浅析土压平衡盾构保持掘进面稳定的措施

宫学军

土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板,使土仓和排土用的螺旋输送机内切削下来的泥土进行改良后,依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖土碴加压,使土仓作用于开挖面以使其稳定的一类盾构。其工作原理见图 1。

盾构推进时,前端刀盘切削土层,切削下来的土体进入密封土仓,当土仓内的土体足够多时,可与开挖面上的土、水压力相抗衡,使开挖面地层保持平衡。盾构设有螺旋输送机,由其将碴土排送到土箱,运至地面。螺旋输送机的排土口上装有滑动闸门或螺旋式漏斗,以控制出土量。在盾构掘进过程中向开挖面加压灌注水、粘土、膨润土、高浓度泥水、泥浆和泡沫等,同时靠刀盘和搅拌翼混合搅拌切削下来的土体,使之具有止水性、流动性。使得切削下来的土体能够顺利排出,又能提供压力,与开挖面的水、土压保持平衡,使开挖面保持稳定。

为有效的控制地面沉降,必须保持盾构掘进面的稳定。土压平衡盾构机是通过调节推进速度、螺旋输送机的转速来控制土仓内泥土形成的压力,以平衡掘进面地层的水土压力,同时一边掘进一边出土,详见图 2。

当出土量大于盾构切削泥量时,控制土压的最小值 Pmin小于切削面泥水压力F,地面出现沉降;当出土量小于切削泥量时,控制土压的最大值Pmax大于切削面泥水压力F,地面将出现隆起;当出土量等于盾构切削泥量时,控制土压值P等于切削面泥水压力F,地面不会出现沉降和隆起。因此,保证掘进面土体的稳定,主要有以下几项措施,详见表 1。

表1 开挖面稳定控制项目表

向土仓内加入改良土体的塑流化材料泥浆,加泥控制压力为0.35MPa,加入的泥浆必须能使土仓内土体具有适当的流塑性和较低的透水性,尽量减少土仓周边土体颗粒的渗透损失。

在实际施工中常用螺旋输送机的排土率 K来判定土体的塑流性:

其中,Vs为螺旋输送机每转一周的排土体积;N为螺旋输送机转速;A为切削断面积;V为推进速度。

1)当土体处于良好塑流状态时,K为 1.0左右。若土体处于干硬状态时,土体摩阻力增大并产生拱效应,螺旋输送机的效率会明显下降,必须提高螺旋输送机的转速来维持土仓的土压,K值将大大超过 1.0。若土体柔软而富有流动性时,螺旋输送机只能以较低的转速排土,甚至在排土口还会产生喷涌现象,K值可以接近零;2)加入适量的泡沫剂。泡沫剂可在土体内形成大量的泡沫,使土颗粒分得均匀,从而降低了土体的内摩擦角和渗透性,又因其比重小,搅拌负荷轻,容易将土体搅拌均匀,从而提高土体的流动性和不透水性;3)控制土压。控制土压设定值应满足平衡掘进面地层的水土压力,同时又不会引起过大的地面隆起。一般采用静止土压和被动土压进行计算,取值:被动土压 +地下水压力＞土压设定值(P)＞主动土压+地下水压力,一般比主动土压大 20%～30%进行设定;4)控制每环出土量。根据理论计算量和正常掘进每环出土统计量来确定每环控制出土量,尽量做到:环出土量=环掘进切削泥量;5)控制推进速度。以设备能力的 40%～50%速度匀速、连续掘进;6)控制螺旋输送机转速。推进过程中做到:螺旋输送机单位时间的排土量 =刀盘单位时间的切削泥量。

另外,制定各种停机情况下保证掘进面土体稳定的措施:

1)管片拼装时,禁止千斤顶全伸全缩。拼装哪片回缩哪片处的千斤顶,拼装完后立即回伸千斤顶,再回缩下一片处的千斤顶并拼装该片。保证拼装时千斤顶推力,最大限度的减少管片拼装时土仓压力的损失。2)长时间停止掘进时,土仓内预先保持较高的土压,千斤顶全伸,为防止油压损失造成千斤顶泄力,需在后续管片与盾构机之间加设人工支撑。

综合结论:

保证掘进面土体稳定是盾构掘进控制的一项基本内容,必须根据盾构掘进的地层情况、路线情况及地面建筑物和地下障碍物情况,制定相应的掘进参数及控制措施,加强设备的日常维修和保养,保证盾构掘进施工连续进行。

[1] 沈 婕.盾构土压平衡技术透析[J].山西建筑,2009,35 (13):321-322.