土压平衡盾构在高承压水全断面粉细砂层中掘进技术探究

尹富斌

摘要：近年来我国城市地铁建设迅速发展，随着隧道施工技术的提高，盾构施工法作为一种安全而又环保的施工方法得到了广泛的使用，其中土压平衡式盾构在我国的使用最为普遍，成为地铁隧道施工技术的主流。本文结合武汉市地铁2号线盾构1标，范—王区间左线盾构施工经验，对土压平衡盾构在渗透系数高的富水砂层中的掘进技术进行了探究。

关键词：土压平衡盾构隧道施工技术发生机理

中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：

Abstract: urban subway construction in China in recent years the rapid development, with the improvement of tunnel construction technology, construction method of shield as a kind of safety and environmental protection construction method has been widely use, including earth pressure balance type shield in our use of the most common, become the mainstream of the subway tunnel construction technology. Combining with the wuhan city metro line 1 mark shield, fan-the king of the left line interval shield construction experience, about the soil pressure balance shield in the permeability coefficient of high rich water sand layer tunneling technology in the study.

Key words: soil pressure balance shield tunnel construction technology occurrence mechanism

1. 工程概况

范湖站～王家墩站区间线路起讫里程为：DK5右+982.627～DK7右+166.325，左线长为1191.584m，右线长为1183.698m，总长度为2375.282m。设有一个联络通道，与泵房合建，里程CK6（右）+574.247；设有一个曲线，曲线半径为700m，线间距13～15m，线路最大纵坡坡度26.7‰，最小坡度2‰，最大埋深19m，最小埋深9.1m。区间隧道为外径6m，内径5.4m，管片拼装衬砌的单洞圆形隧道，管片环宽1.5m，管片砼C50，S12。

2. 施工技術难点、风险点及一些工程事故的概念和发生机理

2.1施工技术难点、风险点

根据本区间地质纵断面图，隧道含930m富水全断面粉细砂层，隧道上覆土层多为回填土地层空隙大，本区间地下水为孔隙承压水，水位距地表约3～4m。水量丰富、具承压性、砂土容易液化，是本区间施工中的主要难点。结合武汉地铁2号线范—王区间施工过程，掘进施工中存在以下风险：

①全断面粉细砂层中掘进，，容易出现，闭塞、喷涌、结泥饼等工程事故，刀盘扭矩、千斤顶总推较大；

②在富水全断面粉细砂层中掘进，出土量不好控制容易出现地面沉降问题，且本区间地面建筑物复杂，尤其是要从高压变电站主控室下面通过，稍有沉降将会发生大范围停电等用电故障，后果不堪设想；

③地层空隙大地面经常发生漏浆、漏泡沫等现象，泡沫的添加剂的外漏损失，导致土仓压力难以建立，引起开挖面失稳的风险。

2.2工程事故的概念和发生机理

2.2.1闭塞

当盾构机土仓内渣土具有较大的内摩擦角，土体与侧壁的摩擦力较大，开挖面的压力和压力舱隔板承受的千斤顶的推力较大时，土体在土仓的侧壁容易发生粘附作用（如下图所示），从而使渣土不能顺利排出。

由于在压力舱中心主轴处设有搅拌翼，搅拌范围内的土体与侧壁的摩擦力主要是抵抗搅拌翼的扭矩，其摩擦力在竖向的投影很小，因此这一部分土体不会首先成拱。又由于压力舱顶板压力较大，所以在搅拌翼搅拌影响范围以上的土体不易成拱。在搅拌影响范围以下的土体在较大的侧壁摩擦力作用下易于成拱。

如果在这种情况下，继续推进，则压力舱内的渣土会进一步压缩，导致拱作用更加强烈。在粉质粘土、砂质粘土中，很容易导致拱的产生，进而造成刀盘扭矩、千斤顶总推力的增大，并有可能导致无法正常推进。

2.2.2 喷涌

经螺旋机排出的渣土在螺旋机出口的压力一般接近零压，然后由自重作用落入皮带输送机，当到达螺旋机出口的渣土过稀还具有一定压力时，就会发生喷涌，其主要发生于在富水渗透性较大的砂性地层中施工时，原因是由于土仓和螺旋机内的土体不能完全有效的抵抗开挖面上较高的水压力，从而在螺旋机的出土口处，发生喷砂、喷泥、喷水现象；

3.施工风险应对措施

土压平衡盾构对富水、高压及含水砂层等不良地层的适应性是一个比较复杂的综合技术问题，为确保盾构机顺利掘进，需要针对各个工程事故的发生机理，从改善机械设备的性能配置、施工过程中掘进参数的设定与控制、渣土改良等方面综合考虑，结合本区间地质情况及风险点采取以下措施：

3.1 在富水全断面粉细砂层中土塞、喷涌的应对措施

根据土压平衡式盾构正常推进对土仓内土体性质的要求，针对本区间地质对渣土进行了取样并做了相关的试验，根据试验结果制定了适合本区间掘进的泡沫溶液浓度3%～5%。通过泡沫的合理使用有效的改良了渣土的性质，避免了土塞、喷涌的工程事故的发生

3.1.1土压平衡式盾构正常推进对土仓内土体性质的要求：

土压平衡式盾构施工中，要使开挖下来的渣土呈塑性流动状态，且具有一定的止水性，充满土仓以控制开挖面；同时，用螺旋机来调整排土，使排土量和切削量保持平衡，并使土仓内的渣土有一定的压力，以抵抗开挖面的土压力和水压力。因此一方面渣土作为支撑开挖面稳定的介质，其土性对开挖面的稳定起着决定性的作用；另一方面，它又源源不断的由螺旋机向外排土，它的土性好坏又直接影响着出土的顺利与否。

鉴于渣土的性状对于防止喷涌现象的重要性，而通过添加剂来进行砂土改良是一项行之有效的施工技术，改良的关键是使整个土仓的土体成一种塑性流动状态，砂土的改良不仅要降低土体的渗透率，同时还应使土体：①具有较高的含水率，较低的强度。这样易于压力舱内搅拌棒对土体的搅拌，同时保证土体受到挤压时向螺旋机内发生塑性流动，有利于排土防止闭塞。②具有较低的内摩擦角。有利于降低盾构机刀盘扭矩。

3.2 地面沉降控制及危险建筑物的保护

土压平衡盾构控制地面沉降主要的技术关键是，通过开挖面静水土压力和土仓内水土压力的平衡来保持盾构开挖面的稳定，如果土仓的压力不足，难以抵抗开挖面释放的荷载，就可能发生开挖面涌水或坍塌，导致开挖面的失稳。由于本区间隧道上方覆土层多为回填土，地层空隙大泡沫的损失比较大土仓压力很难建立，因此土仓压力不足是造成开挖面失稳的主要原因，为此我们采取了以下措施：