富水地層輔助氣壓平衡模式盾構(gòu)施工方法研究

王懷東 WANG Huai-dong

（中鐵九局集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110051）

0 引言

伴隨我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，盾構(gòu)法施工具有施工安全性高、工期短、施工成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為城市軌道交通工程區(qū)間隧道施工的主要施工方法。泥水平衡盾構(gòu)施工方法工程經(jīng)濟(jì)性差、項(xiàng)目用地較多、環(huán)保成本高，在進(jìn)行水下隧道施工時(shí)會(huì)優(yōu)先采用；土壓平衡盾構(gòu)一般適用于陸地隧道施工。

對(duì)于埋深大、富水、裂隙發(fā)育的穩(wěn)定地層，按照常規(guī)的全土壓模式掘進(jìn)時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生噴涌，由于洞內(nèi)空間有限，噴涌之后的泥沙清理工作量大，導(dǎo)致拼裝不及時(shí)，不能持續(xù)掘進(jìn)，這樣便給地下水進(jìn)入土倉(cāng)延長(zhǎng)了時(shí)間，加劇了噴涌的發(fā)生，形成惡性循環(huán)。噴涌的發(fā)生，延緩了工程進(jìn)度，提高了工程造價(jià)，同時(shí)使土倉(cāng)壓力和同步注漿質(zhì)量都難以控制，管片出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)上浮等現(xiàn)象，影響到隧道的成型質(zhì)量。

為了提高土壓平衡盾構(gòu)的地層適應(yīng)性，解決噴涌問題，同時(shí)解決盾構(gòu)負(fù)荷較大，刀盤結(jié)餅、便于排土和控制土倉(cāng)壓力，本文以成都地鐵9 號(hào)線工程為例，分析采用輔助氣壓平衡模式的盾構(gòu)掘進(jìn)方法優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)相關(guān)施工工藝重點(diǎn)，為類似地層的盾構(gòu)施工提供了可參考的案例。

1 輔助氣壓平衡模式工作原理

1.1 常規(guī)土壓平衡模式

為了保持隧道開挖面的穩(wěn)定并控制地表變形在一定范圍內(nèi)，盾構(gòu)施工過(guò)程中，需要保持一定的土倉(cāng)壓力。土倉(cāng)壓力一般采用盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)用渣土作為壓力倉(cāng)填充物，起到平衡土倉(cāng)內(nèi)外壓力的作用，通過(guò)刀具開挖和螺旋輸送機(jī)排出維持動(dòng)態(tài)的平衡。土倉(cāng)壓力過(guò)小，開挖面可能會(huì)失穩(wěn)坍塌引發(fā)地表沉降；壓力過(guò)大，不但推進(jìn)速度下降而且容易導(dǎo)致地面隆起變形。因此，需要根據(jù)掘進(jìn)過(guò)程中刀盤扭矩、油缸推力、掘進(jìn)速度等參數(shù)變化和地表變形情況，對(duì)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并及時(shí)控制閘門開口來(lái)調(diào)整土倉(cāng)壓力。

實(shí)際上，因?yàn)榈刭|(zhì)的復(fù)雜性，改良后的渣土并不均勻且和易性不好控制，完全依靠渣土傳遞壓力的隨機(jī)性也很大。土壓平衡模式的平衡精度很難達(dá)到理想狀態(tài)，地表沉隆難以有效控制，而且渣土平衡介質(zhì)對(duì)地下水的控制起不到有效的作用。

1.2 輔助氣壓平衡模式

在氣密性好的地層，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)采用“土+氣”作為平衡介質(zhì)，即利用氣壓輔助土壓對(duì)盾構(gòu)機(jī)外部壓力進(jìn)行平衡，維持開挖面穩(wěn)定；同時(shí)，與泡沫結(jié)合在一起的氣體比重輕、流動(dòng)快、無(wú)孔不入、均勻分布，能夠迅速占據(jù)開挖的建筑空隙，并逼退地層裂隙中的水，可取得較好效果。

輔助利用以泡沫形式存在的氣壓，能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的壓力平衡。如圖1 所示，土倉(cāng)內(nèi)與刀盤正面開挖面土體平衡（a），盾構(gòu)機(jī)外殼與地層之間的開挖間隙內(nèi)與盾構(gòu)機(jī)周圍巖土體的平衡（b），盾尾注漿區(qū)域附近與同步注漿的漿液平衡（c），裂隙內(nèi)和地下水的平衡（d），螺旋輸送機(jī)區(qū)域平衡（e）。同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的密封系統(tǒng)中主軸承密封（f）、餃接密封（g）、盾尾密封（h）之間存在相應(yīng)的油脂平衡。對(duì)開挖面施加的平衡壓力如圖2 示意。

圖1 輔助氣壓平衡范圍

圖2 開挖面處平衡壓力

2 輔助氣壓施工工藝

2.1 掘進(jìn)工藝

掘進(jìn)時(shí)，注入空氣與排土同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)氣土置換，氣壓逐步代替土壓維持掌子面的穩(wěn)定；通過(guò)土壓傳感器壓力和比較壓力差，判斷土倉(cāng)內(nèi)渣土高度，保證渣土在土倉(cāng)下部1/3 至1/2 之間；推進(jìn)行程結(jié)束之前，控制出土，讓倉(cāng)內(nèi)渣土高度控制在2/3 時(shí)停機(jī)，始終保持土倉(cāng)上部壓力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。工藝重點(diǎn)在土倉(cāng)的壓力控制，其它推進(jìn)、注漿、拼裝等與正常土壓相同。

2.2 輔助氣壓氣源形式和注入方式

氣源為隧道內(nèi)空氣，刀盤處氣體以泡沫形式注入、土倉(cāng)隔板處純氣注入，空壓機(jī)及電力系統(tǒng)按照兩套配備。遇到破碎帶或水量較大地層時(shí)主要以泡沫形式注入空氣，以能夠?qū)⒖諝怄i定在相對(duì)穩(wěn)定的泡沫空間內(nèi)為原則，對(duì)泡沫系統(tǒng)的泡沫比例和泡沫壓力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使泡沫能順利進(jìn)入裂隙和開挖間隙，阻礙地下水進(jìn)入土倉(cāng)，解決噴涌問題。

氣體和液體流量比值（氣液比）、空氣壓力是影響盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)發(fā)泡性能的重要控制參數(shù)。通過(guò)參考文獻(xiàn)、原液特性及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)泡參數(shù)設(shè)置為氣體流量230L·min-1、氣液比50、進(jìn)氣管道壓力0.3MPa、泡沫液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)的泡沫系統(tǒng)發(fā)泡倍率及產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性均能達(dá)到工程所需。

2.3 壓力設(shè)計(jì)及原則

氣壓大小按照平衡盾體下部靜水壓考慮。此時(shí)，理論上由于氣壓作用，盾體下部圍巖不再有水流出；盾體上部圍巖裂隙水被反壓到距盾體頂部一定垂直高度處。土倉(cāng)中水量控制按照只進(jìn)行刀盤噴水，不另外加水，保證渣土的和易性為原則；

圍巖為相對(duì)穩(wěn)定巖層時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)渣土面高度按照超過(guò)土倉(cāng)直徑的1/3 控制，以防止泥水噴涌或氣體擊穿螺旋輸送機(jī)土塞突然泄漏而失去土倉(cāng)壓力。

掘進(jìn)時(shí)氣壓下限：理論上按照土倉(cāng)高度1/3 處的靜水壓，同時(shí)為防范地層突變風(fēng)險(xiǎn)，土倉(cāng)上部壓力控制在60kPa 以上。掘進(jìn)時(shí)氣壓上限：理論上，氣壓等于盾體上部靜水壓力時(shí)，盾體上部圍巖裂隙中，水壓與氣壓平衡，地下水靜止不動(dòng)；在此基礎(chǔ)上，氣壓每增加10kPa，裂隙中的水位會(huì)提高1m；為防止地面漏氣，氣壓上限不能超過(guò)等同于隧道頂部埋深的水壓值。

停機(jī)拼裝管片時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)存2/3 高度的渣土，保持掘進(jìn)時(shí)土倉(cāng)壓力，交接班及長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，采用正常土壓平衡。

2.4 土倉(cāng)內(nèi)存土高度判斷

通過(guò)土壓傳感器壓力差，上部和中部壓力一致，則判斷為不超過(guò)1/2，同樣比較下部和中部的壓力差，按照出土泥漿比重每米高的側(cè)壓力，反推算出渣土高度。

其中：△P 為土倉(cāng)上下壓力差，P1、P2分別為土倉(cāng)上、下部傳感器壓力值，γ 為泥漿重度，H 為倉(cāng)內(nèi)渣面高度。

3 案例分析

以成都地鐵9 號(hào)線三元站至錦城大道站隧道區(qū)間第540 環(huán)至573 環(huán)施工過(guò)程為例：地層以全斷面中風(fēng)化泥巖為主，平均抗壓強(qiáng)度17MPa，埋深17m 至30m，水位在地下10m 左右，側(cè)穿錦城湖，裂隙發(fā)育，破碎帶較多。盾構(gòu)機(jī)采用中鐵裝備6980 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)的刀盤刀具配置如圖3 所示。初期采用常規(guī)全土壓平衡掘進(jìn)，盾構(gòu)推力扭矩負(fù)荷大、溫度高，掘進(jìn)速度慢；隨著地層穩(wěn)定性增加，半倉(cāng)土壓模式掘進(jìn)不能解決地下水的問題，經(jīng)常發(fā)生噴涌；下穿成昆鐵路框構(gòu)橋影響區(qū)時(shí)，噴涌非常嚴(yán)重，每個(gè)班次基本上只能完成1-2 環(huán)；隨后調(diào)整為輔助氣壓模式掘進(jìn)，設(shè)備狀況明顯改善，具體施工參數(shù)與施工狀況對(duì)照如表1 所示。

表1 不同掘進(jìn)模式對(duì)比表

圖3 刀盤配置情況

4 輔助氣壓掘進(jìn)優(yōu)點(diǎn)分析

在富水、裂隙發(fā)育的泥巖地層中釆用輔助氣壓模式盾構(gòu)掘進(jìn)有如下幾點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì)：

①減輕盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的負(fù)荷，提高盾構(gòu)掘進(jìn)速度。影響盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩的因素很多，主要有兩方面：一是刀具貫入開挖面巖體與開挖面擠壓、摩擦；二是刀盤與土倉(cāng)及刀盤開口內(nèi)土體剪切、擠壓和摩擦，土壓越高，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)負(fù)荷越大。采用輔助氣壓盾構(gòu)法進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)部作為平衡介質(zhì)的渣土數(shù)量減少，刀盤扭矩減小，推力可以增加，貫入度增大，降低負(fù)荷的同時(shí)提高了掘進(jìn)速度。

②阻隔、逼退開挖面和盾體周圍的地下水。輔助氣壓模式掘進(jìn)時(shí)，含裹在泡沫內(nèi)的空氣填充進(jìn)入開挖空隙和地層裂隙中，阻隔了地下水進(jìn)入土倉(cāng)，乃至將裂隙水逼退到一定距離，有效防止噴涌。同時(shí)，地下水的流失得到控制，盾構(gòu)施工內(nèi)部環(huán)境得到改善。

③減少土倉(cāng)下部渣土沉積和結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)。土壓模式時(shí)，由于土的重力和水平方向推進(jìn)的擠壓，土倉(cāng)下部渣土容易沉積產(chǎn)生滯排，刀盤中心區(qū)域容易結(jié)泥餅。輔助氣壓模式時(shí)，隧道開挖面處產(chǎn)生的渣土?xí)焖龠M(jìn)入螺旋輸送機(jī)中，土倉(cāng)內(nèi)渣土高度未到達(dá)中心區(qū)域，減小沉積和固結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。倉(cāng)內(nèi)渣土與刀盤及隔板之間的壓力、摩擦距離減小，土倉(cāng)溫度低，中心區(qū)域沒有渣土，刀盤噴水效果明顯，刀盤中心區(qū)域不容易產(chǎn)生泥餅。

④提高同步注漿有效性，有利于隧道成型質(zhì)量。掘進(jìn)時(shí)輔助氣壓能夠逼退地下水，脫岀盾尾部分的土體水分含量較小，注漿漿液不會(huì)被水分d 稀釋，避免漿液性能降低；漿液有效包裹盾構(gòu)殼體，在一定程度上減小錯(cuò)臺(tái)；同時(shí)漿液會(huì)更容易進(jìn)入到?jīng)]有水的巖體裂隙中，提高了同步注漿效果，有利于防止隧道滲漏。

⑤防止同步注漿、二次注漿竄至盾殼周圍。土壓平衡模式時(shí)，漿液在壓力作用下很容易通過(guò)止?jié){板進(jìn)入到盾殼周圍，乃至是進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)，產(chǎn)生浪費(fèi)。粘著在盾殼上的漿液日積月累，有些范圍內(nèi)對(duì)盾體有很大的包裹力，會(huì)對(duì)推力和盾體姿態(tài)控制有非規(guī)律性的影響。氣壓掘進(jìn)能平衡盾尾處的漿體壓力，與止?jié){板一起阻止?jié){液前竄到盾殼周圍的開挖空隙。

⑥降低刀盤刀具被過(guò)度磨損的風(fēng)險(xiǎn)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中采用輔助氣壓模式時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)所需要的渣土體積、渣土與刀盤壓力及渣土與刀盤摩擦?xí)r間均減小，可以大幅度減少刀盤刀具的磨損程度，延長(zhǎng)刀盤刀具使用時(shí)間。

⑦提高盾構(gòu)掘進(jìn)施工效率。盾構(gòu)負(fù)荷小后可以有效加大油缸的推力，且減少清渣頻次，掘進(jìn)工作效率大幅度的提升。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)

①地層氣密性良好是盾構(gòu)掘進(jìn)采用輔助氣壓工法的前提和基礎(chǔ)，若地層中存在污水井、地勘孔、等，或地層本身氣密性差，保壓效果不好。當(dāng)土倉(cāng)中氣壓過(guò)大時(shí)可能發(fā)生地面漏氣，地面上可能會(huì)出現(xiàn)泡沫漿液，給人們?cè)斐煽只?，影響交通。?yīng)提前排查地勘孔等容易露氣的通道及其填充封堵情況，并進(jìn)行必要的填充或加固，掘進(jìn)時(shí)加強(qiáng)地面的巡視。

②盾構(gòu)司機(jī)須密切關(guān)注渣土狀態(tài)，在主動(dòng)加水量不變的情況下，如發(fā)現(xiàn)渣土變稀或掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)大塊泥巖，說(shuō)明遇到地層裂隙較多或是破碎帶，需要加大泡沫比例，加大氣壓。

③輔助氣壓掘進(jìn)過(guò)程中，土倉(cāng)內(nèi)渣土要始終高于螺旋輸送機(jī)進(jìn)土口，防止氣體從螺旋輸送機(jī)中噴出。實(shí)際工作中，由于氣壓過(guò)高，倉(cāng)內(nèi)水量不夠，和易性不好，渣土在刀盤和攪拌棒的轉(zhuǎn)動(dòng)下容易堆起，不能有效蓋住螺旋輸送機(jī)進(jìn)口，產(chǎn)生噴氣泄壓現(xiàn)象。這時(shí)需要適當(dāng)增加刀盤噴水，并降低氣壓保證倉(cāng)內(nèi)進(jìn)入適量的水。

④輔助氣壓掘進(jìn)時(shí)，若鉸接及盾尾密封油脂注入量未達(dá)到工程所需，油脂壓力不足，油脂均勻度差，則盾構(gòu)機(jī)與土體之間的氣體可能會(huì)擊穿密封油脂。要保證鉸接密封壓力高于氣壓。盾尾密封漏氣漏漿現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)提高油脂密封壓力。

⑤停機(jī)時(shí)，即使?jié)M倉(cāng)土也要持續(xù)保持氣壓，維持地下靜水壓的平衡，防止“拉風(fēng)箱式”保壓。

⑥在盾構(gòu)停機(jī)拼裝管片時(shí)，在倉(cāng)內(nèi)壓力作用下,收回推進(jìn)油缸會(huì)使盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)輕微后退；倉(cāng)內(nèi)氣體會(huì)沿地層不斷擴(kuò)散，會(huì)因溫度降低而壓力下降。

⑦若出現(xiàn)倉(cāng)內(nèi)氣壓突然下降等緊急情況，應(yīng)保持推進(jìn)并立即停止螺旋輸送機(jī)出土，盡快將土倉(cāng)填滿。填倉(cāng)速度達(dá)不到要求或正在停機(jī)，可快速往土倉(cāng)內(nèi)加水，維持平衡。

⑧若土倉(cāng)內(nèi)壓力突然增大，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)周圍土體可能已出現(xiàn)塌陷，司機(jī)應(yīng)密切注意超挖情況，及時(shí)增加同步注漿量，避免坍塌發(fā)展到地面。

6 總結(jié)

在富水地層中，輔助氣壓平衡工法擁有較大優(yōu)勢(shì)，但由于建設(shè)單位的強(qiáng)制性要求或承包商成型工法經(jīng)驗(yàn)的缺乏，使該工法的應(yīng)用受到限制。本文基于成都地鐵九號(hào)線工程案例，總結(jié)了輔助氣壓模式盾構(gòu)施工法的施工要點(diǎn)，并得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

①在富水地層采用輔助氣壓平衡工法能明顯提高盾構(gòu)掘進(jìn)施工效率。盾構(gòu)負(fù)荷小后可以有效加大油缸的推力，且減少清渣頻次，掘進(jìn)工作效率大幅度的提升。

②輔助氣壓平衡工法對(duì)地層適應(yīng)性有一定要求，隧道埋深大的穩(wěn)定土層、巖層，以及含水量較多的裂隙較發(fā)育的巖層,輔助氣壓模式工法可有效解決地下水大量匯聚到土倉(cāng)內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)，但在氣密性差、埋深小的隧道不宜使用該工法。

③根據(jù)地層情況減少土倉(cāng)內(nèi)積土，但最低要求覆蓋住螺旋輸送機(jī)進(jìn)土口。當(dāng)掘進(jìn)地層上方存在較厚的可塑性粘土且為可短時(shí)穩(wěn)定的地層時(shí)，壓力土倉(cāng)內(nèi)渣土高度應(yīng)超過(guò)盾構(gòu)機(jī)中心線。

④選用適合的泡沫發(fā)生器和穩(wěn)定性好的泡沫材料，可提高阻擋地下水的能力。

⑤操作人員應(yīng)時(shí)刻注意土倉(cāng)內(nèi)部壓力變化，若土倉(cāng)內(nèi)壓力突然增大，此時(shí)地層內(nèi)部可能已出現(xiàn)塌陷，應(yīng)密切注意超挖情況，及時(shí)增加同步注漿量，避免坍塌發(fā)展到地面。