土壓平衡盾構(gòu)在高承壓水全斷面粉細(xì)砂層中掘進(jìn)技術(shù)探究

尹富斌

摘要：近年來我國城市地鐵建設(shè)迅速發(fā)展，隨著隧道施工技術(shù)的提高，盾構(gòu)施工法作為一種安全而又環(huán)保的施工方法得到了廣泛的使用，其中土壓平衡式盾構(gòu)在我國的使用最為普遍，成為地鐵隧道施工技術(shù)的主流。本文結(jié)合武漢市地鐵2號線盾構(gòu)1標(biāo)，范—王區(qū)間左線盾構(gòu)施工經(jīng)驗，對土壓平衡盾構(gòu)在滲透系數(shù)高的富水砂層中的掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu)隧道施工技術(shù)發(fā)生機(jī)理

中圖分類號：U455文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

Abstract: urban subway construction in China in recent years the rapid development, with the improvement of tunnel construction technology, construction method of shield as a kind of safety and environmental protection construction method has been widely use, including earth pressure balance type shield in our use of the most common, become the mainstream of the subway tunnel construction technology. Combining with the wuhan city metro line 1 mark shield, fan-the king of the left line interval shield construction experience, about the soil pressure balance shield in the permeability coefficient of high rich water sand layer tunneling technology in the study.

Key words: soil pressure balance shield tunnel construction technology occurrence mechanism

1. 工程概況

范湖站～王家墩站區(qū)間線路起訖里程為：DK5右+982.627～DK7右+166.325，左線長為1191.584m，右線長為1183.698m，總長度為2375.282m。設(shè)有一個聯(lián)絡(luò)通道，與泵房合建，里程CK6（右）+574.247；設(shè)有一個曲線，曲線半徑為700m，線間距13～15m，線路最大縱坡坡度26.7‰，最小坡度2‰，最大埋深19m，最小埋深9.1m。區(qū)間隧道為外徑6m，內(nèi)徑5.4m，管片拼裝襯砌的單洞圓形隧道，管片環(huán)寬1.5m，管片砼C50，S12。

2. 施工技術(shù)難點、風(fēng)險點及一些工程事故的概念和發(fā)生機(jī)理

2.1施工技術(shù)難點、風(fēng)險點

根據(jù)本區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖，隧道含930m富水全斷面粉細(xì)砂層，隧道上覆土層多為回填土地層空隙大，本區(qū)間地下水為孔隙承壓水，水位距地表約3～4m。水量豐富、具承壓性、砂土容易液化，是本區(qū)間施工中的主要難點。結(jié)合武漢地鐵2號線范—王區(qū)間施工過程，掘進(jìn)施工中存在以下風(fēng)險：

①全斷面粉細(xì)砂層中掘進(jìn)，，容易出現(xiàn)，閉塞、噴涌、結(jié)泥餅等工程事故，刀盤扭矩、千斤頂總推較大；

②在富水全斷面粉細(xì)砂層中掘進(jìn)，出土量不好控制容易出現(xiàn)地面沉降問題，且本區(qū)間地面建筑物復(fù)雜，尤其是要從高壓變電站主控室下面通過，稍有沉降將會發(fā)生大范圍停電等用電故障，后果不堪設(shè)想；

③地層空隙大地面經(jīng)常發(fā)生漏漿、漏泡沫等現(xiàn)象，泡沫的添加劑的外漏損失，導(dǎo)致土倉壓力難以建立，引起開挖面失穩(wěn)的風(fēng)險。

2.2工程事故的概念和發(fā)生機(jī)理

2.2.1閉塞

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)渣土具有較大的內(nèi)摩擦角，土體與側(cè)壁的摩擦力較大，開挖面的壓力和壓力艙隔板承受的千斤頂?shù)耐屏^大時，土體在土倉的側(cè)壁容易發(fā)生粘附作用（如下圖所示），從而使渣土不能順利排出。

由于在壓力艙中心主軸處設(shè)有攪拌翼，攪拌范圍內(nèi)的土體與側(cè)壁的摩擦力主要是抵抗攪拌翼的扭矩，其摩擦力在豎向的投影很小，因此這一部分土體不會首先成拱。又由于壓力艙頂板壓力較大，所以在攪拌翼攪拌影響范圍以上的土體不易成拱。在攪拌影響范圍以下的土體在較大的側(cè)壁摩擦力作用下易于成拱。

如果在這種情況下，繼續(xù)推進(jìn)，則壓力艙內(nèi)的渣土?xí)M(jìn)一步壓縮，導(dǎo)致拱作用更加強(qiáng)烈。在粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土中，很容易導(dǎo)致拱的產(chǎn)生，進(jìn)而造成刀盤扭矩、千斤頂總推力的增大，并有可能導(dǎo)致無法正常推進(jìn)。

2.2.2 噴涌

經(jīng)螺旋機(jī)排出的渣土在螺旋機(jī)出口的壓力一般接近零壓，然后由自重作用落入皮帶輸送機(jī)，當(dāng)?shù)竭_(dá)螺旋機(jī)出口的渣土過稀還具有一定壓力時，就會發(fā)生噴涌，其主要發(fā)生于在富水滲透性較大的砂性地層中施工時，原因是由于土倉和螺旋機(jī)內(nèi)的土體不能完全有效的抵抗開挖面上較高的水壓力，從而在螺旋機(jī)的出土口處，發(fā)生噴砂、噴泥、噴水現(xiàn)象；

3.施工風(fēng)險應(yīng)對措施

土壓平衡盾構(gòu)對富水、高壓及含水砂層等不良地層的適應(yīng)性是一個比較復(fù)雜的綜合技術(shù)問題，為確保盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)，需要針對各個工程事故的發(fā)生機(jī)理，從改善機(jī)械設(shè)備的性能配置、施工過程中掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定與控制、渣土改良等方面綜合考慮，結(jié)合本區(qū)間地質(zhì)情況及風(fēng)險點采取以下措施：

3.1 在富水全斷面粉細(xì)砂層中土塞、噴涌的應(yīng)對措施

根據(jù)土壓平衡式盾構(gòu)正常推進(jìn)對土倉內(nèi)土體性質(zhì)的要求，針對本區(qū)間地質(zhì)對渣土進(jìn)行了取樣并做了相關(guān)的試驗，根據(jù)試驗結(jié)果制定了適合本區(qū)間掘進(jìn)的泡沫溶液濃度3%～5%。通過泡沫的合理使用有效的改良了渣土的性質(zhì)，避免了土塞、噴涌的工程事故的發(fā)生

3.1.1土壓平衡式盾構(gòu)正常推進(jìn)對土倉內(nèi)土體性質(zhì)的要求：

土壓平衡式盾構(gòu)施工中，要使開挖下來的渣土呈塑性流動狀態(tài)，且具有一定的止水性，充滿土倉以控制開挖面；同時，用螺旋機(jī)來調(diào)整排土，使排土量和切削量保持平衡，并使土倉內(nèi)的渣土有一定的壓力，以抵抗開挖面的土壓力和水壓力。因此一方面渣土作為支撐開挖面穩(wěn)定的介質(zhì)，其土性對開挖面的穩(wěn)定起著決定性的作用；另一方面，它又源源不斷的由螺旋機(jī)向外排土，它的土性好壞又直接影響著出土的順利與否。

鑒于渣土的性狀對于防止噴涌現(xiàn)象的重要性，而通過添加劑來進(jìn)行砂土改良是一項行之有效的施工技術(shù)，改良的關(guān)鍵是使整個土倉的土體成一種塑性流動狀態(tài)，砂土的改良不僅要降低土體的滲透率，同時還應(yīng)使土體：①具有較高的含水率，較低的強(qiáng)度。這樣易于壓力艙內(nèi)攪拌棒對土體的攪拌，同時保證土體受到擠壓時向螺旋機(jī)內(nèi)發(fā)生塑性流動，有利于排土防止閉塞。②具有較低的內(nèi)摩擦角。有利于降低盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩。

3.2 地面沉降控制及危險建筑物的保護(hù)

土壓平衡盾構(gòu)控制地面沉降主要的技術(shù)關(guān)鍵是，通過開挖面靜水土壓力和土倉內(nèi)水土壓力的平衡來保持盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定，如果土倉的壓力不足，難以抵抗開挖面釋放的荷載，就可能發(fā)生開挖面涌水或坍塌，導(dǎo)致開挖面的失穩(wěn)。由于本區(qū)間隧道上方覆土層多為回填土，地層空隙大泡沫的損失比較大土倉壓力很難建立，因此土倉壓力不足是造成開挖面失穩(wěn)的主要原因，為此我們采取了以下措施：