加泥型土壓平衡盾構在穿湖區(qū)間的運用

摘要：鄭州市4號線龍湖段市政配套工程盾構區(qū)間三次穿越龍湖，龍湖湖水深度7.0m，盾構區(qū)間最小覆土約6.0m。區(qū)間穿越土層主要為2-4細砂層、3-4細砂層與3-5中砂層，土層含水量高，滲透性高，采用常規(guī)的土壓平衡盾構機施工存在較大風險。

關鍵詞：盾構施工;富水砂層;盾構穿湖

1工程概況

鄭州市軌道交通4號線龍湖段市政配套工程有3座區(qū)間下穿龍湖，分別為：龍湖內環(huán)路站～龍湖島站區(qū)間、龍湖島站～副CBD內環(huán)路站區(qū)間、副CBD內環(huán)路站～鑫融路站區(qū)間。根據(jù)野外鉆探編錄資料，本盾構區(qū)間穿越土層主要為：2-4細砂，3-4細砂，以及3-5中砂。

區(qū)間的主要參數(shù)見下表：

表1""區(qū)間參數(shù)表

序號

區(qū)間名稱

區(qū)間最小覆土（m）

區(qū)間穿湖長度（m）

1

龍湖內環(huán)路站～龍湖島站區(qū)間

6

335

2

龍湖島站～副CBD內環(huán)路站區(qū)間

6

450

3

副CBD內環(huán)路站～鑫融路站區(qū)間

5.8

110

2土壓平衡盾構在軟土、砂層掘進的風險

土壓平衡盾構機盾頭與刀盤間設有密封隔板，可與開挖面土層形成一個密封的泥土艙，并在掘進時通過調整推進油缸的頂進速度、控制開挖量及出土量等措施調控土艙壓力來平衡工作面的水土壓力，從而保持掌子面土層穩(wěn)定。

當出土螺旋輸送器打開時，土倉的壓力會出現(xiàn)損失與下降。如果工作面的巖、土層性能較好自穩(wěn)能力又較強時，土倉壓力將出現(xiàn)短暫損失，但圍巖仍能維持穩(wěn)定，掌子面不會出現(xiàn)坍塌，地面也不會出現(xiàn)較大的沉陷。

即使工作面巖土層物理力學指標較差，如仍具有一定的粘結性能時，尚可通過調整螺旋輸送器排土量，盡量縮小排土時間，減少土倉壓力損失量及損失時間，工作面巖土層雖有一定變形但仍能維持穩(wěn)定，地面可能出現(xiàn)一定的沉降與變形，但不會出現(xiàn)坍塌。

但當工作面是穩(wěn)定性較差的富水砂層、流塑狀的淤泥時，螺旋出土器出土，那么盾構機土倉所剩余的壓力無法與工作面水土壓力平衡，掌子面的水土會涌入土倉，出現(xiàn)坍塌并引起地面較大的沉陷。因此采用適應于塑態(tài)土層和軟質巖石中掘進的土壓平衡盾構在流塑狀淤泥、富水砂層中掘進，風險是比較大的。

龍湖湖水深度為7.0m，盾構區(qū)間最小覆土約6.0m。區(qū)間穿越土層主要為2-4細砂層、3-4細砂層與3-5中砂層，土層含水量高，滲透性高。當螺旋出土器出土時，盾構機土倉所剩余的壓力無法與工作面水土壓力平衡，掌子面的水土會涌入土倉，出現(xiàn)坍塌并引起地面較大的沉陷。盾構下穿湖底的區(qū)間總長度為895m，長距離的下穿龍湖，給盾構施工增添了風險。

3盾構機選型的依據(jù)

根據(jù)平衡開挖面土壓與水壓的不同原理，密閉式盾構機可分為土壓平衡式盾構和泥水加壓平衡式盾構兩種。

根據(jù)國內的施工經(jīng)驗及工程實例，土壓平衡式盾構與泥水加壓平衡式盾構的適用范圍一般從以下幾個方面分析：

1）滲透系數(shù)：

當滲透系數(shù)小于1.0×10-7m/s時，宜選用土壓平衡盾構;

當滲透系數(shù)大于1.0×10-4m/s時，宜選用泥水加壓平衡盾構;

當滲透系數(shù)大于1.0×10-7m/s，小于1.0×10-4m/s時，可選用土壓平衡盾構或泥水盾構。

2）地下水壓：

當水壓大于0.3MPa時，宜選用泥水加壓平衡盾構;

當水壓小于0.3MPa時，宜選用土壓平衡盾構。

3）顆粒級配：

一般來說，當巖土中的粉粒、黏粒的總量小于40%時，通常采用泥水加壓平衡盾構，相反采用土壓盾構。

4）施工場地及環(huán)境影響

土壓平衡盾構始發(fā)場地一般為3000m2～5000m2，始發(fā)需求空間相對較小。對周邊環(huán)境影響較小。

泥水平衡盾構機施工場地一般為8000m2～10000m2。施工過程會產(chǎn)生大量泥漿，對周邊環(huán)境影響較大。

4加泥型土壓平衡盾構的工作特點

經(jīng)技術分析比較，龍湖區(qū)域的地層多為細砂、中砂等砂層。區(qū)域內水位高且滲透系數(shù)大，3-5中砂層為高透水層，滲透系數(shù)達1.7×10-4m/s。全斷面穿越滲透性高、水壓力大的砂層，易發(fā)生噴涌、盾尾漏水等問題。采用泥水加壓平衡盾構更易保證工程安全。

但龍湖段地質又有自己的特點，3-4細砂與3-5中砂，其標貫值分別為47、54，為密實性固結砂層，具有一定的自穩(wěn)能力，可通過加強土壓平衡盾構機的洞內控制，以保證掌子面的穩(wěn)定。土壓平衡盾構機通過添加高分子聚合物、膨潤土等材料，實現(xiàn)砂土改良，提高土體的止水性、流動性、可塑性;通過加強盾尾刷的檢修和盾尾油脂的注入，保證盾尾密封效果，防止盾尾冒漿、漏水。施工過程中，加強同步注漿、二次注漿，及時封閉管片與土體開挖面的空隙，防止形成水路和產(chǎn)生地面沉降。

近年來，隨著國內外土壓平衡盾構技術的發(fā)展，土壓平衡盾構的適應地層越來越廣，過江、河、湖泊的工程實例越來越多。土壓平衡盾構與泥水加壓平衡盾構相比，具有占用施工場地小，污染小，對周邊環(huán)境影響較小，且工程造價低的優(yōu)勢。

“加泥土壓平衡盾構機”就是為滿足在復雜地層條件下可調整盾構機的掘進模式而構思的。它采用兩種出土系統(tǒng)進行出土，使土倉可按工程地質條件的變化而改變出土模式：當線路中存在部分高水壓、高滲透性地層時，盾構機的出土系統(tǒng)可由螺旋輸送機出渣改為由柱塞泵輸送開挖下來的渣土，以避免螺旋輸送器的噴涌和開挖面上方的坍方。這種“雙出土系統(tǒng)”可使加泥型土壓平衡盾構機適用復雜的地質條件。

加泥型土壓平衡盾構機在施工過程中還可通過加強管片同步注漿與二次注漿防止后噴涌，通過注入碴土改良材料改善土倉碴土性能，控制前噴涌。鑒于加泥型土壓平衡盾構機的特點，最終經(jīng)各地專家多方論證后認為在4號線龍湖區(qū)域可以采用加泥型土壓平衡盾構機。

5結語

采用土壓平衡盾構在富水砂層中掘進時要滿足掌子面的水土壓力平衡，減少地面的沉降，最主要的措施是：根據(jù)工程地質和水文地質條件選擇合適的土倉壓力參數(shù)并嚴格控制壓力波動范圍，維持掌子面的穩(wěn)定性;嚴格控制出土量與掘進量相匹配，禁止超量出土?！凹幽嗤翂浩胶舛軜嫏C”可在復雜地層條件下調整盾構機的掘進模式，在鄭州4號線穿龍湖段區(qū)間富水砂層中可以使用。

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