1、泥水平衡盾构的工作原理
(1)泥水盾构是将一定浓度的泥浆,泵入泥水盾构的泥水室中,随着刀盘切下来的土渣和地下水顺着刀槽流入开挖室中,泥水室中的泥浆浓度和压力逐渐增大,并平衡于开挖面的泥土压和水压,在开挖面上形成泥膜或泥水压形成的渗透壁,对开挖面形成稳定挖掘。
(2)泥水平衡理论中,泥膜的形成是至关重要的。
①泥膜形成的机理:
当泥水压力大于地下水压力时,泥水按照达西定理渗入土壤,形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒,在“阻塞”和“架桥”效应的作用下,被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面,从而形成泥膜。
②泥水平衡的产生
随着时间的推移,泥膜的厚度不断增加,渗透抵抗力逐渐增强,泥膜的抵抗力远大于正面土压时,产生泥水平衡效果,使开挖面保持相对稳定。
2.泥水平衡的适用范围
在软弱的淤泥质黏土层、松散的砂土层、砂砾层、卵石砂砾层、沙砾和硬土等地层,尤其适用于地层含水量大、上方有大水体的越江隧道和海底隧道的施工采用泥水平衡式盾构。
3.主要特点
(1)在易发生流沙的地层中能稳定开挖面,采用高浓度泥浆循环掘进,对掌子面形成有效的支护;
(2)泥水压力传递速度快而均匀,开挖面平衡土压力的控制精度高,对周边开挖土体干扰少,地面沉降量的控制精度高;
(3)盾构出土由泥水管道输送,速度快而连续;减少了电机车的运输量,施工速度快;
(4)刀具、刀盘磨损小,易于长距离盾构施工。
4、泥水压力控制
(1)间接控制型
如下图,间接控制型的工作特征是由空气和泥水双重系统组成。在泥水室里,有一道半隔板,前面充满泥浆,后面充满压缩空气,形成气压缓冲层。由于在接触面上的气、液具有相同的压力,因此调节空气压力,就可以确定开挖面上的支护压力。当盾构掘进时,由于泥浆的流失或盾构推进速度变化,进出泥浆量将失去平衡,空气和泥浆接触面位置就会出现上下波动现象。根据液位传感器,可以根据液位的变化控制泥浆泵的转速,使液位恢复到设定位置,以保持开挖面支护压力的稳定。当液位达到最高极限位置时,可以自动停止进浆泵,当液位到达最低极限位置时,可以自动停止排浆泵。
5、泥水盾构与土压盾构区别
土压盾构机出渣系统主要进料闸门、螺旋输送机、皮带机、渣车。
泥水盾构机主要采用泥浆循环来出渣,主要包换进浆泵P1.1(P1.2,P1.3)、进排浆流量传感器、进排浆密度计、进排浆管路、吸浆口破碎装置、中心冲刷泵、气动液动球阀、手动球阀、泥浆管延伸装置、排浆泵P2.1(P2.2等)、气垫仓液位传感器(点式和绳式)。
6、主要难点及应对措施
1)刀盘“结泥饼”的风险
根据盾构机隧道所穿过的地层主要为3-2中粗砂、7-3强风化泥质粉砂岩、8-3中风化泥质粉砂岩、9-1微风化含砾砂岩,Ⅳ线盾构机隧道所穿过的地层主要为5N-2粉质粘土、6全风化泥质粉砂岩、7-3强风化泥质粉砂岩。当本标段区间盾构机在8-3中风化泥质粉砂岩、7-3强风化泥质粉砂岩和6全风化粉砂质泥岩地层掘进时极易结泥饼,刀盘中心区和土仓中心区容易形成“泥饼”,产生堵仓现象。
解决措施:
(1)合理设定掘进及泥浆参数,在施工过程中对泥浆及掘进参数严格控制,以保证合理的掘进参数用以施工。
(2)定期检查更换刀具及进仓清理。
(3)利用设备故障维修及劳务工人转班间隙,在泥水仓内加泡分散剂,用以分散泥饼。
2)隧道埋深浅、地层较“软弱”
区间内的2-2、2-3为可液化砂层,3-1、3-2砂层局部显示为可液化砂层,砂土地震液化时,土体失去抗剪强度和承载能力,对天然地基、桩基础、明挖基坑及地下隧道结构都会造成不利影响,为潜在的不良地质作用。而隧道埋深较浅,隧顶离地面最小距离不到7-9m。
解决措施:
(1)泥水盾构使用送泥泵通过管道从地面直接向开挖面进行送排泥,制造泥膜,开挖面完全封闭,具有高安全性和良好的施工环境。既不对围岩产生过大的压力,也不会受到围岩压力的反压,对周围地基影响较小,控制地表沉降方面要优于土压平衡盾构。
(2)根据具体情况必要时进行地面预加固及洞内超前注浆加固措施。
3黏土复合地层掘进滞排问题
区间内地层多处于2-3淤泥质中粗砂、3-2中粗砂、5N-2残积土、6全风化泥质粉砂岩、7-3强风化泥质粉砂岩的复合地层重,海瑞克间接式泥水平衡盾构及在该地层掘进极容易产生滞排,进而导致泥水仓内压力波动,造成掌子面失稳。
解决措施:
(1)对设备进行系统升级改造,加强仓内冲刷能力,加强其抗滞排能力。
(2)针对地层选用合理的泥浆粘度,使刀盘切削出来的土体可以在泥水仓内形成悬浮,不会出现大量的渣土堆积至泥水仓底部,进而造成闸口堵塞。