一種盾構(gòu)機帶壓開艙開挖面的支護方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種盾構(gòu)帶壓開艙時采用泥漿先形成滲透帶、后形成泥皮的開挖面支護方法，包括先配制稀泥漿向地層中滲透，形成穩(wěn)定的滲透帶，降低地層的滲透性；再以較稠的高密度泥漿置換稀泥漿，使其在地層表面形成致密的泥皮型泥膜，降低地層的透氣性；最后測試泥膜的閉氣性，設定開艙時壓力艙內(nèi)的氣壓值，降低泥漿液位至維修面以下，以壓縮空氣支護開挖面等工藝。此種盾構(gòu)開挖面支護方法，可以有效地保障高水壓、強透水的粗粒土地層中帶壓開艙時開挖面的穩(wěn)定性，實現(xiàn)在粗粒土地層中進行安全、快速地開艙，且操作簡單、經(jīng)濟，是一種較為適合我國目前國情的盾構(gòu)帶壓開艙開挖面支護方法。
【專利說明】一種盾構(gòu)機帶壓開艙開挖面的支護方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]該發(fā)明屬于地下工程施工的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言涉及一種盾構(gòu)機帶壓開艙開挖面的支護方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]由于我國地質(zhì)條件復雜多變，經(jīng)常出現(xiàn)盾構(gòu)機刀盤刀具磨損嚴重、刀盤結(jié)餅、刀盤前方障礙物、刀具與地層不匹配需要更換等情況，而不得不需要停機進行開艙清理或維修等作業(yè)，造成盾構(gòu)掘進效率低。目前，頻繁停機開艙已經(jīng)成為我國盾構(gòu)技術(shù)的一個明顯的特點，也極大的制約了我國盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。隨著我國多條大型水下隧道的開建，尤其是長距離穿越埋深大、高水壓的強透水粗粒土地層時，如何提高開挖面的穩(wěn)定性進行安全的開艙，已成為中國盾構(gòu)施工企業(yè)極為關(guān)注的技術(shù)問題。由于受到隧道上部有河流、湖泊等水域、構(gòu)筑物或者其他原因的影響，從地表加固地層-常壓開艙的方法被限制，以壓氣工法為基礎(chǔ)的帶壓開艙方法越來越得被使用。然而，常規(guī)的壓氣工法一般適用于滲透系數(shù)小于IO-2Cm/s的土層，對于滲透系數(shù)大于10_2cm/s的粗粒土地層，如何支護并保證開挖面的穩(wěn)定，成為帶壓開艙成功的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的針對強透水(滲透系數(shù)大于10_2cm/s)的粗粒土地層開挖面的支護方法中存在一些耗時長、工程量大的輔助工藝，在高水壓、強透水的粗粒土地層中進行開挖面的支護存在難度大、耗時長、工程造價高的問題。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種在高水壓、強透水的粗粒土地層中利用泥漿滲透原理形成滲透帶和泥皮，降低地層滲透性和透氣性，利用泥膜閉氣性進行的開挖面的支護方法。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:提供了一種盾構(gòu)機帶壓開艙開挖面的支護方法，包括以下步驟:
1)采集盾構(gòu)機所處位置的粗粒土地層的顆粒級配，結(jié)合泥漿在地層中的滲透規(guī)律，配制能進入地層一段距離的低密度稀泥漿；
2)用所述低密度稀泥漿置換所述盾構(gòu)機壓力艙中的掘進泥漿，然后所述盾構(gòu)機按照正常掘進時的泥漿壓力將所述低密度稀泥漿向所述粗粒土地層中滲透一段距離，直到所述盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的低密度稀泥漿液面不再降低，此時在所述粗粒土地層中形成一段穩(wěn)定的滲透帶；
3)繼續(xù)采集所述粗粒土地層的顆粒級配，結(jié)合泥漿在地層中的滲透規(guī)律，配制能在所述粗粒土地層表面形成一層致密的泥皮型泥膜的較高密度的稠泥漿；
4)用所述較高密度的稠泥漿置換盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的低密度的稀泥漿，然后所述盾構(gòu)機按照正常掘進時的泥漿壓力將所述較高密度的稠泥漿向所述粗粒土地層中滲透，直到所述盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的較高密度的稠泥漿液面保持穩(wěn)定，所述較高密度的稠泥漿將在所述粗粒土地層表面形成一層致密的泥皮型泥膜；
5)通過所述泥皮型泥膜閉氣的室內(nèi)試驗來測定所述泥皮型泥膜的閉氣值；
6)若所述泥皮型泥膜的閉氣值小于所述粗粒土地層的土壓力，則重復步驟1)_5)，直至所述泥皮型泥膜的閉氣值不小于所述粗粒土地層的土壓力；
7)實施帶壓開艙前，設定所述盾構(gòu)機氣墊艙內(nèi)的氣壓值，使所述盾構(gòu)機氣墊艙內(nèi)氣壓值不大于所述泥皮型泥膜的閉氣值與所述粗粒土地層的水壓力之和，不小于位于所述滲透帶和粗粒土地層的開挖面的水土壓力之和；然后降低所述盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的泥漿液面至維修面以下，以所述盾構(gòu)機氣墊艙內(nèi)的氣壓支護所述開挖面。
[0007]進一步地，所述泥漿在地層中的滲透規(guī)律是:選取粗粒土的D15為砂層控制粒徑，D15表示小于某粒徑的砂粒占總量的15%對應的粒徑值；d85為泥漿控制粒徑，d85表示小于某粒徑的砂粒占總量的85%對應的粒徑值；當D15/ d85 ^ 10，泥漿會向地層中滲透一段距離，形成滲透帶；當D15/ d85 ( 5時，泥漿顆粒無法滲入地層孔隙，全部堵塞在地層表面，形成一層致密的泥皮；當5≤D15/ d85 ( 10時，泥漿向地層中滲透的情況介于兩者之間，即能形成滲透帶，也能形成泥皮。
[0008]進一步地，所述步驟2)中的部分低密度稀泥漿顆粒堵塞在所述粗粒土地層的孔隙中，降低所述粗粒土地層的滲透性。
[0009]進一步地，步驟5)中通過泥皮型泥膜閉氣的室內(nèi)試驗來測定所述泥皮型泥膜的閉氣值，所述泥皮型泥膜閉氣的室內(nèi)實驗是指采用土層和泥漿，在室內(nèi)試驗土柱中，形成泥皮型泥膜之后，排出泥漿，并 使氣壓直接作用在泥皮型泥膜上，測試泥皮型泥膜在不同氣壓下的閉氣規(guī)律。
[0010]進一步地，步驟5)中的閉氣值是指泥皮型泥膜所能承受的最大氣壓值，當氣壓大于所述最大氣壓值時，泥皮型泥膜將出現(xiàn)透氣現(xiàn)象；當氣壓小于所述最大氣壓值時，則泥膜處于完全的閉氣狀態(tài)。
[0011]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明分兩步進行泥漿的置換和滲透，先向地層中滲透形成滲透帶、降低了地層滲透性，再在地層表面形成泥皮型的泥膜，克服了高滲透性地層中泥膜形成困難、氣壓作用下閉氣性不良等問題，工期短，造價低。而且本發(fā)明所涉及的工藝流程簡單易行，無需增加其他設備，是一種簡單易行、較快較經(jīng)濟的盾構(gòu)帶壓開艙開挖面的支護方法。
[0012]說明書附圖:
圖1是本發(fā)明在粗粒土地層中進行帶壓開艙時以氣壓進行開挖面支護的示意圖；
其中:1、盾構(gòu)機；2、開挖面；3、人閘；4、穿梭艙；5、進漿管；6、排漿管；7、隔板；8、氣墊艙；9、壓力艙；10、泥漿；11、刀盤；12、刀具；13、泥皮型泥膜；14、滲透帶；15、粗粒土地層
【具體實施方式】
[0013]為使本發(fā)明實施例的目的和技術(shù)方案更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例的附圖，對本發(fā)明實施例的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；谒枋龅谋景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在無需創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。[0014]本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0015]本發(fā)明中所述的“和/或”的含義指的是各自單獨存在或兩者同時存在的情況均包括在內(nèi)。
[0016]本發(fā)明中所述的“內(nèi)、外”的含義指的是相對于設備本身而言，指向設備內(nèi)部的方向為內(nèi)，反之為外。
[0017]本發(fā)明中所述的“左、右”的含義指的是閱讀者正對附圖時，閱讀者的左邊即為左，閱讀者的右邊即為右。
[0018]本發(fā)明中所述的“連接”的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過其它部件的間接連接。
[0019]如圖1所示，盾構(gòu)帶壓開艙時先形成滲透帶和泥皮的開挖面的支護方法，首先是利用泥漿在地層中的滲透規(guī)律，配制較低密度的稀泥漿，以該泥漿置換壓力艙9中的正常掘進時用的泥漿，并使其在正常掘進時的泥漿壓力下向粗粒土地層15中滲透形成穩(wěn)定的滲透帶14。此時部分泥漿顆粒堵塞在粗粒土地層15的孔隙中，使其滲透性得到有效降低。然后，再配制較高密度的稠泥漿10，以該稠泥漿10置換壓力艙9內(nèi)的較低密度的稀泥漿，使其在正常掘進時的泥漿壓力下向粗粒土地層15中滲透，在粗粒土地層15表面形成一層致密的泥皮型泥膜13。最后，利用泥皮型泥膜13的閉氣性，設定帶壓開艙的氣壓值(氣墊艙8艙內(nèi)氣壓值應不大于泥膜閉氣值與地層水壓力之和，不小于開挖面水土壓力之和)，降低壓力艙9內(nèi)的稠泥漿10的液面至維修面以下，以氣墊艙8內(nèi)氣壓支護開挖面2，實施帶壓開艙。
[0020]上述盾構(gòu)機帶壓開艙開挖面的支護方法，具體而言包括以下步驟:
1)采集盾構(gòu)機所處位置的粗粒土地層的顆粒級配，結(jié)合泥漿在地層中的滲透規(guī)律，配制能進入地層一段距離的低密度稀泥漿；
2)用低密度稀泥漿置換盾構(gòu)機壓力艙中的掘進泥漿，然后盾構(gòu)機按照正常掘進時的泥漿壓力將低密度稀泥漿向粗粒土地層中滲透一段距離，直到盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的低密度稀泥漿液面不再降低，此時在粗粒土地層中形成一段穩(wěn)定的滲透帶；
3)繼續(xù)采集所述粗粒土地層的顆粒級配，結(jié)合泥漿在地層中的滲透規(guī)律，配制能在所述粗粒土地層表面形成一層致密的泥皮型泥膜的較高密度的稠泥漿；
4)用較高密度的稠泥漿置換盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的低密度的稀泥漿，然后盾構(gòu)機按照正常掘進時的泥漿壓力將較高密度的稠泥漿向所述粗粒土地層中滲透，直到所述盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的較高密度的稠泥漿液面保持穩(wěn)定，較高密度的稠泥漿將在粗粒土地層表面形成一層致密的泥皮型泥膜；
5)通過泥皮型泥膜閉氣的室內(nèi)試驗來測定所述泥皮型泥膜的閉氣值；
6)若所述泥皮型泥膜的閉氣值小于所述粗粒土地層的土壓力，則重復步驟1)_5)，直至所述泥皮型泥膜的閉氣值不小于所述粗粒土地層的土壓力；
7)實施帶壓開艙前，設定所述盾構(gòu)機氣墊艙內(nèi)的氣壓值，使所述盾構(gòu)機氣墊艙內(nèi)氣壓值不大于所述泥皮型泥膜的閉氣值與所述粗粒土地層的水壓力之和，不小于位于所述滲透帶和粗粒土地層的開挖面的水土壓力之和；然后降低所述盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的泥漿液面至維修面以下，以所述盾構(gòu)機氣墊艙內(nèi)的氣壓支護所述開挖面。
[0021]泥漿在地層中的滲透規(guī)律是:選取粗粒土的D15為砂層控制粒徑，D15表示小于某粒徑的砂粒占總量的15%對應的粒徑值；d85為泥漿控制粒徑，d85表示小于某粒徑的砂粒占總量的85%對應的粒徑值；當D15/ d85≥10，泥漿會向地層中滲透一段距離，形成滲透帶；當D15/ d85 ( 5時，泥漿顆粒無法滲入地層孔隙，全部堵塞在地層表面，形成一層致密的泥皮；當5<D15/ d85< 10時，泥漿向地層中滲透的情況介于兩者之間，即能形成滲透帶，也能形成泥皮。
[0022]步驟2)中的部分低密度稀泥漿顆粒堵塞在粗粒土地層的孔隙中，降低粗粒土地層的滲透性。
[0023]其中，步驟5)中的泥皮型泥膜閉氣的室內(nèi)實驗是指采用土層和泥漿，在室內(nèi)試驗土柱中，形成泥皮型泥膜之后，排出泥漿，使氣壓直接作用在泥膜上，測試泥膜在不同氣壓下的閉氣規(guī)律。
[0024]步驟5)中的閉氣值是指泥膜所能承受的最大氣壓值，大于該氣壓值泥膜即出現(xiàn)透氣現(xiàn)象，小于該氣壓 值，則泥膜處于完全的閉氣狀態(tài)。
[0025]以上僅為本發(fā)明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種盾構(gòu)機帶壓開艙開挖面的支護方法，其特征在于，包括以下步驟: . 1)采集盾構(gòu)機所處位置的粗粒土地層的顆粒級配，結(jié)合泥漿在地層中的滲透規(guī)律，配制能進入地層一段距離的低密度稀泥漿； .2)用所述低密度稀泥漿置換所述盾構(gòu)機壓力艙中的掘進泥漿，然后所述盾構(gòu)機按照正常掘進時的泥漿壓力將所述低密度稀泥漿向所述粗粒土地層中滲透一段距離，直到所述盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的低密度稀泥漿液面不再降低，此時在所述粗粒土地層中形成一段穩(wěn)定的滲透帶；. 3)根據(jù)已采集所述粗粒土地層的顆粒級配，結(jié)合泥漿在地層中的滲透規(guī)律，配制能在所述粗粒土地層表面形成一層致密的泥皮型泥膜的較高密度的稠泥漿；. 4)用所述較高密度的稠泥漿置換盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)低密度的稀泥漿，然后所述盾構(gòu)機按照正常掘進時的泥漿壓力將所述較高密度的稠泥漿向所述粗粒土地層中滲透，直到所述盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的較高密度的稠泥漿液面保持穩(wěn)定，所述較高密度的稠泥漿將在所述粗粒土地層表面形成一層致密的泥皮型泥膜； . 5)通過泥皮型泥膜閉氣的室內(nèi)試驗來測定所述泥皮型泥膜的閉氣值；. 6)若所述泥皮型泥膜的閉氣值小于所述粗粒土地層的土壓力，則重復步驟1)_5)，直至所述泥皮型泥膜的閉氣值不小于所述粗粒土地層的土壓力；. 7)實施帶壓開艙前，設定所述盾構(gòu)機氣墊艙內(nèi)的氣壓值，使所述盾構(gòu)機氣墊艙內(nèi)氣壓值不大于所述泥皮型泥膜的閉氣值與所述粗粒土地層的水壓力之和，不小于位于所述滲透帶和粗粒土地層的開挖面的水土壓力之和；然后降低所述盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的泥漿液面至維修面以下，以所述盾構(gòu)機氣墊艙內(nèi)的氣壓支護所述開挖面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)機帶壓開艙開挖面的支護方法，其特征在于，步驟5)中通過泥皮型泥膜閉氣的室內(nèi)試驗來測定所述泥皮型泥膜的閉氣值；所述泥皮型泥膜閉氣的室內(nèi)實驗是指采用土層和泥漿，在室內(nèi)試驗土柱中，形成泥皮型泥膜之后，排出泥漿，并使氣壓直接作用在泥皮型泥膜上，測試泥皮型泥膜在不同氣壓下的閉氣規(guī)律。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種盾構(gòu)機帶壓開艙開挖面的支護方法，其特征在于，步驟.5)中的閉氣值是指泥皮型泥膜所能承受的最大氣壓值,當氣壓大于所述最大氣壓值時，泥皮型泥膜將出現(xiàn)透氣現(xiàn)象；當氣壓小于所述最大氣壓值時，則泥膜處于完全的閉氣狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種盾構(gòu)機帶壓開艙開挖面的支護方法，其特征在于，所述泥漿在地層中的滲透規(guī)律是:選取粗粒土的D15為砂層控制粒徑，D15表示小于某粒徑的砂粒占總量的15%對應的粒徑值；d85為泥漿控制粒徑，d85表示小于某粒徑的砂粒占總量的85%對應的粒徑值；當D15/ d85≥10，泥漿會向地層中滲透一段距離，形成滲透帶；當D15/ d85≤5時，泥漿顆粒無法滲入地層孔隙，全部堵塞在地層表面，形成一層致密的泥皮；當5 ≤ D15/d85 ≤ 10時，泥漿向地層中滲透的情況介于兩者之間，即能形成滲透帶，也能形成泥皮。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種盾構(gòu)機帶壓開艙的開挖面的支護方法，其特征在于，所述步驟2)中的部分低密度稀泥漿顆粒堵塞在所述粗粒土地層的孔隙中，降低所述粗粒土地層的滲透性。
【文檔編號】E21D9/08GK103967499SQ201410159979
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】朱偉, 閔凡路, 魏代偉, 姜騰, 王睿, 張亞洲, 陳喜坤, 張寧 申請人:河海大學