CN104653191B - 一种土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，包括合理设计盾构机主驱动和刀具直径、开口率，对刀盘、刀具、刀箱、刀盘喷嘴及螺旋机进行耐磨保护，采用多种渣土改良技术对富水圆砾地层中的渣土进行改良，盾构机采用双螺旋输送机进行降压以达到良好的出渣效果，在盾构过程中对盾构机的掘进参数进行控制以解决在富水圆砾地层中的沉降，对管片壁后采用同步注浆与补充注浆以控制管片沉降，降低了刀具磨损严重，地面大幅沉降，喷涌等现象，此发明用于盾构施工方法领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构施工方法，特别是涉及一种土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法。
背景技术
南宁市地形是以邕江宽广河谷为中心的盆地形态。地貌形态根据《广西壮族自治区南宁市地质系列图集》地貌及外动力地质现象分布图进行区分，属邕江北岸Ⅱ级阶，地形较平坦，第四系沉积物为邕江河流冲积砂砾层及土层，下伏基岩为下第三系泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩。南宁地区普遍分布有较多圆砾层且地下水丰富，圆砾地层灰色、灰白色、黄色等，稍密～中密，局部密实，饱和，以砾石为主，少部分卵石，粒径2～20mm颗粒平均含量为52.6％，粒径大于20mm颗粒平均含量为26.0％，最大粒径一般50～70mm，粒间充填中、粗砂为主，不均匀系数Cu平均20.55，属不连续级配。磨圆度较好，以次圆状为主，部分滚圆状或次棱角状，成分以石英岩、硅质岩为主。浅黄色、白色等浅色者为石英，褐色、深灰色等为硅质岩，为邕江河流冲积成因。层厚3.10～14.00m，平均8.15m，重型动力触探试验修正后击数5.0～26.7击，平均11.1击，南宁位于邕江水系丰富地段，地下水头高，水系复杂。盾构施工在富水圆砾地层将面临刀具磨损严重，浆液流失严重，地面沉降大，喷涌等现象施工风险。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，包括以下步骤:
1）、土压平衡盾构机的刀盘主驱动选择液压驱动,盾构机的最大扭矩不小于6228kNm以适应富水圆砾地层中的掘进，盾构机的脱困扭矩不小于7447kNm，盾构机的刀盘开口率为20%～30%；
2）、盾构机采用包括堆焊、耐磨保护、烧耐磨焊、焊接耐磨保护块、焊接硬质合金条的耐磨保护方法保护刀盘、刀具、刀箱、刀盘喷嘴及螺旋机以提高使用寿命；
3）、盾构机采用包括泡沫注入、加泥/膨润土注入以及聚合物注入三种不同的改良技术，改良富水圆砾地层中的渣土；
4）、盾构机采用双螺旋输送机进行降压以获得良好的出渣效果，双螺旋输送机的排水和出渣可同时进行；
5）、盾构机在富水圆砾地层中掘进；
6）、确定在富水圆砾地层中盾构机在盾构过程中的掘进参数以控制地面沉降，掘进参数包括土压平衡盾构机推力、土压控制、掘进速度；
7）、盾构机在盾构的同时在所铺设的管片壁后采用同步注浆以控制管片沉降，对在盾尾数环后的管片壁前的注浆孔进行补充注浆以减少后续沉降；
8）、重复步骤5）、6）、7）直至施工完成。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤1）中土压平衡盾构机采用锥形设计并分为前盾、中盾和盾尾，前盾尺寸大于中盾，中盾尺寸大于尾盾。
进一步作为本发明技术方案的改进，前盾预留若干个压力仓用做注射泡沫或者膨润土的注射口，前盾还预留若干个水平超前钻机管线，中盾预留若干个倾斜的超前钻机管线，刀盘驱动的马达数量为9个，刀盘开挖直径6280mm。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤2）中刀盘面板为加辐条式刀盘，刀盘的面板及刀盘边缘外圆周面均焊接耐磨性钢板或者硬质合金条作为耐磨保护，刀盘的周边其余部分和刀背采用堆焊或者烧耐磨焊进行耐磨保护，刀具包括刮刀、滚刀和铲刀，刮刀和滚刀全表面均烧耐磨焊，铲刀的后侧焊接耐磨性保护块作为耐磨保护，刀具四周的刀箱采用焊接耐磨保护块进行耐磨保护，螺旋机包括螺旋叶片、螺旋轴和筒壁，螺旋叶片焊接耐磨保护块，筒壁焊接硬质合金条，螺旋轴表面堆焊耐磨焊，仅对螺旋机的前半个螺旋机的长度采用耐磨保护。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤3）中泡沫注入采用单管单泵，泡沫注入的泡沫剂使用量为60L/环，泡沫剂的发泡倍率FER为1.5，单管单泵的注入率FIR为30%，泡沫注入设有的注射喷嘴前端设有防止浆液进入堵塞喷嘴的橡胶盖，泥/膨润土注入土舱、螺旋出土器和盾体注入口，盾构机的台车上设有膨润土灌及污泥泵，污泥泵注入能力不低于20m3/h，改良后的泥浆与渣土的比例为16%～25%，聚合物注入采用具有强吸水作用的高分子聚合物防止螺旋机的出土喷涌，高分子聚合物注入量为6kg/环。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤4）中双螺旋输送机包括第一个螺旋输送机和第二个螺旋输送机，第一个螺旋输送机连接盾构机在开挖区域的压力墙上设有的法兰，第一个螺旋输送机设有卸渣的前闸门，第二个螺旋输送机连接前闸门，第二个螺旋输送机设有紧急关闭出渣口的后闸门，第二个螺旋输送机底部还设有排水管，第一个螺旋输送机和第二个螺旋输送机独立控制。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤7）中盾构机设有单液注浆***和二次双液注浆***，单液注浆***应用于与盾构掘进同时进行的同步注浆***，单液注浆***包括若干注浆泵，二次注浆***应用于在盾尾数环后的管片注浆孔进行的补充注浆，二次注浆***包括A液泵和B液泵。
进一步作为本发明技术方案的改进，同步注浆***采用3台注浆泵，注浆泵注浆能力为30m3/h及注浆罐容量为7m3，盾尾内设有6条同步注浆管和6条备用同步注浆管，同步注浆***的浆液包括水泥、粉煤灰、膨润土、砂和水，水泥︰粉煤灰︰膨润土︰砂︰水为250︰170︰40︰380︰560，注浆泵的注浆压力在0.15～0.20MPa范围内，注浆泵的每环注浆量控制在6～7m3，A液泵和B液泵均采用水玻璃和水泥浆，水玻璃和水泥浆的比例为1︰10，A液泵和B液泵的注浆压力均在0.45～0.55MPa范围内，A液泵工作能力为3.5m3/h ，B液泵工作能力为1m3/h。
进一步作为本发明技术方案的改进，在盾构掘进期间步骤6）中盾构机的土压控制在0.8～1.1bar，盾构机首推100环段的出土量稳定在60～65方，始发掘进时盾构机的掘进速度在10～30mm/min，之后掘进速度稳定在30～35mm/min，盾构机的推力范围为9000～11000KN。
本发明的有益效果：此土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法合理设计盾构机主驱动和刀具直径、开口率，提高盾构机在富水圆砾地层中掘进的适应性，对刀盘、刀具、刀箱、刀盘喷嘴及螺旋机进行耐磨保护提高刀具及螺旋机的使用寿命，通过泡沫注入***、加泥/膨润土***和聚合物注入***对渣土进行多元化改良，改良土仓内的渣土，防止螺旋机出土喷涌，确保盾构掘进顺利，采用两个螺旋输送机***，提高了出渣效率，同时排水可以和出渣同时进行，进一步防止了喷涌的发生，通过同步注浆***和补充注浆***，进行管片壁后注浆，注浆层回填密实，减小管片错台、渗漏和隧道沉降，保持地面及周围建筑物稳定，确定富水圆砾地层中土压平衡盾构机的推力、土压控制和掘进速度等参数，确保了地面沉降控制，降低了盾构施工的风险，提高工程质量、节约工期和生产成本。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例中土压平衡盾构机与土体关系整体结构示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明为一种土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，包括以下步骤:
1）、土压平衡盾构机7的刀盘主驱动选择液压驱动,盾构机7的最大扭矩不小于6228 kNm以适应富水圆砾地层5中的掘进，盾构机7的脱困扭矩不小于7447kNm，盾构机7的刀盘开口率为20%～30%；
2）、盾构机7采用包括堆焊、耐磨保护、烧耐磨焊、焊接耐磨保护块、焊接硬质合金条的耐磨保护方法保护刀盘、刀具、刀箱、刀盘喷嘴及螺旋机以提高使用寿命；
3）、盾构机7采用包括泡沫注入、加泥/膨润土注入以及聚合物注入三种不同的改良技术，改良富水圆砾地层5中的渣土；
4）、盾构机7采用双螺旋输送机进行降压以获得良好的出渣效果，双螺旋输送机的排水和出渣可同时进行；
5）、盾构机7在富水圆砾地层5中掘进；
6）、确定在富水圆砾地层5中盾构机7在盾构过程中的掘进参数以控制地面6沉降，掘进参数包括土压平衡盾构机7推力、土压控制、掘进速度；
7）、盾构机7盾构的同时在所铺设的管片4壁后采用同步注浆以控制管片4沉降，对在盾尾数环后的管片4壁前的注浆孔进行补充注浆以减少后续沉降；
8）、重复步骤5）、6）、7）直至施工完成。
作为本发明优选的实施方式，步骤1）中土压平衡盾构机7采用锥形设计并分为前盾、中盾和盾尾，前盾尺寸大于中盾，中盾尺寸大于尾盾。
作为本发明优选的实施方式，前盾预留若干个压力仓用做注射泡沫或者膨润土的注射口，前盾还预留若干个水平超前钻机管线，中盾预留若干个倾斜的超前钻机管线，刀盘驱动的马达数量为9个，刀盘开挖直径6280mm。
作为本发明优选的实施方式，步骤2）中刀盘面板为加辐条式刀盘，刀盘的面板及刀盘边缘外圆周面均焊接耐磨性钢板或者硬质合金条作为耐磨保护，刀盘的周边其余部分和刀背采用堆焊或者烧耐磨焊进行耐磨保护，刀具包括刮刀、滚刀和铲刀，刮刀和滚刀全表面均烧耐磨焊，铲刀的后侧焊接耐磨性保护块作为耐磨保护，刀具四周的刀箱采用焊接耐磨保护块进行耐磨保护，螺旋机包括螺旋叶片、螺旋轴和筒壁，螺旋叶片焊接耐磨保护块，筒壁焊接硬质合金条，螺旋轴表面堆焊耐磨焊，仅对螺旋机的前半个螺旋机的长度采用耐磨保护。
作为本发明优选的实施方式，步骤3）中泡沫注入采用单管单泵，泡沫注入的泡沫剂使用量为60L/环，泡沫剂的发泡倍率FER为1.5，单管单泵的注入率FIR为30%，泡沫注入设有的注射喷嘴前端设有防止浆液进入堵塞喷嘴的橡胶盖，泥/膨润土注入土舱、螺旋出土器和盾体注入口，盾构机7的台车上设有膨润土灌及污泥泵，污泥泵注入能力不低于20m3/h，改良后的泥浆与渣土的比例为16%～25%，聚合物注入采用具有强吸水作用的高分子聚合物防止螺旋机的出土喷涌，高分子聚合物注入量为6kg/环。
作为本发明优选的实施方式，步骤4）中双螺旋输送机包括第一个螺旋输送机1和第二个螺旋输送机2，第一个螺旋输送机1连接盾构机7在开挖区域的压力墙上设有的法兰，第一个螺旋输送机1设有卸渣的前闸门12，第二个螺旋输送机2连接前闸门12，第二个螺旋输送机2设有紧急关闭出渣口的后闸门，第二个螺旋输送机2底部还设有排水管，第一个螺旋输送机1和第二个螺旋输送机2独立控制。
作为本发明优选的实施方式，步骤7）中盾构机7设有单液注浆***和二次双液注浆***，单液注浆***应用于与盾构掘进同时进行的同步注浆***，单液注浆***包括若干注浆泵，二次注浆***应用于在盾尾数环后的管片4注浆孔进行的补充注浆，二次注浆***包括A液泵和B液泵。
作为本发明优选的实施方式，同步注浆***采用3台注浆泵，注浆泵注浆能力为30m3/h及注浆罐容量为7m3，盾尾内设有6条同步注浆管3和6条备用同步注浆管3，同步注浆***的浆液包括水泥、粉煤灰、膨润土、砂和水，水泥︰粉煤灰︰膨润土︰砂︰水为250︰170︰40︰380︰560，注浆泵的注浆压力在0.15～0.20MPa范围内，注浆泵的每环注浆量控制在6～7m3，A液泵和B液泵均采用水玻璃和水泥浆，水玻璃和水泥浆的比例为1︰10，，A液泵和B液泵的注浆压力均在0.45～0.55MPa范围内，A液泵工作能力为3.5m3/h ，B液泵工作能力为1m3/h。
作为本发明优选的实施方式，在盾构掘进期间步骤6）中盾构机7的土压控制在0.8～1.1bar，盾构机7首推100环段的出土量稳定在60～65方，始发掘进时盾构机7的掘进速度在10～30mm/min，之后掘进速度稳定在30～35mm/min，盾构机7的推力范围为9000～11000KN。
盾构区间采用2台直径6280mm的德国海瑞克土压平衡盾构机7，刀盘开挖直径6280mm，开口率25%，盾体直径6250mm，盾构机7最大推力42575kN@350bar，最大推进速度80mm/min，最大扭矩6228 kNm，脱困扭矩7447kNm，最大工作压力4.5bar。刀盘驱动是液压驱动,刀盘驱动马达9个，总功率945 kW。主轴承的设计寿命为10,000小时。主驱动密封通过2套密封***密封，外密封4排，内密封2排,盾构机7采用锥形设计，前盾Ø6250mm，中盾Ø6240mm，盾尾Ø6240mm，工作压力4.5bar。前盾预留4个压力仓的注射口，用于注射泡沫或膨润土，预留4个水平超前钻机管线。中盾预留8个倾斜的超前钻机管线。盾构机7设计最大总推力为42575kN，油缸32支，每2支为1小组，共16小组，千斤顶又分成4个区，每个分区设置1个行程传感器，油缸最大行程2200mm，最大推进速度80mm/min，最大回缩速度1600mm/min，设备双舱式人闸***，人舱直径1600mm，主舱室容量3个，副舱室容量2人，操作压力4.5bar。刀盘形式采用面板加辐条式刀盘，刀盘开挖直径6250mm，刀盘的开口率为28%。刀具配置:主切削刀具包括中心刀具和4把中心双齿刀,刀高175mm。正面滚刀包括31把单刃宽刃滚刀。其它刀具：包括面板焊接先行刀21把，刀高160mm；21把刀分开焊接在离厂家设计位置最近的主切削刀具轨迹线上，焊接位置均匀分布在轨迹线上。正面刮刀28把，刀宽250mm，刀高140mm，双排螺栓。边缘刮刀8把，刀高140mm，双排螺栓。边缘保径刀6把。磨损检测装置2个。
防磨损技术对盾构机7的耐磨保护，刀盘：周边区域带堆焊耐磨保护，刀盘面板Hardox板耐磨保护，用硬质合金保护耐磨条。刀盘边缘背面加焊矩形耐磨钢板，刀盘后部增加Hardox块耐磨保护，刀盘耐磨圈加设硬质合金条。刀具：刮刀和滚刀全部表面烧耐磨焊，在铲刀的后侧焊接Hardox耐磨保护块，以减少铲刀后部的二次磨损。对边滚刀刀箱和刀背进行耐磨保护提供对冲击载荷的保护以及减少卵砾石对刀箱的磨损。螺旋机：前半个螺旋机的长度增加耐磨保护，螺旋叶片上焊接耐磨块，螺旋轴上堆焊耐磨焊，前一半筒壁焊接合金条。在刀盘正面和边缘各设置1个液压式磨损检测装置。各刀盘分布液压磨损检测装置。刀具最大磨损量5mm，刀具磨损量基本控制在1～3mm，刀盘喷嘴的耐磨保护，减少喷嘴堵塞的风险。
渣土改良的方法：泡沫注入***，盾构在圆砾层中掘进加入适量泡沫剂，可以有效的改良渣土，使改良后的渣土具有较好的流动性和塑性，便于螺旋机出渣，还可以有效的润滑刀盘刀具，减少刀具的磨损。根据以往在圆砾层中的掘进经验，盾构掘进过程中泡沫剂的使用量为60L/环，发泡倍率FER为1.5，注入率FIR为30%。泡沫注入***为单管单泵形式，6个泡沫发生器+6个泡沫泵；泡沫剂注入口在刀盘上有5个，在土舱壁4个，螺旋出土器4×2个，较均匀地分布在刀盘、土舱和螺旋出土器内，可以使渣土与泡沫剂有效均匀混合，达到渣土改良效果。泡沫发生***有3种操作模式：手动、半自动和全自动。掘进期间可根据掘进速度、扭矩选择不同的操作模式，不同的模式还可以根据实际施工情况需要对配方、速度进行调整。泡沫管路***还可以用于水、聚合物等添加剂的注入，满足特殊施工需要。每个泡沫喷嘴尾端有一个螺栓固定的通路板。发生堵塞时，通路板将被移开，被堵塞的喷嘴从刀盘后面拔出，代替以新的喷嘴。注射喷嘴前面的橡胶盖。该橡胶盖能够有效防止浆液进入堵塞喷嘴。
加泥/膨润土***，泥/膨润土主要注入土舱、螺旋出土器和盾体注入口，达到增加渣土和易性、改良渣土性能、盾体润滑和提前填充超挖间隙的效果，在台车上配备2 ×7m3膨润土罐和2 ×污泥泵，注入能力20m3/h。泥/膨润土在地面6搅拌好后，通过管路泵送至隧道内。地面6搅拌设备供应能力按405m3/天配备。通过试验确定往渣土中添加流朔状如牙膏状的泥浆/膨润土的含量，经充分搅拌后，将渣土改良成流朔状，以利于盾构掘进。
以下为试验改良的渣土的实验数据，试验改良的渣土量为1278ml×4=5112ml。配制泥浆，泥浆配合比为：水︰泥粉=456ml︰1380g，配置出的泥浆为1836g，用于试验改良渣土的为1660g约1006.6ml，手搅浆时沾在手上和搅拌棒上损失176g。试验改良渣土，试验改良5112ml渣土，需要加入1006.6ml约1660g泥浆，据此可推算改良1m3渣土需要加入0.1969m3泥浆，泥浆/渣土=19.69%。在盾构掘进过程中按照试验的比例对渣土加泥/膨润土改良，渣土改良为流朔状，提高了出土效率，取得了很好的效果。
聚合物注入***，必要时注入聚合物改良渣土，特别是可能喷涌时在螺旋机前端注入。发生喷涌后立即关闸停机，首先在螺旋机前端注入聚氨酯封堵，再对土仓渣土补充改良，然后利用双螺旋分次排土掘进，尽早恢复正常状态。高分子聚合物具有较强的吸水作用，可以增加渣土的凝聚力。在盾构掘进过程中，加入高分子聚合物，改良土仓内的渣土，防止螺旋机出土喷涌，确保盾构掘进顺利，高分子聚合物按6kg/环的量注入。
第一个螺旋输送机1：直径DN800mm，允许通过尺寸：520 x 290 mm，输送能力：388m3/h，功率: 200kW ，最大转速: 22.1rpm。第二个螺旋输送机2：直径DN800mm，允许通过尺寸：520 ×290 mm，输送能力：388m3/h，功率: 160kW，最大转速: 22.1rpm排水、出渣的改进，当开挖物料中含水量较大，无法通过土体改良以及调整一个螺旋输送机***的出渣口来获得较好的出渣效果时，采用两个螺旋输送机***：为达到合理的降压，安装第二个螺旋输送机2以延伸螺旋机的长度。第一个螺旋输送机1连接在开挖区域的压力墙上的法兰上，第二个螺旋输送机2安装在第一个螺旋输送机1的卸渣口的前闸门12处。第二个螺旋输送机2配备有出渣口紧急关闭功能。由于第二个螺旋输送机2将出土口的位置抬高，倾斜皮带机的角度变缓，也降低水从皮带机上溢出的风险。***通过使用一个位于第二个螺旋输送机2底部的排水管对开挖物料进行排水。排水可以和出渣同时进行。
防喷涌改进，在掘进过程中，一旦发现螺旋输送机出土口有少量的泥浆、泥砂涌出并有喷涌发生的征兆时，可以调节第二个螺旋输送机的转速，使螺旋输送机转速小于第一个螺旋输送机1，这样由于第一个螺旋输送机1输出的渣土多于第二个螺旋输送机2输出的渣土，使渣土很快在第一个螺旋输送机1内积聚而形成土塞，从而可以有效地防止喷涌的发生。
在掘进过程中突遇停电，立即将螺旋输送机前、后两个闸门关闭，并检查闸门是否关严实，如闸门未关严实应采用手动进行关闭，确保土仓内水和渣土不通过螺旋输送机涌入隧道；如遇特殊情况出现闸门无法关闭出现涌水、涌砂，隧道作业人员应沉着冷静，及时通过注聚氨脂等材料进行封堵。
盾构机7设置单液注浆***和二次双液注浆***。单液注浆***采用3台注浆泵，注浆能力为30m3/h，注浆罐容量为7m3，盾尾内设置6条同步注浆管3，6条备用同步注浆管3。二次注浆***设置A液泵、B液泵、A液储浆罐、B液储浆罐；A液泵采用AE4H100，工作能力为3.5m3/h ，B液泵采用AEB4H123，工作能力为1m3/h。同步注浆与盾构掘进同时进行，通过同步注浆***及盾尾的内置注浆管，在盾构向前推进盾尾形成空隙的同时，采用同步注浆。注浆通过总量进行控制，确保其填充量。浆液配合比：材料选用：水泥采用华润水泥南宁有限公司42.5级普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用南宁市武鸣东山水泥有限公司F类Ⅱ型，膨润土采用湖南省醴陵市马恋硅质焦化耐火材料厂钠式膨润土，砂采用Ⅱ级细砂，水采用自来水。通过试验确定采用同步注浆配合比，水泥︰粉煤灰︰膨润土︰砂︰水的重量比为250︰170︰40︰380︰560，浆液凝结时间7h。考虑到水土压力的差别和防止管片4大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力将不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。注浆压力控制在0.15～0.20MPa范围内。考虑到水土压力的差别和防止管片4大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力将不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。根据刀盘开挖直径和管片4外径，可以按下式计算出一环管片4的注浆量。V=π/4×L×（D2-d2）=π/4×1.5×（6.282-62）=4.049m3/环，注浆量取环形间隙理论体积的1.4～1.7倍，则每环注浆量Q=5.67～6.89m3，施工过程中每环注浆量控制在6～7m3。在不同的地层中根据需不同凝结时间的浆液及掘进速度来具体控制注浆时间的长短。做到掘进注浆同步，不注浆不掘进，通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间。注浆量和注浆压力达到设定值后才停止注浆，否则仍需补浆。同步注浆速度与掘进速度匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。 采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值，注浆量达到设计值的85%以上时，即可认为达到了质量要求。
补充注浆***，根据工程实际情况如管片4渗漏、隧道沉降等，可采取在盾尾数环后的管片4注浆孔进行补充注浆，注浆通过压力进行控制，减少后续沉降。补充注浆***设置A液泵、B液泵、A液储浆罐、B液储浆罐；A液泵B液泵采液浆采用水玻璃和水泥浆，水玻璃和水泥浆的比例为1︰10，浆液初凝时间设计为13S，注浆压力控制在0.45～0.55MPa范围内。探地雷达作为隧道衬砌施工质量无损检测的手段，检查注浆效果，具有连续、无损、高效和高精度等优点。
管片4错台、渗漏水及管片4姿态统计，管片4错台最大14mm，基本控制在10mm以内。管片4水平姿态控制在45mm波动范围以内，管片4实测姿态均在规范要求范围内，管片4脱出盾尾后，前期有2～3cm的上浮、后期有1～2cm的上浮，因此，后期盾构机7垂直姿态略低于设计轴线10mm，区间最大累计沉降为18.8mm，其余点均在10mm以内，变化稳定。主要沉降规律为：盾尾通过一次沉降1～2mm，之后稳定。
盾尾铰接为被动铰接，设置14个单型铰接油缸。铰接密封***设置双唇橡胶密封以及紧急密封。盾构机7的盾尾密封采用4道盾尾刷，形成3道盾尾舱，采用压力式密封，每道盾尾舱分布12个注入孔，盾尾油脂通过盾尾油脂泵和管路注入到盾尾舱内。
掘进参数控制，盾构区间通过地层主要为富水圆砾地层5，在受盾构机7掘进扰动后其稳定性较差，易产生沉降。盾构隧道主要沿城市道路行进，上方地层中存在大量地下管线，如果盾构掘进参数控制不当，将造成地面6沉降过大，将有可能导致沿线管路破裂或损坏。而且道路上有行人和车辆，一旦造成道路沉陷、坍塌，将可能造成重大人员伤亡或财产损失，盾构掘进期间刀盘中心的土仓压力控制在0.8～1.1bar，平均0.9bar。首推100环段出土量保持稳定，出土量控制在60～65方。始发掘进时，掘进速度较低在10～30mm/min，之后掘进速度稳定在30～35mm/min。始发段严格控制推力，保证反力架稳定，盾构机7在+7环掘进前，推力控制在9000KN以内，+7环之后，推力逐渐增加到9000～11000KN。同步注浆，注浆压力稳定在0.15～0.2Mpa之间。同步注浆，注浆量稳定在6～7m3之间。通过右线首推段的100环推进，各参数总结如下：推力：9000～11000KN；土压：0.9～1.0Bar；速度：30～35mm/min；出土量：60～65 m3；同步注浆：6～7m3，同步注浆压力：0.15～0.2MPa。盾构机7掘进姿态与管片4姿态基本相符，管片4姿态满足要求；地面6沉降稳定。
渣土改良，采用泡沫注入、加泥浆、加膨润土等多元化渣土改良方式，尽可能实现满仓掘进，保持土仓压力，防止隧道拱顶和掌子面变形过大。通过中盾体隋性浆液注入口对开挖间隙在同步注浆前进行提前填充。保证注浆量，采用两套注浆***，同步注浆和补浆***，补充注浆可进行双液注浆，确保注浆量满足要求。根据理论计算，管片4和围岩间的施工空隙体积为4.05m3，根据以往类似工程施工经验，要达到较好的填充效果，含圆砾地层中至少应保证注浆量在130%以上，并按注浆量和注浆压力进行双控。
避免超挖，综合考虑各地层松散系数和地下水等因素，事先计算出每一环理论出土量。掘进时，做好实际出土量统计，并与理论值对比。根据对比情况实时调整掘进参数。根据统计超挖位置和超挖量，通过盾尾注浆及时将超挖量回补，必要时在超挖部位进行二次注浆或采用双液浆补注。盾尾注浆孔口的注浆压力应大于隧道埋深处的水土压力。加强施工监测，在盾构施工及相关辅助工程，比如地基加固、跟踪注浆等的施工过程中，针对相应范围内的隧道结构、地层地表、建筑物及地下管线，进行***全面的监控测量，实行信息法施工。根据监测反馈信息，调整、优化各项施工参数，以确保盾构施工安全和建筑物、地下管线的正常使用，必要时采取应急措施。沉降控制效果检查，中线点累计沉降，目前，区间最大累计沉降为18.8mm，其余点均在10mm以内，变化稳定。主要沉降规律为：盾尾通过一次沉降1～2mm，之后稳定。建构筑物累计沉降，周边建构筑物累计沉降在5mm以内，盾构施工未对周边建构筑物造成不良影响。管线累计沉降，周边管线累计沉降在10mm以内，盾构施工未对周边管线造成不良影响。
当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，其特征在于,包括以下步骤:
1）、土压平衡盾构机的刀盘主驱动选择液压驱动, 所述土压平衡盾构机采用锥形设计并分为前盾、中盾和盾尾，所述前盾预留若干个压力仓用做注射泡沫或者膨润土的注射口，所述盾构机的最大扭矩不小于6228 kNm以适应富水圆砾地层中的掘进，所述盾构机的脱困扭矩不小于7447kNm，所述盾构机的刀盘开口率为20%～30%；
2）、所述盾构机采用包括堆焊、耐磨保护、烧耐磨焊、焊接耐磨保护块、焊接硬质合金条的耐磨保护方法保护刀盘、刀具、刀箱、刀盘喷嘴及螺旋机以提高使用寿命；
3）、所述盾构机采用包括泡沫注入、加泥/膨润土注入以及聚合物注入三种不同的改良技术，改良富水圆砾地层中的渣土；
4）、所述盾构机采用双螺旋输送机进行降压以获得良好的出渣效果，所述双螺旋输送机的排水和出渣可同时进行；
5）、所述盾构机在富水圆砾地层中掘进；
6）、确定在富水圆砾地层中所述盾构机在盾构过程中的掘进参数以控制地面沉降，所述掘进参数包括土压平衡盾构机推力、土压控制、掘进速度；
7）、所述盾构机在盾构的同时在所铺设的管片壁后采用同步注浆以控制管片沉降，对在盾尾数环后的所述管片壁前的注浆孔进行补充注浆以减少后续沉降；
8）、重复步骤5）、6）、7）直至施工完成。
2.根据权利要求1所述的土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，其特征在于：所述步骤1）中土压平衡盾构机的前盾尺寸大于中盾，所述中盾尺寸大于尾盾。
3.根据权利要求2所述的土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，其特征在于：所述前盾还预留若干个水平超前钻机管线，所述中盾预留若干个倾斜的超前钻机管线，所述刀盘驱动的马达数量为9个，所述刀盘开挖直径6280mm。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，其特征在于：所述步骤2）中的刀盘面板为加辐条式刀盘，所述刀盘的面板及刀盘边缘外圆周面均焊接耐磨性钢板或者硬质合金条作为耐磨保护，所述刀盘的周边其余部分和刀背采用堆焊或者烧耐磨焊进行耐磨保护，所述刀具包括刮刀、滚刀和铲刀，所述刮刀和滚刀全表面均烧耐磨焊，所述铲刀的后侧焊接耐磨性保护块作为耐磨保护，所述刀具四周的刀箱采用焊接耐磨保护块进行耐磨保护，所述螺旋机包括螺旋叶片、螺旋轴和筒壁，所述螺旋叶片焊接耐磨保护块，所述筒壁焊接硬质合金条，所述螺旋轴表面堆焊耐磨焊，仅对所述螺旋机的前半个螺旋机的长度采用耐磨保护。
5.根据权利要求1所述的土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，其特征在于：所述步骤3）中的泡沫注入采用单管单泵，所述泡沫注入的泡沫剂使用量为60L/环，所述泡沫剂的发泡倍率FER为1.5，所述单管单泵的注入率FIR为30%，所述泡沫注入设有的注射喷嘴前端设有防止浆液进入堵塞喷嘴的橡胶盖，所述泥/膨润土注入土舱、螺旋出土器和盾体注入口，所述盾构机的台车上设有膨润土灌及污泥泵，所述污泥泵注入能力不低于20m3/h，所述改良后的泥浆与渣土的比例为16%～25%，所述聚合物注入采用具有强吸水作用的高分子聚合物防止螺旋机的出土喷涌，所述高分子聚合物注入量为6kg/环。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述的土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，其特征在于：所述步骤4）中的双螺旋输送机包括第一个螺旋输送机和第二个螺旋输送机，所述第一个螺旋输送机连接盾构机在开挖区域的压力墙上设有的法兰，所述第一个螺旋输送机设有卸渣的前闸门，所述第二个螺旋输送机连接前闸门，所述第二个螺旋输送机设有紧急关闭出渣口的后闸门，所述第二个螺旋输送机底部还设有排水管，所述第一个螺旋输送机和第二个螺旋输送机独立控制。
7.根据权利要求1～3中任意一项所述的土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，其特征在于：所述步骤7）中的盾构机设有单液注浆***和二次双液注浆***，所述单液注浆***应用于与盾构掘进同时进行的同步注浆***，所述单液注浆***包括若干注浆泵，所述二次注浆***应用于在盾尾数环后的管片注浆孔进行的补充注浆，所述二次注浆***包括A液泵和B液泵。
8.根据权利要求7所述的土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，其特征在于：所述同步注浆***采用3台注浆泵，所述注浆泵注浆能力为30m3/h及注浆罐容量为7m3，所述盾尾内设有6条同步注浆管和6条备用同步注浆管，所述同步注浆***的浆液包括水泥、粉煤灰、膨润土、砂和水，所述水泥︰粉煤灰︰膨润土︰砂︰水为250︰170︰40︰380︰560，所述注浆泵的注浆压力在0.15～0.20MPa范围内，所述注浆泵的每环注浆量控制在6～7m3，所述A液泵和B液泵均采用水玻璃和水泥浆，所述水玻璃和水泥浆的比例为1︰10，所述A液泵和B液泵的注浆压力均在0.45～0.55MPa范围内，所述A液泵工作能力为3.5m3/h ，所述B液泵工作能力为1m3/h。
9.根据权利要求1～3中任意一项所述的土压盾构机在富水圆砾地层中高效掘进的方法，其特征在于：在盾构掘进期间所述步骤6）中盾构机的土压控制在0.8～1.1bar，所述盾构机首推100环段的出土量稳定在60～65方，始发掘进时所述盾构机的掘进速度在10～30mm/min，之后所述掘进速度稳定在30～35mm/min，所述盾构机的推力范围为9000～11000KN。
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