淺談土壓平衡盾構(gòu)施工氣壓輔助推進(jìn)工法

李豆，李騰飛

中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇南京，211800

0 引言

在城市地鐵建設(shè)中，盾構(gòu)施工工藝技術(shù)日益成熟，從而在施工中演練出氣壓輔助推進(jìn)工法。正常土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工，經(jīng)常采用常規(guī)土壓平衡倉內(nèi)保實(shí)土壓推進(jìn)，但在施工中，發(fā)現(xiàn)諸多困難，例如盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)扭矩、推力較大，刀具磨損量大，螺旋機(jī)噴涌，降低施工效率等，這跟地層特性也有一定關(guān)系，為解決這一問題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，分析其關(guān)鍵技術(shù)，本文提出采用氣壓輔助掘進(jìn)工法盾構(gòu)施工[1]。

1 盾構(gòu)施工氣壓輔助工法機(jī)理和應(yīng)用

1.1 氣壓輔助平衡機(jī)理

土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，通過推進(jìn)速度與螺旋機(jī)出土，實(shí)現(xiàn)土倉內(nèi)壓力動(dòng)態(tài)平衡[2]。其中倉內(nèi)物質(zhì)主要為開挖掘進(jìn)地質(zhì)土與渣土改良輔助添加劑。氣壓輔助平衡指利用空氣替代土倉內(nèi)上部渣土，形成空氣壓力，保持開挖面穩(wěn)定平衡。其空氣注入方式為空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，通過泡沫管路從刀盤注入或通過samson系統(tǒng)土倉隔板注入，通常采用samson系統(tǒng)，在艙內(nèi)形成氣壓輔助平衡。

1.2 氣壓輔助平衡應(yīng)用工藝

氣壓輔助平衡在盾構(gòu)施工應(yīng)用中主要為帶壓進(jìn)倉、輔助推進(jìn)、停機(jī)保壓。其倉內(nèi)壓力通過壓力傳感器檢測(cè)，一般六米級(jí)盾構(gòu)機(jī)配備5個(gè)土倉壓力傳感器，其土壓計(jì)位置分別為上部P1、左中P2、右中P3、左下P4、右下P5。推進(jìn)中可通過各區(qū)域土倉壓力值對(duì)比，判斷艙內(nèi)為實(shí)土壓或氣壓，見圖1。

圖1 六米級(jí)盾構(gòu)機(jī)土壓傳感器布置圖

1.3 氣壓輔助平衡推進(jìn)判斷

盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)主要由地質(zhì)原狀土與輔助添加劑組成。其壓力建立以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)綜合建立，掘進(jìn)中可通過各介質(zhì)特性來判斷土倉內(nèi)實(shí)土壓力。根據(jù)各介質(zhì)壓力特性，可以對(duì)倉內(nèi)進(jìn)行如下判斷：

（1）實(shí)土壓掘進(jìn)艙內(nèi)頂部部分氣壓，即P1＜P2=P3＜P4=P5；

（2）半倉掘進(jìn)為艙內(nèi)1/2實(shí)土壓，即P1=P2=P3＜P4=P5；

（3）氣壓掘進(jìn)為艙內(nèi)1/3實(shí)土壓，即P1=P2=P3=P4=P5。

氣壓輔助掘進(jìn)需要注意的是充分考慮地層穩(wěn)定性及氣密情況，在控制倉內(nèi)壓力時(shí)，應(yīng)保持倉內(nèi)實(shí)土壓倉位始終高于螺旋機(jī)前端閘門，避免土倉與螺旋機(jī)形成氣流通道，造成螺旋機(jī)噴涌，或螺旋機(jī)出土噴氣，造成土壓力迅速下跌，不利于掌子開挖面穩(wěn)定，造成地表沉降，嚴(yán)重時(shí)造成地面塌陷[3]。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)氣壓輔助推進(jìn)施工分析

2.1 工程概況

廣州市軌道交通十二號(hào)線某區(qū)間線路全長1.18km，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間地層主要見表1?？辈旆秶鷥?nèi)地下水按賦存方式劃分為第四系松散層的孔隙水和塊狀基巖的裂隙水，多呈脈狀，含水層無明確界限，具有不均勻性，受裂隙發(fā)育程度和裂隙開放閉合程度影響，具有方向性，各部位地下水含水層埋深、厚度及透水性均很不穩(wěn)定，裂隙發(fā)育地段地下水豐富，裂隙不發(fā)育的地段地下水貧乏。場(chǎng)地內(nèi)塊狀基巖裂隙水水量變化大，水量為貧乏中等，透水性變化大。場(chǎng)地地下水水位總體埋藏相對(duì)較淺，局部較深，據(jù)勘察，穩(wěn)定水位埋深0.00～15.00m（高程-2.37～11.00m）,初見水位埋深0.00～14.80m（高程-2.37～11.70m）。

表1 某區(qū)間0～120環(huán)主要工程地質(zhì)參數(shù)

2.2 土倉壓力的建立與控制

常規(guī)土壓模式掘進(jìn)，土倉壓力的控制是由開挖地層的渣土與改良添加劑充滿土倉建立，通過控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)開挖的渣土量與螺旋機(jī)排土量實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。隨著盾構(gòu)工藝的演變，出現(xiàn)氣壓輔助推進(jìn)這一方法理念，即用空氣壓力代替土倉內(nèi)部分土壓力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，土壓倉布置示意圖如圖2所示。

圖2 土壓倉布置示意圖

（1）推進(jìn)過程中，通過采用samson系統(tǒng)穩(wěn)定土倉壓力，使用壓縮空氣逐漸替代土倉內(nèi)的渣土，形成氣壓輔助掘進(jìn)，掘進(jìn)過程中循序漸進(jìn)，需注意土倉壓力波動(dòng)，控制在±20kPa以內(nèi)，該環(huán)掘進(jìn)，因土倉實(shí)土壓力使用氣壓替換，因此會(huì)導(dǎo)致出土過多，此時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制出土量，具體應(yīng)參考土倉容積確保出土未超挖。該方法在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛。

（2）用泡沫管路通過刀盤噴口或空壓機(jī)壓縮空氣直接通過土倉隔板預(yù)留口單獨(dú)注入壓縮空氣，螺旋機(jī)出土，控制壓縮空氣注入量和螺旋機(jī)出土量，通過觀察土倉壓力顯示進(jìn)行壓力平衡。

（3）通過samson系統(tǒng)，進(jìn)行保壓或進(jìn)行壓力控制管理，調(diào)整samson設(shè)定壓力，使土倉壓力通過氣壓輔助始終保持平衡實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。需要注意的是該模式必須保證艙內(nèi)samson系統(tǒng)空氣注入孔位置為氣壓，否則會(huì)破壞samson系統(tǒng)。此模式目前主要應(yīng)用于帶壓進(jìn)倉使用。

（4）盾構(gòu)機(jī)停機(jī)期間，土倉壓力隨著時(shí)間的推移滲透至地層各個(gè)方向，壓力下降，開挖面穩(wěn)定性易受影響，因此在盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)停止前，應(yīng)減少出土量，通過提高倉內(nèi)實(shí)土壓力，來控制掌子面和土倉壓力穩(wěn)定。停機(jī)期間根據(jù)土倉壓力下掉速率，通過samson系統(tǒng)，保障掌子面和土倉壓力相互平衡穩(wěn)定，長時(shí)間停機(jī)應(yīng)注入膨潤土建立泥膜保壓。

2.3 氣壓輔助掘進(jìn)參數(shù)分析

氣壓輔助掘進(jìn)參數(shù)分析如表2、圖3所示。

圖3 氣壓輔助掘進(jìn)參數(shù)線性圖

表2 氣壓輔助掘進(jìn)參數(shù)分析表

2.4 氣壓輔助掘進(jìn)存在風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)急措施

氣壓輔助掘進(jìn)存在風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對(duì)措施如表3所示。

表3 氣壓輔助掘進(jìn)存在風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對(duì)措施

3 氣壓輔助平衡的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 采用氣壓輔助平衡的優(yōu)點(diǎn)

（1）地層適應(yīng)性：適合埋深大、裂隙水發(fā)育的巖土地層和富水氣密性較好的復(fù)合地層。通過氣壓輔助工法在裂隙水發(fā)育巖層，解決地下水大量匯聚到盾構(gòu)內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）掘進(jìn)參數(shù)：有效降低盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)推力、扭矩，減小盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)負(fù)荷。

（3）保護(hù)刀具：通過氣壓降低土倉渣位，減輕刀盤背部與土倉之間的摩阻力，降低刀盤刀具磨損，節(jié)約成本。

（4）渣土改良：通過氣壓，阻止盾構(gòu)機(jī)開挖面以外地層來水，穩(wěn)定掌子面，使泡沫注入充分與土體結(jié)合，有效保證渣土改良的和易性，降低螺旋機(jī)噴涌風(fēng)險(xiǎn)，減少地下水流失。

（5）防止結(jié)泥餅：通過氣壓降低土倉渣位，防止土倉積倉、推力扭矩增大，導(dǎo)致渣溫升高、刀盤結(jié)泥餅。

（6）提高施工效率：掘進(jìn)參數(shù)較好，渣土易改良，有效阻止地層來水，防止螺旋機(jī)噴涌，有效避免安裝時(shí)間清理盾尾耽誤時(shí)間，改善隧道環(huán)境，降低設(shè)備、材料、時(shí)間損耗。

3.2 采用氣壓輔助平衡的缺點(diǎn)

（1）地層適應(yīng)性：對(duì)地層適應(yīng)性要求較高，地質(zhì)復(fù)雜多變，地質(zhì)勘察多有不明確性，對(duì)于淺埋深、松散砂層、溶洞、氣密性較差等地層不適合采取該使用工法，風(fēng)險(xiǎn)較大。如埋深較淺松散地層容易擊穿，溶洞瞬間失壓掌子面易坍塌，氣密性較差地層空氣流通較快，損失較大，若不能及時(shí)補(bǔ)充，會(huì)造成掌子面失壓。

（2）盾構(gòu)司機(jī)：對(duì)盾構(gòu)司機(jī)要求較高，目前國內(nèi)該工法應(yīng)用較少，相關(guān)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)較少，對(duì)盾構(gòu)司機(jī)氣壓輔助推進(jìn)施工工藝及相關(guān)應(yīng)急處置能力要求較高。如發(fā)生文中2.4章節(jié)使用該工法存在風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對(duì)措施，司機(jī)需熟知相關(guān)措施，快速應(yīng)對(duì)解決。

（3）土壓控制：使用該工法，應(yīng)嚴(yán)格控制土倉壓力穩(wěn)定及艙內(nèi)渣位，避免倉位過低，土倉內(nèi)氣體與螺旋機(jī)形成通道，造成螺旋機(jī)噴涌，土壓力波動(dòng)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生土壓力瞬間失壓，不利于掌子面穩(wěn)定。

（4）停機(jī)保壓：倉內(nèi)氣體滲透性較強(qiáng)，土壓力容易下掉，停機(jī)期間需時(shí)刻關(guān)注土倉壓力，若倉內(nèi)氣體外泄，隨時(shí)或持續(xù)注入空氣，保障土倉壓力穩(wěn)定。氣源壓力需源源不斷提供，做好應(yīng)急措施，配備大功率發(fā)電機(jī)，滿足空壓機(jī)使用要求。長時(shí)間停機(jī)建議采取掌子面穩(wěn)定措施。

4 結(jié)語

氣壓輔助掘進(jìn)工法在盾構(gòu)法施工應(yīng)用中有著較大的優(yōu)勢(shì)，但大多施工單位缺乏該方法施工經(jīng)驗(yàn)。該工法應(yīng)用過程中風(fēng)險(xiǎn)不容小覷，通過總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際工程案例分析，采用氣壓輔助平衡的基本條件需要滿足地層氣密性良好，地質(zhì)勘測(cè)需提前對(duì)線路周邊可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行處理，掘進(jìn)中做好土倉壓力和倉內(nèi)渣位高度控制，盾構(gòu)司機(jī)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)做好把控，密切關(guān)注土壓、推力、扭矩、掘進(jìn)速度和輔助添加劑等掘進(jìn)參數(shù)，對(duì)實(shí)際掘進(jìn)地質(zhì)的渣樣渣溫做好分析。