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        巖溶區(qū)盾構(gòu)帶壓開倉掌子面加固關(guān)鍵技術(shù)研究

        2022-02-21 06:11:06夏國(guó)松
        鐵道建筑技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:土倉球閥掌子面

        夏國(guó)松

        (中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

        1 前言

        盾構(gòu)帶壓開倉檢查及更換刀具時(shí)[1-2],為確保進(jìn)倉人員和地面環(huán)境安全,需采取專項(xiàng)輔助措施保證掌子面地層和土倉壓力穩(wěn)定。常用加固方式[3-5]注漿管直接連接在土倉壁的預(yù)留注漿口處,向土倉內(nèi)注入衡盾泥,并對(duì)土倉內(nèi)渣土進(jìn)行置換直至掌子面形成完整的泥膜,此方法需先采用加固漿液將土倉內(nèi)渣土完全置換,通過溢出刀盤外進(jìn)行掌子面的加固,存在注入材料用量大、成本高、施工進(jìn)度慢,土倉加固效果差、置換渣土清理難,刀盤被泥膜粘住不利于后續(xù)恢復(fù)施工等問題,因此需研究一種新型加固方法確保盾構(gòu)開倉時(shí)地層的穩(wěn)定。

        2 工程概況

        龍東村站-龍南站區(qū)間主要地層為強(qiáng)度均勻性較差、易溶蝕的灰?guī)r地層和上部粉質(zhì)黏土、下部微風(fēng)化灰?guī)r層的上軟下硬地層。該區(qū)間范圍內(nèi)存在大量溶洞,但由于相應(yīng)區(qū)間范圍內(nèi)地面為金水區(qū)主干道國(guó)基路且管線密集,造成部分溶洞無法處理。目前,盾構(gòu)在遇到溶洞區(qū)采取衡盾泥泥漿護(hù)壁和超前注漿的開倉方式[6],但因現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制,耗時(shí)長(zhǎng)、成本高,且無法確保成功率。為此,通過一種可伸縮調(diào)整的注漿裝置,利用高壓噴漿的方式向掌子面注入特制的新型漿液,可縮短加固時(shí)間,提高加固效率,降低施工難度。

        3 設(shè)計(jì)思路

        通過液壓伸縮油缸控制硬質(zhì)鋼管,將注漿頭伸縮至土倉內(nèi)臨近刀盤或從刀盤間隙伸出至刀盤掌子面的土層內(nèi),利用同步注漿向掌子面逐級(jí)壓注新型漿液,該漿液通過高壓后可形成一種高密度的觸變泥,使其滲入掌子面巖土裂隙,對(duì)掌子面進(jìn)行固結(jié)加固,形成整體,阻斷外部來水和密封土倉內(nèi)高氣壓,同時(shí)通過盾尾后方止水處理,確保換刀安全。另外,通過改性劑的加入量可控制新型漿液的擴(kuò)散范圍不竄入地表和雨污水管線內(nèi),一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)凝固造成盾體和刀盤裹死,可正常進(jìn)行排渣和復(fù)推。

        4 加固關(guān)鍵技術(shù)

        4.1 盾尾后方密封處理

        待盾構(gòu)機(jī)停機(jī)到位后,需對(duì)盾尾后方進(jìn)行密封處理[7]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn),得出相應(yīng)漿液的配合比。膨潤(rùn)土泥漿配合比、水玻璃波美度配合比、水泥漿與水玻璃配合比分別如表1~表3所示。

        表1 膨潤(rùn)土泥漿配合比

        表2 水玻璃波美度配合比

        表3 水泥漿與水玻璃配合比

        (1)通過盾構(gòu)自有的注漿系統(tǒng)注入粘度為85 s的膨潤(rùn)土漿液[8],填充盾尾刷后方1 m范圍內(nèi)的建筑空隙,防止砂漿和雙液漿侵入盾尾刷位置導(dǎo)致盾尾刷彈性降低,注入1.5~3.5 m3后,更換粘度為55 s的膨潤(rùn)土漿液,將管路內(nèi)部的砂漿完全置換,保證恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)管路通暢。

        (2)通過盾體預(yù)留的超前注漿孔及徑向注漿孔注入粘度為110 s的膨潤(rùn)土漿液,填充盾體位置間隙。整個(gè)盾體長(zhǎng)度范圍內(nèi)注入8~10 m3,防止出現(xiàn)地層變形沉降或長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)導(dǎo)致盾體卡死。

        (3)盾構(gòu)后方第五環(huán)至第九環(huán),按照間隔的方式注入雙液漿[9],截?cái)喽芪埠蠓剿?,雙液漿注入壓力為2.5~3.5 bar,每環(huán)注入量3 m3。

        4.2 土倉渣氣置換

        盾構(gòu)截水處理完成后靜置24 h,通過盾體徑向孔和管片注漿孔進(jìn)行效果檢查[10],確保沒有地下水匯入時(shí),利用盾構(gòu)機(jī)空氣壓縮系統(tǒng)向土倉內(nèi)加氣,氣壓值設(shè)定為理論土壓值的±0.1 bar范圍內(nèi);土倉內(nèi)氣壓值達(dá)到要求后,將土倉的渣土排放至九點(diǎn)半位置。

        4.3 新型漿液注入

        4.3.1 新型漿液配置

        該漿液由砂、粉煤灰、膨潤(rùn)土、石灰、水和改性添加劑拌制而成,其配合比(見表4)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。該漿液拌和靜置72 h后不會(huì)離析,具有良好的和易性、流動(dòng)性,能達(dá)到填充巖層裂隙的要求。漿液比重1.92 g/cm3,稠度95~120 mm,坍落度230 mm,初凝時(shí)間為12 h,抗壓強(qiáng)度7 d為0.8 MPa。改性添加劑包括觸變劑、減水劑、膨脹劑中的任意一種或多種,使砂漿性能能夠更好地適應(yīng)當(dāng)前地質(zhì)特性,保證加固質(zhì)量。新型漿液攪拌成型見圖1。

        圖1 新型漿液攪拌

        表4 新型漿液配比 kg

        4.3.2 注漿裝置安裝

        (1)注漿裝置結(jié)構(gòu)

        液壓伸縮式注漿裝置包括安裝在土倉壁上的預(yù)留球閥[11]、注漿管、反力支座、油缸固定座、兩套同步控制的液壓伸縮油缸和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)。該預(yù)留球閥焊接在土倉壁上的預(yù)留注漿孔處,其外側(cè)設(shè)有法蘭盤,預(yù)留球閥在注漿時(shí)可打開,注漿管從預(yù)留球閥穿過進(jìn)入土倉,不注漿時(shí),便可將預(yù)留球閥關(guān)閉;注漿管包括前部的硬質(zhì)鋼管和后部的注漿軟管,其硬質(zhì)鋼管前端為錐型,開設(shè)有多個(gè)注漿孔呈梅花狀分布形成注漿頭,鋼管直徑與預(yù)留球閥的內(nèi)徑相匹配,可在預(yù)留球閥內(nèi)水平移動(dòng),一般小于土倉壁預(yù)留管徑3 mm(兩端各保持1.5 mm間隙),便于注漿管伸縮控制。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)包括設(shè)置在注漿管上的壓力傳感器和設(shè)置在液壓伸縮油缸上的激光測(cè)距儀,可實(shí)現(xiàn)伸縮長(zhǎng)度及壓力信號(hào)監(jiān)測(cè)雙標(biāo)準(zhǔn)控制。

        (2)注漿裝置安裝

        先將反力支座固定在預(yù)留球閥外側(cè)法蘭盤上,在反力座上開設(shè)與注漿管硬質(zhì)鋼管相匹配的注漿管穿孔,并在注漿管穿孔內(nèi)壁設(shè)密封橡膠圈和注脂點(diǎn),反力支座上對(duì)稱設(shè)置油缸連接板和油缸連接銷軸,用于連接伸縮油缸。兩套伸縮油缸平行置于硬質(zhì)鋼管兩側(cè),并水平設(shè)置在油缸固定座與反力支座之間,每套液壓伸縮油缸的油缸套固定在油缸固定座上,活塞端在油缸伸長(zhǎng)至最大行程時(shí)固定在反力支座上,且兩套伸縮油缸的活塞端與反力座固定時(shí),注漿管的注漿頭剛好穿過反力支座上的注漿管穿孔置于預(yù)留球閥的進(jìn)口端,即預(yù)留球閥開啟后,兩套液壓伸縮油缸同步完全收縮時(shí),注漿頭臨近刀盤或伸出刀盤進(jìn)行注漿。

        注漿管的軟管與盾構(gòu)機(jī)的同步注漿系統(tǒng)連接,并由盾構(gòu)機(jī)的同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行注漿,在注漿管上安裝壓力表,在油缸固定座與反力支座之間設(shè)置行程監(jiān)測(cè)裝置(激光測(cè)距儀固定在油缸固定座上、測(cè)距激光片對(duì)應(yīng)設(shè)置在反力支座上),壓力表用于監(jiān)測(cè)注漿管的注漿壓力,將信號(hào)反饋給盾構(gòu)機(jī)注漿系統(tǒng);激光測(cè)距儀用于監(jiān)測(cè)伸縮油缸的伸縮行程,將信號(hào)反饋給盾構(gòu)機(jī)注漿系統(tǒng)和液壓伸縮油缸的液壓控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)壓力方量雙標(biāo)準(zhǔn)控制。

        兩套液壓伸縮油缸的液壓控制系統(tǒng)與盾構(gòu)機(jī)的液壓控制系統(tǒng)按照液壓原理進(jìn)行連接,由盾構(gòu)機(jī)的液壓控制系統(tǒng)整體控制,并配置專門的手動(dòng)控制裝置;每套液壓伸縮油缸的額定壓力為10 MPa,有效行程為1~1.2 m,并與注漿管在土倉內(nèi)水平移動(dòng)至刀盤內(nèi)側(cè)或伸出刀盤的距離相等。伸縮油缸伸開至最大行程示意如圖2所示,伸縮油缸收縮狀態(tài)示意如圖3所示。

        圖2 伸縮油缸伸開至最大行程示意

        圖3 伸縮油缸收縮狀態(tài)示意

        4.3.3 掌子面注入新型漿液

        選擇盾構(gòu)機(jī)土倉九點(diǎn)半以上區(qū)域的土倉壁預(yù)留球閥作為注漿點(diǎn)[12],注漿點(diǎn)位設(shè)3~5個(gè),注漿順序由上至下,左右對(duì)稱;最上方的注漿點(diǎn)作為第一個(gè)注漿點(diǎn)位,注漿裝置安裝后,開啟預(yù)留球閥,同時(shí)控制兩液壓伸縮油缸同步收縮,帶動(dòng)注漿管穿過預(yù)留球閥伸入土倉內(nèi),并水平移動(dòng)至刀盤臨近土倉的一側(cè)或水平移動(dòng)穿過刀盤的間隙伸入刀盤前側(cè)的土層內(nèi);液壓伸縮油缸收縮到位后,通過盾構(gòu)機(jī)的同步注漿系統(tǒng)及注漿裝置將配制的新型漿液注入盾構(gòu)機(jī)刀盤掌子面的土層內(nèi),其注漿量為刀盤掌子面前方50 cm范圍的地層間隙,掌子面的注入系數(shù)取當(dāng)前地層段同步注漿參數(shù)中填充系數(shù)+0.2作為參考值,注漿壓力控制在4~4.5 bar,注入方量為3~4 m3。

        第一個(gè)注漿點(diǎn)位注漿完成后,控制兩套液壓伸縮油缸同步伸開,將注漿管收回使其脫離預(yù)留球閥,關(guān)閉該注漿點(diǎn)的預(yù)留球閥,拆卸注漿裝置。重復(fù)完成每個(gè)注漿點(diǎn)位的注漿工作,注漿工作完成之后進(jìn)行土倉的氣密性檢測(cè),當(dāng)空壓機(jī)加載時(shí)間少于加壓總時(shí)間10%時(shí),可進(jìn)行開倉換刀作業(yè),否則重復(fù)上述步驟繼續(xù)進(jìn)行加固,直至符合要求。掌子面穩(wěn)固效果如圖4所示。

        圖4 掌子面穩(wěn)固效果

        4.4 新型漿液降解

        開倉換刀作業(yè)完成后,封閉土倉[13],按照上述注漿方式注入降解溶液,使掌子面地層內(nèi)新型漿液降解,快速恢復(fù)掘進(jìn);降解液由分散劑、泡沫劑、洗衣粉配制而成,充分利用分散劑及洗衣粉對(duì)混凝土的腐蝕性,將粘附在刀盤開口位置的漿液進(jìn)行軟化,并隨盾構(gòu)掘進(jìn)帶出,可快速清洗干凈,減少作業(yè)量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),降解溶液配合比(按質(zhì)量比):分散劑∶泡沫劑∶洗衣粉∶水=125∶60∶25∶100。

        5 結(jié)束語

        該技術(shù)成功應(yīng)用于深圳地鐵16號(hào)線四工區(qū)龍龍區(qū)間盾構(gòu)帶壓開倉,利用可伸縮注漿裝置,配合新型漿液,對(duì)盾構(gòu)刀盤掌子面直接進(jìn)行注漿加固,解決了盾構(gòu)開倉換刀前地層加固施工進(jìn)度慢、加固效果差、施工成本高等問題。該注漿裝置可安裝在盾構(gòu)機(jī)土倉壁上預(yù)留位置,加固土倉內(nèi)上半部分位置,完全有效地截?cái)嗲胺剿?,提高安全質(zhì)量保障及工序切換效率。

        (1)利用液壓伸縮油缸控制注漿硬管,使其在土倉壁通孔內(nèi)自由伸縮,將漿液直接送至指定加固區(qū)域進(jìn)行注漿。采用該方法,大大減少了漿液用量,加快了地層加固效果,同時(shí)也減少了人工清理土倉內(nèi)渣土的時(shí)間及工作量。

        (2)快凝低強(qiáng)度漿液比重大、稠度低、泌水性低、抗稀釋性能好,使?jié){液能夠快速凝固并達(dá)到預(yù)計(jì)的效果,且具有良好的降解性;換刀后,利用降解溶液快速融化新型漿液,減少刀盤面板上粘附渣土清理工作,可快速恢復(fù)施工,縮短工期,節(jié)約成本。

        (3)利用盾構(gòu)后方堵水配合盾構(gòu)刀盤掌子面加固開倉作業(yè),可提高溶洞特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)安全性。

        (4)注漿硬管端頭出漿孔設(shè)計(jì)成梅花形,便于漿液擴(kuò)散,提高加固效率;注漿硬管的另一端連接軟管至盾構(gòu)自有的注漿系統(tǒng),同時(shí)將注漿硬管尾部的壓力傳感器信號(hào)連接至注漿系統(tǒng)控制區(qū)域,實(shí)現(xiàn)壓力方量雙標(biāo)準(zhǔn)控制。

        (5)注漿裝置的油缸反力支座,在連接注漿管的同時(shí)對(duì)法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)化處理,防止出現(xiàn)損壞;在雙層夾心鋼板上焊接連接油缸軸套,可提供反用力,便于不同位置的更換。

        (6)反力支座與注漿管接觸面設(shè)潤(rùn)滑密封系統(tǒng),可密封注漿硬管與土倉壁預(yù)留球閥之間的間隙,保證土倉的密封性,同時(shí)設(shè)計(jì)專門的注脂點(diǎn),降低接觸件之間的摩擦力,延長(zhǎng)使用壽命。

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