富水地层辅助气压平衡模式盾构施工方法研究

王怀东 WANG Huai-dong

（中铁九局集团有限公司，沈阳 110051）

0 引言

伴随我国基础设施建设的发展，盾构法施工具有施工安全性高、工期短、施工成本低等特点，已经成为城市轨道交通工程区间隧道施工的主要施工方法。泥水平衡盾构施工方法工程经济性差、项目用地较多、环保成本高，在进行水下隧道施工时会优先采用；土压平衡盾构一般适用于陆地隧道施工。

对于埋深大、富水、裂隙发育的稳定地层，按照常规的全土压模式掘进时经常会发生喷涌，由于洞内空间有限，喷涌之后的泥沙清理工作量大，导致拼装不及时，不能持续掘进，这样便给地下水进入土仓延长了时间，加剧了喷涌的发生，形成恶性循环。喷涌的发生，延缓了工程进度，提高了工程造价，同时使土仓压力和同步注浆质量都难以控制，管片出现错台上浮等现象，影响到隧道的成型质量。

为了提高土压平衡盾构的地层适应性，解决喷涌问题，同时解决盾构负荷较大，刀盘结饼、便于排土和控制土仓压力，本文以成都地铁9 号线工程为例，分析采用辅助气压平衡模式的盾构掘进方法优缺点，总结相关施工工艺重点，为类似地层的盾构施工提供了可参考的案例。

1 辅助气压平衡模式工作原理

1.1 常规土压平衡模式

为了保持隧道开挖面的稳定并控制地表变形在一定范围内，盾构施工过程中，需要保持一定的土仓压力。土仓压力一般采用盾构掘进过程中产生的无用渣土作为压力仓填充物，起到平衡土仓内外压力的作用，通过刀具开挖和螺旋输送机排出维持动态的平衡。土仓压力过小，开挖面可能会失稳坍塌引发地表沉降；压力过大，不但推进速度下降而且容易导致地面隆起变形。因此，需要根据掘进过程中刀盘扭矩、油缸推力、掘进速度等参数变化和地表变形情况，对螺旋输送机的转速进行相应的调整，并及时控制闸门开口来调整土仓压力。

实际上，因为地质的复杂性，改良后的渣土并不均匀且和易性不好控制，完全依靠渣土传递压力的随机性也很大。土压平衡模式的平衡精度很难达到理想状态，地表沉隆难以有效控制，而且渣土平衡介质对地下水的控制起不到有效的作用。

1.2 辅助气压平衡模式

在气密性好的地层，盾构机掘进时采用“土+气”作为平衡介质，即利用气压辅助土压对盾构机外部压力进行平衡，维持开挖面稳定；同时，与泡沫结合在一起的气体比重轻、流动快、无孔不入、均匀分布，能够迅速占据开挖的建筑空隙，并逼退地层裂隙中的水，可取得较好效果。

辅助利用以泡沫形式存在的气压，能够实现更大范围的压力平衡。如图1 所示，土仓内与刀盘正面开挖面土体平衡（a），盾构机外壳与地层之间的开挖间隙内与盾构机周围岩土体的平衡（b），盾尾注浆区域附近与同步注浆的浆液平衡（c），裂隙内和地下水的平衡（d），螺旋输送机区域平衡（e）。同时，盾构机的密封系统中主轴承密封（f）、饺接密封（g）、盾尾密封（h）之间存在相应的油脂平衡。对开挖面施加的平衡压力如图2 示意。

图1 辅助气压平衡范围

图2 开挖面处平衡压力

2 辅助气压施工工艺

2.1 掘进工艺

掘进时，注入空气与排土同时进行，通过气土置换，气压逐步代替土压维持掌子面的稳定；通过土压传感器压力和比较压力差，判断土仓内渣土高度，保证渣土在土仓下部1/3 至1/2 之间；推进行程结束之前，控制出土，让仓内渣土高度控制在2/3 时停机，始终保持土仓上部压力在设计范围内。工艺重点在土仓的压力控制，其它推进、注浆、拼装等与正常土压相同。

2.2 辅助气压气源形式和注入方式

气源为隧道内空气，刀盘处气体以泡沫形式注入、土仓隔板处纯气注入，空压机及电力系统按照两套配备。遇到破碎带或水量较大地层时主要以泡沫形式注入空气，以能够将空气锁定在相对稳定的泡沫空间内为原则，对泡沫系统的泡沫比例和泡沫压力进行相应调整，使泡沫能顺利进入裂隙和开挖间隙，阻碍地下水进入土仓，解决喷涌问题。

气体和液体流量比值（气液比）、空气压力是影响盾构机泡沫系统发泡性能的重要控制参数。通过参考文献、原液特性及现场试验，发泡参数设置为气体流量230L·min-1、气液比50、进气管道压力0.3MPa、泡沫液质量分数3%，此时盾构机的泡沫系统发泡倍率及产生的泡沫的稳定性均能达到工程所需。

2.3 压力设计及原则

气压大小按照平衡盾体下部静水压考虑。此时，理论上由于气压作用，盾体下部围岩不再有水流出；盾体上部围岩裂隙水被反压到距盾体顶部一定垂直高度处。土仓中水量控制按照只进行刀盘喷水，不另外加水，保证渣土的和易性为原则；

围岩为相对稳定岩层时，土仓内渣土面高度按照超过土仓直径的1/3 控制，以防止泥水喷涌或气体击穿螺旋输送机土塞突然泄漏而失去土仓压力。

掘进时气压下限：理论上按照土仓高度1/3 处的静水压，同时为防范地层突变风险，土仓上部压力控制在60kPa 以上。掘进时气压上限：理论上，气压等于盾体上部静水压力时，盾体上部围岩裂隙中，水压与气压平衡，地下水静止不动；在此基础上，气压每增加10kPa，裂隙中的水位会提高1m；为防止地面漏气，气压上限不能超过等同于隧道顶部埋深的水压值。

停机拼装管片时，土仓内存2/3 高度的渣土，保持掘进时土仓压力，交接班及长时间停机时，采用正常土压平衡。

2.4 土仓内存土高度判断

通过土压传感器压力差，上部和中部压力一致，则判断为不超过1/2，同样比较下部和中部的压力差，按照出土泥浆比重每米高的侧压力，反推算出渣土高度。

其中：△P 为土仓上下压力差，P1、P2分别为土仓上、下部传感器压力值，γ 为泥浆重度，H 为仓内渣面高度。

3 案例分析

以成都地铁9 号线三元站至锦城大道站隧道区间第540 环至573 环施工过程为例：地层以全断面中风化泥岩为主，平均抗压强度17MPa，埋深17m 至30m，水位在地下10m 左右，侧穿锦城湖，裂隙发育，破碎带较多。盾构机采用中铁装备6980 土压平衡盾构机，盾构机的刀盘刀具配置如图3 所示。初期采用常规全土压平衡掘进，盾构推力扭矩负荷大、温度高，掘进速度慢；随着地层稳定性增加，半仓土压模式掘进不能解决地下水的问题，经常发生喷涌；下穿成昆铁路框构桥影响区时，喷涌非常严重，每个班次基本上只能完成1-2 环；随后调整为辅助气压模式掘进，设备状况明显改善，具体施工参数与施工状况对照如表1 所示。

表1 不同掘进模式对比表

图3 刀盘配置情况

4 辅助气压掘进优点分析

在富水、裂隙发育的泥岩地层中釆用辅助气压模式盾构掘进有如下几点明显优势：

①减轻盾构机掘进过程中的负荷，提高盾构掘进速度。影响盾构机刀盘扭矩的因素很多，主要有两方面：一是刀具贯入开挖面岩体与开挖面挤压、摩擦；二是刀盘与土仓及刀盘开口内土体剪切、挤压和摩擦，土压越高，盾构机的掘进负荷越大。采用辅助气压盾构法进行掘进时，土仓内部作为平衡介质的渣土数量减少，刀盘扭矩减小，推力可以增加，贯入度增大，降低负荷的同时提高了掘进速度。

②阻隔、逼退开挖面和盾体周围的地下水。辅助气压模式掘进时，含裹在泡沫内的空气填充进入开挖空隙和地层裂隙中，阻隔了地下水进入土仓，乃至将裂隙水逼退到一定距离，有效防止喷涌。同时，地下水的流失得到控制，盾构施工内部环境得到改善。

③减少土仓下部渣土沉积和结泥饼风险。土压模式时，由于土的重力和水平方向推进的挤压，土仓下部渣土容易沉积产生滞排，刀盘中心区域容易结泥饼。辅助气压模式时，隧道开挖面处产生的渣土会快速进入螺旋输送机中，土仓内渣土高度未到达中心区域，减小沉积和固结风险。仓内渣土与刀盘及隔板之间的压力、摩擦距离减小，土仓温度低，中心区域没有渣土，刀盘喷水效果明显，刀盘中心区域不容易产生泥饼。

④提高同步注浆有效性，有利于隧道成型质量。掘进时辅助气压能够逼退地下水，脱岀盾尾部分的土体水分含量较小，注浆浆液不会被水分d 稀释，避免浆液性能降低；浆液有效包裹盾构壳体，在一定程度上减小错台；同时浆液会更容易进入到没有水的岩体裂隙中，提高了同步注浆效果，有利于防止隧道渗漏。

⑤防止同步注浆、二次注浆窜至盾壳周围。土压平衡模式时，浆液在压力作用下很容易通过止浆板进入到盾壳周围，乃至是进入土仓内，产生浪费。粘着在盾壳上的浆液日积月累，有些范围内对盾体有很大的包裹力，会对推力和盾体姿态控制有非规律性的影响。气压掘进能平衡盾尾处的浆体压力，与止浆板一起阻止浆液前窜到盾壳周围的开挖空隙。

⑥降低刀盘刀具被过度磨损的风险。盾构机掘进过程中采用辅助气压模式时，土仓内所需要的渣土体积、渣土与刀盘压力及渣土与刀盘摩擦时间均减小，可以大幅度减少刀盘刀具的磨损程度，延长刀盘刀具使用时间。

⑦提高盾构掘进施工效率。盾构负荷小后可以有效加大油缸的推力，且减少清渣频次，掘进工作效率大幅度的提升。

5 施工关键技术总结

①地层气密性良好是盾构掘进采用辅助气压工法的前提和基础，若地层中存在污水井、地勘孔、等，或地层本身气密性差，保压效果不好。当土仓中气压过大时可能发生地面漏气，地面上可能会出现泡沫浆液，给人们造成恐慌，影响交通。应提前排查地勘孔等容易露气的通道及其填充封堵情况，并进行必要的填充或加固，掘进时加强地面的巡视。

②盾构司机须密切关注渣土状态，在主动加水量不变的情况下，如发现渣土变稀或掘进过程中发现大块泥岩，说明遇到地层裂隙较多或是破碎带，需要加大泡沫比例，加大气压。

③辅助气压掘进过程中，土仓内渣土要始终高于螺旋输送机进土口，防止气体从螺旋输送机中喷出。实际工作中，由于气压过高，仓内水量不够，和易性不好，渣土在刀盘和搅拌棒的转动下容易堆起，不能有效盖住螺旋输送机进口，产生喷气泄压现象。这时需要适当增加刀盘喷水，并降低气压保证仓内进入适量的水。

④辅助气压掘进时，若铰接及盾尾密封油脂注入量未达到工程所需，油脂压力不足，油脂均匀度差，则盾构机与土体之间的气体可能会击穿密封油脂。要保证铰接密封压力高于气压。盾尾密封漏气漏浆现象时，应提高油脂密封压力。

⑤停机时，即使满仓土也要持续保持气压，维持地下静水压的平衡，防止“拉风箱式”保压。

⑥在盾构停机拼装管片时，在仓内压力作用下,收回推进油缸会使盾构机出现轻微后退；仓内气体会沿地层不断扩散，会因温度降低而压力下降。

⑦若出现仓内气压突然下降等紧急情况，应保持推进并立即停止螺旋输送机出土，尽快将土仓填满。填仓速度达不到要求或正在停机，可快速往土仓内加水，维持平衡。

⑧若土仓内压力突然增大，此时盾构机周围土体可能已出现塌陷，司机应密切注意超挖情况，及时增加同步注浆量，避免坍塌发展到地面。

6 总结

在富水地层中，辅助气压平衡工法拥有较大优势，但由于建设单位的强制性要求或承包商成型工法经验的缺乏，使该工法的应用受到限制。本文基于成都地铁九号线工程案例，总结了辅助气压模式盾构施工法的施工要点，并得出以下几点结论：

①在富水地层采用辅助气压平衡工法能明显提高盾构掘进施工效率。盾构负荷小后可以有效加大油缸的推力，且减少清渣频次，掘进工作效率大幅度的提升。

②辅助气压平衡工法对地层适应性有一定要求，隧道埋深大的稳定土层、岩层，以及含水量较多的裂隙较发育的岩层,辅助气压模式工法可有效解决地下水大量汇聚到土仓内的风险，但在气密性差、埋深小的隧道不宜使用该工法。

③根据地层情况减少土仓内积土，但最低要求覆盖住螺旋输送机进土口。当掘进地层上方存在较厚的可塑性粘土且为可短时稳定的地层时，压力土仓内渣土高度应超过盾构机中心线。

④选用适合的泡沫发生器和稳定性好的泡沫材料，可提高阻挡地下水的能力。

⑤操作人员应时刻注意土仓内部压力变化，若土仓内压力突然增大，此时地层内部可能已出现塌陷，应密切注意超挖情况，及时增加同步注浆量，避免坍塌发展到地面。