土压平衡盾构机穿越富水基岩掘进技术

李福涛

盾构法施工是城市地下铁路隧道施工的关键施工方法，这种施工方法虽然拥有较多优点，但是也存在一定的局限，若施工不当会产生地表沉降，还会给周围环境造成一定的负担。针对盾构施工而引发的地表沉降问题已经被学术界及施工单位所重视，并且取得了一定的研究成果，但是因为我国地质环境变化大，施工参数的设置和调整也较为复杂，所以地表沉降的相关研究还有巨大的开拓余地。

一、工程概况

洪林区间左线长为593.11m，右线长为592.45m，盾构施工所选择的是型号φ6450复合式土压平衡式盾构机，数量为两台，盾构机从翔安西路下穿进行施工，沿着东界路进行敷设，与林前站终结。隧道管片所选择的管片为楔形管片，管片的具体尺寸为，外径为6200mm，内径为5500mm，环宽为1200mm，壁厚为350mm。现阶段，掘进工作正进行到区间右线215环，正在盾构穿越第4段基岩段，总计盾构穿越基岩82m，与77环位置完成右线第一次带压开仓换刀。

二、水文地质情况

1.水文情况

（1）浅层水补给方式：本隧道工程距离海洋近，下穿过宋洋水库，浅层地表水的来源于海水、水库水以及降水，其中地下水位的高度约为3m；

（2）深层水补给方式：本隧道工程的深层地下水补给量较大，主要来源于裂隙潜水补给，属于富水基岩层。

2.地质情况

本隧道工程盾构穿越的区域的地层多为风化岩（全、中风化岩、砂砾状强风化岩等）和孤石及孤石群等地质。本标段隧道的盾构区间，基岩多且强度软硬差异大，孤石及孤石群分布广，基岩及孤石长度占隧道长度60%。

三、土压平衡掘进

保持土仓压力与作业面压力平衡是保证盾构掘进施工稳定进行的关键，也是避免出现地表沉降的核心因素。土仓压力与作业面压力平衡的保持需要从以下因素控制入手：（1）保证土仓内地层压力与水压力处于平衡状态；（2）使螺旋输送机正常运行，并保证排土量达到施工要求；（3）重视渣土的处理，保持渣土的流动性，结合施工需求来改良渣土，注入适当的改良添加剂。

1.土压设定

为了保证土仓压力设定与控制的科学性与合理性，需要立足盾构掘进区间的地质条件，分析环位置处的盾构埋深与地下水分布情况，综合多个因素进行考虑。通常情况下，土仓压力的设定值可以直接参考地下静止水土压力，土仓压力P分情况计算，即分深埋隧道与浅埋隧道两种，当隧道埋深H＜2D（D为隧道直径）时，为浅埋隧道；反之则为深埋隧道。

在土仓压力P分情况计算中，浅埋隧道和深埋隧道计算结果应用有所不同，在浅埋隧道中，上覆水土产生的压力将全部作用于开挖面，而深埋隧道的压力不会作用于开挖面。通常来说，土仓压力的基准点是刀盘中心处的水土压力，计算公式为：在式（1）中，p为侧向静止土压力，单位kN/m；k0为侧向向静止土的土压系数，不同土质中k0对取值有所不同，一般砂性土k0的取值范围为0.25～0.33，而黏性土的取值范围为取0.33～0.70，也可以按照半经验公式（a为土的有效内摩擦角，单位°）；γ为水土的容重，单位m3；h为地表到盾构机中心深度，单位m。

2.土压控制

保持开挖土量与排土量的平衡能够使得土仓压力更加稳定，因而可以从调整掘进速度、设定与控制排土量入手，以此来实现对土压的控制。

排土量的设定与控制在土压盾构施工中十分重要，因此在实际的盾构掘进施工时，调整螺旋输送机的转速参数就能够实现对排水量的控制和保证土压平衡。盾构掘进一环时理论排土量Qp，具体计算公式为：

在式（2）中，n0为松散系数；r为刀盘半径，单位cm；l为管片宽度，单位cm。

当施工人员明确盾构掘进速度与土压值后，即可输入相关参数，盾构机就可以自动计算设置理论转速N，计算公式为：

在式（3）中，QS与掘进速度决定的理论出渣量Q0相同，单位m3，而掘进速度决定的理论出渣量Q0的公式为。其中A为刀盘切削断面面积（单位m2），n0为松散系数，V为盾构推进速度，单位m/s；Vs为设定的每转一周的理论排土量，单位m3。

3.渣土改良

进行渣土改良也是保持土压平衡的关键技术要点之一，渣土改良能够使得土仓压力与开挖面水土压力相协调。渣土改良的原理是先注入改良添加剂，常见的添加剂有泡沫、膨润土等，接着利用旋转搅拌装置来对刀盘面、土仓等内部的渣土和添加剂进行搅拌，使其充分混合，从而得到性能良好的渣土。在进行盾构穿越富水基岩掘进施工过程中，进行渣土改良效果显著，具体包括以下效果：

（1）使得渣土土压更加平衡，开挖面的稳定性更高，地表沉降出现的概率大大降低；

（2）降低渣土的透水性，地下水的流失速度变慢；

（3）使得渣土具备较好的流塑性，为排土作业奠定良好基础；

（4）使得刀盘更加顺畅进行作业，避免渣土过多的粘结在刀盘上；

（5）保证螺旋输送机的稳定性，避免在排土过程中发生喷涌；

（6）保护设备的扭矩，控制刀具与螺旋输送机的磨损情况，保证盾构穿越施工的效率。

四、地质风险控制措施

依托洪林区间的地质勘察报告，总结1号线穿越基岩及孤石的经验，并吸收借鉴其他类似工程施工的优秀经验，完善改进本区间施工措施。

1.开展地面预爆破处理

在正式开始盾构穿越施工前，要做好对基岩及孤石的处理，开展地面预爆破处理，在结束一次爆破后要做好爆破效果的检验，有需要可安排二次加密补爆。由于本区间基岩多且强度软硬差异大，孤石及孤石群分布广，因此预爆破方案为爆破孔加密和加深优化。

2.编制科学的刀具配置方案

鉴于本区间的基岩多，孤石分布广这一情况，就需要重视刀具配置方案的编制，优化升级刀箱，科学调整刀圈直径。根据试验，最后选18寸滚刀刀圈，这一尺寸的刀圈有效磨损量最大可以达到35mm，与之前的17寸滚刀刀圈相比，穿越长度增加了30m，能够保证施工效率，减少因为磨损而频繁换刀。

3.掘进过程控制

主控推进参数：主控推进参数主要包括主控总推力、刀盘转速以及刀盘扭矩等，这些参数的设置要根据实际的施工情况来进行调整，如果出现异常，要对出渣情况、温度等因素进行全面详细的检查，找准原因，并及时解决，按照计划来开仓。不同岩层制定不同推进参数具体如表1所示。

渣土改良：渣土改良的重点在于注入适当的改良添加剂，而因为本区间的岩层较多，在注入泡沫和水进行渣土改良时就要以严谨的态度来进行渣土改良，避免砂砾状强风化岩板结现象的出现。

表1 不同岩层制定不同推进参数

五、结语

在富水基岩掘进施工中应用盾构土压平衡技术，能够保证盾构施工的稳定性，减少地表沉降出现的概率，保证整体施工安全顺利进行。在土压平衡掘进作业时，要保证土仓压力的稳定性，保证土压设定与控制的科学性，重视渣土改良，加强地质风险控制，从而为后续施工奠定良好基础，实现对地表沉降的控制。