土顆粒帶有凈負電荷,但在局部地方也會出現凈正電荷。
②同晶置換作用。硅氧四面體中的硅為或其他低價離子置換,三水鋁石八面體中的鋁為鐵、等所置換。置換后,粘土表面產生了過剩的未飽和的負電荷,使表面帶負電荷。
③水花解離作用。如次生二氧化硅表面與水作用,形成一層偏硅酸,偏硅酸在水中解離為H+及SiO2-3。H+向水溶液擴散,而硅酸根離子與二氧化硅晶格不分離,因而表面帶負電。實際上,粘土礦物是由三氧化二物(如三氧化二鋁或三氧化二鐵)和二氧化硅所組成,他的帶電性則較為復雜。三氧化二物具有兩性性質,即他的帶電符號隨水溶液的pH值而變化。
2)陽離子型添加劑的改良機理
據雙電層理論,結合水膜厚度的變化是膨脹土脹縮的主要誘因。膨脹土是以蒙脫石或蒙脫石-伊利石為主要礦物成分的高塑性粘土,土壤礦物表面帶有大量負電荷,當有機陽離子型土壤添加劑和它相遇后就會緊密結合,降低了土壤顆粒表面的吸附水膜厚度,電勢下降,使土壤顆粒進一步靠近,封閉各土團之間的孔隙,土的塑性降低,減少了吸水性和膨脹性,土對水的敏感性減弱,促進土粒的相互聚集,土粒經干燥不再受潮,使穩定土性能獲得提高。另外,因為該添加劑為有機陽離子化合物,它和土微粒結合后,膨脹土的陽離子交換量會大大減小,成為一個疏水微粒。
3)孔隙液體中鹽濃度的影響
  隨著孔隙水中氯化鈉含量的增加,同樣的初始含水量、初始干容重和粘粒含量條件下的圖樣其膨脹壓力都減小了。鹽濃度對膨脹性的影響趨于把其減小到一個定值。莫瓦菲等人曾指出,膨脹量的減小可能由于在低濃度電解質的情況下,粘土顆粒表面的變化引起。氯化鈉的摻加產生了大量的電解質,這些電解質沉淀可把他們迅速絮凝在一起的膠體中。顆粒尺寸的增大導致了總表面積的減小,從而吸水量減小了,最終膨脹性也就減小了。此外,對于鈣蒙脫土,如果用氯化鈉處理,當氯化鈉粒子被吸入蒙脫石的層間形成氯化鈣的時候,鈉和鈣離子之間的陽離子交換作用就發生了,從而阻止了水進入蒙脫石層間,因而也就減小了膨脹。
2、盾構機設計、選型方面的措施
設計盾構機時,應選擇適當的開口率(特別是中心位置),盡可能實現土體進倉順利;在土倉內設置土壓力傳感器,及時反映土倉內泥土粘附情況,預防“泥餅”的形成。刀盤內側設有攪拌棒,隨刀盤一起轉動,可加速土體流動,減少泥餅的形成。
3、盾構掘進參數的設定
在膨脹巖土地層中的土壓平衡盾構施工區段,土壓力的設定以理論的土壓力為基礎,并作適當降低,具體可根據實際操作做調整。但在施工過程中必須觀測分析盾構穿越地層的特性,在推進過程中應充分了解施工速度、盾構掘進性能、泥土溫度之間的能量轉換關系及其對“泥餅”形成的影響。控制好推進速度,較少“泥餅”產生的幾率。
3.2 盾體“裹死”
3.2.1現象及原因分析
盾構機在膨脹巖土中掘進時還遇到了這樣的情況,盾構姿態不受控制的向一個方向偏移,通過推進千斤頂來調整姿態無效,并且出現了推力大扭矩小速度慢的類似于結泥餅現象,于是我們開倉檢查。
開倉后發現掌子面穩定無滲水,刀具完好無泥餅,刀盤邊緣耐磨塊與圍巖間約有1.5cm間隙,而盾體與圍巖間基本無間隙。
原因分析:
由于邊緣滾刀和刮刀均完好無損,但盾體與圍巖基本無間隙,考慮到膨脹巖土的脹縮特性,由此推斷圍巖遇水后膨脹,填充了擴挖的空間(刀盤切削直徑為6280mm,盾體直徑為6250mm),原設計的刀盤開挖直徑不能滿足盾構機在膨脹后的土體內順利通過,導致圍巖“裹”住盾體,從而出現盾構無法改變姿態的現象。
3.2.2應對措施
  擴大開挖直徑。將邊緣滾刀像外延2cm,并且將3#輻條上的兩把邊緣刮刀外擴2cm,處理后的刀盤開挖半徑可增加1.4cm。采取此措施后,盾構機的姿態得以慢慢回糾,按原設計的線路順利掘進。
  
  圖3 改造后的邊緣刮刀
  
  圖4 改造刀具位置
4.結語
膨脹巖土的分布范圍相對較小,盾構在膨脹巖土中掘進的實例就更少,也缺乏相應的理論研究和施工經驗,我司在面臨這種情況的時候,由于缺乏相應的施工經驗,對此類巖土的認知不足,在掘進過程中遇到了刀盤“糊死”和盾體“裹死”的現象,經過對以上現象的仔細分析和實地觀察,大家集思廣益,采取了有效的針對性的措施,使盾構機在膨脹巖土中順利掘進,為以后同類施工積累了寶貴的經驗。
參考文獻:
1.《盾構隧道施工中刀盤泥餅的形成機理和防治措施》
2.《膨脹土改良方法探討》
3.李奕,鐘志全,《膨脹巖土中盾構脫困技術》,2010

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