隧道施工土壓平衡式盾構(gòu)方案探討

楊 穎

（廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 511431）

我國地鐵隧道施工已開始使用盾構(gòu)法。隨著技術(shù)進(jìn)步、認(rèn)識提高、綜合國力的增強，特別是隨著該施工技術(shù)所顯現(xiàn)的優(yōu)勢，由于其能較好地控制地表沉降，利于環(huán)境保護，適應(yīng)在市區(qū)和建筑密集處的施工，在全國地鐵建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，土壓平衡盾構(gòu)法施工在國內(nèi)地鐵工程中得到了廣泛的應(yīng)用。雖然土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)已日臻成熟，但仍有很多問題尚需解決，如盾構(gòu)在隧道內(nèi)只能前進(jìn)，不可后退，一旦盾構(gòu)本身出現(xiàn)致命的故障，可能就會產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。而且使用盾構(gòu)在對洞口進(jìn)行加固處理的始發(fā)時階段出問題的概率很高，即使是非常有經(jīng)驗的承包商也常會發(fā)生類似事故。本文重點介紹盾構(gòu)施工中常用現(xiàn)象的防治對策。

1.噴涌

1.1 噴涌成因分析

盾構(gòu)在通過江底地段時，如果對地層了解不夠，施工處理不當(dāng)，以及不可預(yù)測的因素，都可能發(fā)生噴涌事故。所謂的噴涌是指盾構(gòu)掘進(jìn)打開螺旋輸送器閘門出土?xí)r，以水為主，水和砂混合從出土口噴涌而出，散落在隧道內(nèi)，皮帶運輸無法帶走土體。噴涌的原因主要有：在水底淺覆地段施工時河床底塌方、開挖面充水裂隙發(fā)育或已成盾構(gòu)隧道同步注漿液沒有完全充實襯背空隙以致留下流水通道等，形成開挖面富水壓力大，由此造成盾構(gòu)不能連續(xù)掘進(jìn)，出現(xiàn)噴涌。引發(fā)噴涌的機理是:打開螺旋輸送器即發(fā)生噴涌，接著土倉內(nèi)土壓力很快回落。在這種情況下，為了防止隧道淹沒并減輕清渣土的工作量(否則無法安裝管片)，操作者通常會通過手動或自動關(guān)閉螺旋輸送器出土閘門。在停止出土的這一階段，地層中的水又很快會充滿土倉內(nèi)，土倉內(nèi)的土壓力又迅速上升到設(shè)定極限(主要是水壓力)，之后，打開螺旋輸送器又是噴涌，噴涌-停機-噴涌-停機……，如此惡性循環(huán)，盾構(gòu)無法連續(xù)掘進(jìn)。

1.2 采取的對策

(1)關(guān)閉螺旋輸送器情況下繼續(xù)掘進(jìn)，讓切削下的土體擠出土倉內(nèi)的水。采取這種措施時，要預(yù)防倉內(nèi)壓力過高，造成盾構(gòu)前方隆起、冒漿以及盾尾被擊穿等。

(2)提前采用氣壓平衡模式掘進(jìn)，但要預(yù)防漏氣事件的發(fā)生。

(3)加入高濃度泥漿或泡沫，改善土體的和易性，使土體中的顆粒和泥漿成為一整體。

(4)盾構(gòu)選型方面，螺旋輸送機選擇具有土塞效應(yīng)的中軸式螺桿和間斷式螺桿。

(5)在盾構(gòu)刀盤設(shè)計時，優(yōu)化設(shè)計好刀盤的開口率和刀具，使切削進(jìn)倉的顆粒較小且均勻。

(6)如果施工特別困難的情況下，在螺旋輸送器某一位置安裝連接管道，改成泥水盾構(gòu)出土模式。

2.盾尾擊穿

土壓平衡盾構(gòu)通過高水頭地段時，盾尾被擊穿的現(xiàn)象也是較多發(fā)生的，地下水通過管片與盾殼之間的空隙大量流入。其不僅造成工作面拼裝管片困難，而且造成注漿液受沖洗流失，繼而造成環(huán)與環(huán)之間錯臺和螺栓孔硅崩裂等質(zhì)量事故(如果在軟土地層中掘進(jìn)，還將造成地面下沉和隧道下沉等事故)。引發(fā)盾尾密封刷被擊穿的直接原因有兩方面:其一是密封刷本身損壞脫落;其二是盾尾油脂失效或流失。依據(jù)經(jīng)驗，密封刷損壞脫落的可能性較少，最可能的是盾尾油脂流失。由于水頭壓力可達(dá)2一3kg/cm3，注入的油脂很快被沖走。因此先要確定水的來源，然后堵住高壓水流。如果水質(zhì)清澈冷爽，可以判斷水主要來自已成隧道的底部。可在盾構(gòu)后10m范圍內(nèi)，對已注過漿、已形成的隧道的地段進(jìn)行補嘗性二次注漿，可以起到十分明顯的效果。補嘗性二次注漿后擊穿盾尾的流水減弱直至停止，則及時對盾尾補注油脂。

3.泥餅

3.1 泥餅成因

盾構(gòu)施工時，有時會發(fā)現(xiàn)刀盤空轉(zhuǎn)的情況下，扭矩很大，且一掘進(jìn)扭矩就超過設(shè)定額定扭矩而跳閘，并且土倉壓力上升很快。其原因是:盾構(gòu)在通過粘性土地層時，粘性土本身附著力、粘著力和消散力共同作用，易形成泥餅。另外，盾構(gòu)在通過粉砂質(zhì)泥巖地層時，刀盤的刀具無法將易軟化，易變形的粉砂質(zhì)泥巖破碎成碎塊狀，而大多是輾磨成粉沫。這些粉沫大多為膨潤土礦物的集合體，而刀盤內(nèi)泥漿水溫大多情況下超過50℃，促使這類礦物吸水膨脹并顯示出很強的粘結(jié)性，越積越多，越積越硬，形成泥餅。泥餅可在刀盤前和土倉內(nèi)兩個部位形成，土倉內(nèi)泥餅一旦形成后，土倉的可供進(jìn)土的儲有量僅剩下實際容積的1/2甚至更少。其后果是增加了盾構(gòu)掘進(jìn)的荷載，增大了噴涌的可能性，繼而造成出土困難。同樣，刀盤前泥餅形成后，造成刀盤開口堵塞，掘進(jìn)困難等等。

3.2 技術(shù)措施

(1)掘進(jìn)時注泡沫劑，改善土體的和易性，預(yù)防粘土結(jié)塊。

(2)盾構(gòu)刀盤在設(shè)計上應(yīng)考慮了對泥巖的切削功能，使刀盤盡少出現(xiàn)粘結(jié)堵塞，如果施工時對切削的土體進(jìn)行適當(dāng)處理，改善其特性，則粘結(jié)堵塞現(xiàn)象則會很少產(chǎn)生。處理土體可以防止土壓倉內(nèi)土碴粘結(jié)纏連在一起。如果土壓倉確實發(fā)生堵塞纏連則需要人工清理。在開挖面穩(wěn)定的前提下，如果圍巖隔水性較好，則可采用氣壓平衡模式掘進(jìn)，人工進(jìn)倉清除泥餅。一般人工清理可以用鐵鍬，高壓水等?；旧想S手工具都可以采用，能清理即可。

(3)也可以在刀盤背面和土倉胸板上增設(shè)空心攪動棒，增加攪拌強度和范圍，并且空心棒內(nèi)還可預(yù)留注水孔，以便清洗刀盤和土倉。

(4)空轉(zhuǎn)刀盤，使泥餅在離心力的作用下脫落。

4.地表沉降

在盾構(gòu)施工中根據(jù)地質(zhì)情況和需保護的建筑物采取不同的掘進(jìn)模式，能夠保證沉降要求。如遇特殊情況，發(fā)生較大的沉降后，必須采取快速穩(wěn)定沉降的措施:

(1)在發(fā)生沉降的地點，在沉陷范圍派專人值班，負(fù)責(zé)人員、交通、建筑物的安全;

(2)盾構(gòu)關(guān)閉進(jìn)土閘門，建立土壓，所設(shè)的土壓比所處位置的水土壓力高0.2kg/cm3，盾構(gòu)停止掘進(jìn)，用盾構(gòu)上的超前注漿設(shè)備和注漿孔向地層注漿加固。不停地向管片背后注漿，并調(diào)整漿液配合比，使其具有足夠的強度和快速凝結(jié)

(3)在沉陷范圍采用鉆機進(jìn)行地表注漿加固方法，增加地基的強度

（4）增加沉降觀測，及時反饋信息。

5.注漿管堵塞

注漿管堵塞其主要原因是水泥漿液從拌料到注漿過程的時間太長，以致漿液達(dá)凝固時間而易沉淀附著在注漿管內(nèi)壁，最終造成管路堵塞。解決注漿管堵塞問題的關(guān)鍵就是要縮短從拌料到注漿的時間。

（1）漿液運輸管路的鋪設(shè)要避免管路彎曲造成漿液流速緩慢而沉淀。地面儲料罐至井下漿液車中途下料要采用大口徑輸送管放漿，縮短放漿時間，同時將漿管口盡可能靠近漿液車底部，打開閘門即可依靠漿液自重放漿。

（2）緊湊安排工序，縮短漿液在隧道內(nèi)的運輸時間。在洞口和砂漿車位置設(shè)置電源插座，專供砂漿車攪拌電機用，保證砂漿車攪拌器正常連續(xù)工作，避免因施工停頓時間過長而引起漿液離析。

（3）砂漿車向盾構(gòu)機儲漿罐泵漿時，降低出漿管高度，同時開啟攪拌機攪拌漿液。

（4）在不影響其他管路及運作空間的前提下，適當(dāng)改善同步注漿管路，減少彎頭、增大管徑，避免漿液在管路中沉積、堵塞。

（5）保證盾構(gòu)機及后配套設(shè)備的正常連續(xù)運行，堅決避免盾構(gòu)機在推進(jìn)過程中人為的停機造成同步注漿工序中斷而漿液凝固堵塞。

結(jié)語

由上述可知，盾構(gòu)機的始發(fā)成功主要由始發(fā)條件及始發(fā)施工技術(shù)中每一環(huán)節(jié)的處理決定。在前期的地質(zhì)勘探、始發(fā)區(qū)域的建筑物及管線情況進(jìn)行調(diào)查，特別是對端頭土體的液限、塑限、滲透系數(shù)、含水量等各種物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行全面的調(diào)查及評估是相當(dāng)有必要的；同時應(yīng)對始發(fā)技術(shù)施工中的每一個環(huán)節(jié)加強全面、細(xì)致的控制，以確保各種處理措施達(dá)到預(yù)期效果。

[1]周小文，濮家騮.砂土中隧洞開挖引起的地面沉降試驗研究[期刊論文].巖土力學(xué)，2002.

[2]曾華波.復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)施工應(yīng)用技術(shù)研究[D].河海大學(xué)，2006.