富水砂層土壓平衡盾構(gòu)施工中的重點技術(shù)

李 森

（中鐵七局集團武漢工程有限公司，湖北 武漢 430074）

盾構(gòu)機在選擇上，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，在應(yīng)用原理上會有不同，種類也會有所區(qū)別，所以一定要正確的選擇盾構(gòu)機構(gòu)的種類，保證施工的進度，避免坍塌、施工進度緩慢等工程事故。筆者重點對富水砂層展開探討，由于情況特殊，通常選擇的是土壓平衡盾構(gòu)。在工程應(yīng)用上，土壓平衡盾構(gòu)機不僅可以應(yīng)用在黏土層、巖層等底質(zhì)底層滲透系數(shù)較小、穩(wěn)定性較好的地層，而且正在逐步應(yīng)用在情況復(fù)雜的富水砂層，這些地方往往軟弱易坍塌、水頭壓力高、壓力系數(shù)大。在富水砂層施工中，土壓平衡盾構(gòu)一定程度上結(jié)局了普遍存在的難以建立的平衡模式、易擾動地層引起地表沉降超標、容易產(chǎn)生噴涌、出渣量不受控制、結(jié)餅現(xiàn)象以及改良渣土困難等一系列的問題。

1 土壓平衡盾構(gòu)的特點與工作模式

1.1 土壓平衡盾構(gòu)原理及特點

工作模式的認知，需要在了解土壓平衡盾構(gòu)的工作原理的基礎(chǔ)上，開展具體的工作。土倉內(nèi)壓力的控制，需要通過調(diào)節(jié)開挖量以及調(diào)整出土量來控制，直接利用土倉的泥土，使得土壓力以及開挖面地層水壓力相平衡，并且支護開挖面地層時，可以利用土倉的泥土，這樣可以安全的，在保持土倉穩(wěn)定，進行隧道掘進[1]。與土壓平衡盾構(gòu)相比，泥水式盾構(gòu)則表現(xiàn)一般，施工風(fēng)險大，掘進控制難。土壓平衡盾構(gòu)的工程造價較低、作業(yè)安全、環(huán)境影響小以及底層適應(yīng)性廣得到了廣泛的好評。

1.2 土壓平衡盾構(gòu)機工作模式和結(jié)構(gòu)

土壓平衡模式和敞開式，是土壓平衡盾構(gòu)的兩種常見模式。前者時利用土倉內(nèi)的輔助材料產(chǎn)生的壓力或者土壓的方式，來平衡開挖面的地下水壓力以及土壓，從而可以避免地表下沉，避免避免地層失水過多或者掌子面坍塌。而后者在盾構(gòu)掘進時，可以減少水土流失，通過建立一定的壓力，在掌子面防止地下水進入土倉。這樣不僅可以保持土倉內(nèi)少量的渣土，而且可以減少刀盤轉(zhuǎn)動的扭矩，為了輔助開挖，可以在土倉內(nèi)注入泡沫或者是壓縮空氣，以上就是半敞開模式的主要內(nèi)容。

2 富水砂層土壓盾構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 土倉壓力調(diào)節(jié)

如何平衡土壓和水壓，在盾構(gòu)機掘進的過程中，可以預(yù)防地表沉降的重要因素以及保證建筑物安全。為了保持土倉壓力值以及地層土壓力和靜水壓力的壓力平衡，在掘進的過程中，需要根據(jù)地表沉降、地質(zhì)、埋深的監(jiān)測信息進行相應(yīng)的調(diào)整。在推進的過程中，要控制好注漿量的同步，及時填充盾殼與管片之間的空隙，進而避免由于注漿壓力過大，從而破壞管片的襯砌，進而導(dǎo)致地表隆起[2]。

2.2 出渣量控制

為了有效的使盾構(gòu)機保持平衡狀態(tài)，在排除渣土的時候，需要保持掘進的挖掘量以及渣土的排出量大體一致。從而避免出現(xiàn)出渣量過大，進而沉降量偏大，改良渣土性質(zhì)，可以順利的排出渣土。

2.3 渣土改良技術(shù)

土體的力學(xué)性質(zhì)需要滿足一些要求，可以保證土壓平衡式盾構(gòu)的順利施工，比如說土體不透水；處于流塑狀態(tài)；不易固結(jié)等要求。在土體不能滿足排出性能要求的時候，可以在壓力倉內(nèi)加入高吸水性樹脂、礦物、界面活性材料，以及水溶性高分子等一些改良土壤性能的材料。由于這些材料有著不同的特性，在使用的時候一般是單獨使用，偶爾也會組合使用，這些材料的特性，筆者做了一些探討：高吸水性樹脂類：這類物質(zhì)可以將地下水變成膠凝狀態(tài)，防止高水壓地基形成噴涌現(xiàn)象。但是問題也存在，過多金屬離子或者強酸強堿的地基中，高吸水性樹脂的性能表現(xiàn)就不佳。礦物類：微信顆?？梢栽谕馏w的透水性不強或者流動性較差的時候，改善其性質(zhì)，通常需要30~35%比重的微細顆粒。而在添加材料的選用上，我們通常使用蒙脫土、膨潤土等補充土體中微細顆粒的不足[3]。界面活性材料類：目前，界面活性材料是比較先進的方法，泡沫和特殊發(fā)泡劑為常用類型。國內(nèi)盾構(gòu)工程領(lǐng)域，在使用渣土改良外加劑時，主要使用泡沫和膨潤土，相反水溶性高分子或者吸水性樹脂類則極少使用。

水溶性高分子類：同樣時高分子化合物構(gòu)成的材料，水溶性高分子材料與樹脂一樣可以使土基的黏性增大。由于由出色的增粘效果和親水性，TAC 高分子材料不僅可以防止粘性土地層刀盤結(jié)餅，同時可以提高砂層的塑性流動性和止水性。

3 結(jié)語

綜上所述，土壓平衡盾構(gòu)施工的難度，重點在于富水砂層與粘性土層組合的上砂下土復(fù)合地層及富水砂層與粘性土層、硬巖組成的上砂中土下巖復(fù)合地層。由于地層適應(yīng)性廣，工程造價較低，作業(yè)安全，環(huán)境影響小，設(shè)備昂貴等特點，所以往往一臺盾構(gòu)機不宜在不同地段二次或者多次使用。土壓平衡盾構(gòu)富水砂層，關(guān)鍵在于底層沉降的控制，地層沉降控制的關(guān)鍵因素在于合理選擇盾構(gòu)掘進參數(shù)，控制土倉壓力，并且控制出渣量以及注漿量的同步進行。對于地層特性差異較大的施工標段的盾構(gòu)選型，以及地質(zhì)條件特別復(fù)雜的情況，改造盾構(gòu)有著重大意義。隨著土壓平衡盾構(gòu)設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，以及經(jīng)驗的積累，盾構(gòu)在不同地質(zhì)條件的推廣應(yīng)用會越來越廣泛，也會由更多的工作人員以及科研工作者加入到研究和探討中去，盾構(gòu)工程在理論上也會有越來越科學(xué)的依據(jù)，穩(wěn)步推動我國盾構(gòu)機國產(chǎn)化的進程，以及國盾構(gòu)工程的發(fā)展。