[发明专利]一种盾构机带压开舱开挖面的支护方法

说明书

技术领域

该发明属于地下工程施工的技术领域，具体而言涉及一种盾构机带压开舱开挖面的支护方法。

背景技术

由于我国地质条件复杂多变，经常出现盾构机刀盘刀具磨损严重、刀盘结饼、刀盘前方障碍物、刀具与地层不匹配需要更换等情况，而不得不需要停机进行开舱清理或维修等作业，造成盾构掘进效率低。目前，频繁停机开舱已经成为我国盾构技术的一个明显的特点，也极大的制约了我国盾构技术的发展。随着我国多条大型水下隧道的开建，尤其是长距离穿越埋深大、高水压的强透水粗粒土地层时，如何提高开挖面的稳定性进行安全的开舱，已成为中国盾构施工企业极为关注的技术问题。由于受到隧道上部有河流、湖泊等水域、构筑物或者其他原因的影响，从地表加固地层-常压开舱的方法被限制，以压气工法为基础的带压开舱方法越来越得被使用。然而，常规的压气工法一般适用于渗透系数小于10^-2cm/s的土层，对于渗透系数大于10^-2cm/s的粗粒土地层，如何支护并保证开挖面的稳定，成为带压开舱成功的关键。现有的针对强透水（渗透系数大于10^-2cm/s）的粗粒土地层开挖面的支护方法中存在一些耗时长、工程量大的辅助工艺，在高水压、强透水的粗粒土地层中进行开挖面的支护存在难度大、耗时长、工程造价高的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种在高水压、强透水的粗粒土地层中利用泥浆渗透原理形成渗透带和泥皮，降低地层渗透性和透气性，利用泥膜闭气性进行的开挖面的支护方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：提供了一种盾构机带压开舱开挖面的支护方法，包括以下步骤：

1) 采集盾构机所处位置的粗粒土地层的颗粒级配，结合泥浆在地层中的渗透规律，配制能进入地层一段距离的低密度稀泥浆；

2) 用所述低密度稀泥浆置换所述盾构机压力舱中的掘进泥浆，然后所述盾构机按照正常掘进时的泥浆压力将所述低密度稀泥浆向所述粗粒土地层中渗透一段距离，直到所述盾构机压力舱内的低密度稀泥浆液面不再降低，此时在所述粗粒土地层中形成一段稳定的渗透带；

3) 继续采集所述粗粒土地层的颗粒级配，结合泥浆在地层中的渗透规律，配制能在所述粗粒土地层表面形成一层致密的泥皮型泥膜的较高密度的稠泥浆；

4) 用所述较高密度的稠泥浆置换盾构机压力舱内的低密度的稀泥浆，然后所述盾构机按照正常掘进时的泥浆压力将所述较高密度的稠泥浆向所述粗粒土地层中渗透，直到所述盾构机压力舱内的较高密度的稠泥浆液面保持稳定，所述较高密度的稠泥浆将在所述粗粒土地层表面形成一层致密的泥皮型泥膜；

5) 通过所述泥皮型泥膜闭气的室内试验来测定所述泥皮型泥膜的闭气值；

6) 若所述泥皮型泥膜的闭气值小于所述粗粒土地层的土压力，则重复步骤1)-5)，直至所述泥皮型泥膜的闭气值不小于所述粗粒土地层的土压力；

7) 实施带压开舱前，设定所述盾构机气垫舱内的气压值，使所述盾构机气垫舱内气压值不大于所述泥皮型泥膜的闭气值与所述粗粒土地层的水压力之和，不小于位于所述渗透带和粗粒土地层的开挖面的水土压力之和；然后降低所述盾构机压力舱内的泥浆液面至维修面以下，以所述盾构机气垫舱内的气压支护所述开挖面。

进一步地，所述泥浆在地层中的渗透规律是：选取粗粒土的D₁₅为砂层控制粒径，D₁₅表示小于某粒径的砂粒占总量的15%对应的粒径值；d₈₅为泥浆控制粒径，d₈₅表示小于某粒径的砂粒占总量的85%对应的粒径值；当D₁₅/ d₈₅≥10，泥浆会向地层中渗透一段距离，形成渗透带；当D₁₅/ d₈₅≤5时，泥浆颗粒无法渗入地层孔隙，全部堵塞在地层表面，形成一层致密的泥皮；当5≤D₁₅/ d₈₅≤10时，泥浆向地层中渗透的情况介于两者之间，即能形成渗透带，也能形成泥皮。

进一步地，所述步骤2）中的部分低密度稀泥浆颗粒堵塞在所述粗粒土地层的孔隙中，降低所述粗粒土地层的渗透性。

进一步地，步骤5）中通过泥皮型泥膜闭气的室内试验来测定所述泥皮型泥膜的闭气值，所述泥皮型泥膜闭气的室内实验是指采用土层和泥浆，在室内试验土柱中，形成泥皮型泥膜之后，排出泥浆，并使气压直接作用在泥皮型泥膜上，测试泥皮型泥膜在不同气压下的闭气规律。