土压平衡式盾构施工技术在地铁工程建设中的应用

2022-12-23赵宏达

中华建设 2022年8期

赵宏达

土压平衡式盾构施工技术兼具安全、高效、质量可靠等优势，在地铁工程建设中具有重要的地位。但部分地铁工程的建设环境复杂，受现场地质、水文等多项条件的影响，明显加大土压平衡盾构施工难度，施工期间潜在诸多安全隐患。鉴于此，文章以某地铁工程实例为依托，阐述土压平衡式盾构掘进施工的风险，再从设备选型、渣土改良等方面切入，探讨关键的工作策略。

一、工程概况

某地铁工程2 号线一期工程，起讫里程DK25+572.583～DK26+235.076，全长662.493m。其中，左线为左DK25+572.583～左DK26+235.076，全长661.682m，包含短链0.811m。区间地下水与结构的最近距离为3.7m，穿越地层以中粗砂地层为主。

二、盾构掘进的风险探析

由于砂性土颗粒粒径大、内摩擦角大、地层渗透系数高等情况的存在，不利于盾构掘进作业的顺利开展，施工期间可能遇到如下风险：

（1）砂层颗粒间存在较强的摩擦阻力，流动性较差。随着盾构进程的推进，切削产生的渣土逐步聚积在土舱和螺旋输送机内，产生一定的堵塞作用，导致刀盘扭矩、千斤顶推力均明显增加，开挖排土状态异常；同时，刀盘在切削期间有明显的磨损，在长时间切削后，影响正常盾构。

（2）砂层土体缺乏足够的流塑性，砂颗粒的相互作用力偏弱，大颗粒砾石的可控性较差，具有向螺旋叶片四周移动的趋势，或是大量堆积在土舱底部，此时土压控制难度偏高。

（3）盾构掘进时，参数的控制难度较大，例如，掘进速度、螺旋机转速、刀盘扭矩3项参数缺乏均衡性。在相对较快的掘进状态下，刀盘扭矩增加，可能出现刀盘接近满载状态运行的情况。

（4）砂层地质条件中的掘进存在土仓建压难度大的局限性，且存在于开挖面的砂层自稳能力不足，难以产生成拱效应，为此，需要加强对螺旋机的合理操控，以控制压力。但需注意的是，在螺旋机高速运行状态下，出土量增加，土舱压力有降低的变化；若以低速状态运行，则难以满足掘进要求。

三、盾构选型

勘察结果显示，现场为无水砂层，选用的是复合式土压平衡盾构。

1.刀盘适应性分析

（1）刀盘结构。集牛腿刀盘、面板、辐条于一体，其中，面板采用的是厚钢板，在该材料配置方式下，可有效避免中心泥饼的产生，同时有利于将搅拌扭矩稳定在相对较小的区间内。

（2）开口率。按照45%的开口率进行施工，开口在盘面均匀分布，降低泥饼的出现机率。

（3）刀具配置。切刀和先行刀为主要的刀具，通过两者的搭配使用，高效切削。此外，在外圈配套多把撕裂刀，辅助作业。

（4）渣土改良。规划2个膨润土出口和3个泡沫口，采取新型泡沫喷头设计。

（5）耐磨。考虑到耐磨性的要求，采用到大圆环焊接耐磨钢板。

2.螺旋输送机耐磨设计

螺旋轴的前端叶片容易由于磨损而受损，为此，在该处焊接HADOX板；取复合钢板，将其稳定焊接在螺旋机叶片上迎渣面；前盾螺机筒体也有耐磨要求，采取的是焊接复合耐磨材料的方法。

3.复合式渣土改良系统

泡沫系统实行单管单泵的配置方式，各路泡沫均有稳定性，彼此间不会产生干扰；采取预混合的方法，有利于改善发泡效果，且在此前提下能减少泡沫消耗量；盾构配置独立加水系统，具体包含加水泵、加水箱、气动球阀、管路等，在日常施工中，根据实际需求灵活启用加水系统，在适量加水后，达到改良渣土的效果。

四、盾构掘进参数

盾构掘进参数包含盾构总推力、刀盘扭矩、掘进速度、注浆压力等，某项或多项参数不合理时，均会对盾构掘进造成影响，因此需加强控制。

盾构推力主要受到盾构与土体间的摩擦因素、盾构四周的土压力、土体的黏聚力3项因素的影响；刀盘扭矩在很大程度上取决于刀盘周边土体的压力、刀盘所受土压力、盾构与土体的摩擦力等因素。其中，盾构与土体的摩擦因素、土体的黏聚性、盾构所受的土压力均会对盾构推力和刀盘扭矩造成影响。在本项目中，经过前期的规划后，盾构区间线路已经成型，可以确定盾构所受的土压力，因此无法对地层特性、埋深等进行改变，此时若要有效降低扭矩和推力，则需要采取加快掘进速度、渣土改良的方法。

五、渣土改良

在采取合适的渣土改良方法后，有助于降低盾构的推力和刀盘扭矩，为盾构掘进创设良好的条件。渣土改良剂的类型较多，常见有水、膨润土泥浆等，各类改良剂有其独特的应用特点和适用土质，需根据工程条件合理选择，具体如表1所示。

表1 改良剂比较表

分析发现，在砂层土质条件下的渣土改良中，可以考虑膨润土、发泡剂、高分子聚合物，但各类改良材料的侧重点有所不同，需要遵循因地制宜的原则，探寻合适的改良剂制备方法，充分发挥出改良剂在渣土改良方面的作用。

1.半断面砂层区间泡沫剂的使用

根据施工现场记录的信息可知，在区间前300环的掘进中，以黄土状粉质黏土和中粗砂居多，针对此类土质条件，决定采用“泡沫+水”的渣土改良方案，以此创设良好的盾构掘进作业条件，以便顺利出渣。此外，隧道断面的复合地层有50%及以上黏性土颗粒时，渣土改良材料可考虑泡沫剂，仅用此类材料即可取得较好的渣土改良效果。

2.全断面砂层渣土改良情况分析

区间前300环的渣土改良用泡沫剂完成，根据中粗砂的分布特点可知，其具有自东向西含量持续增加的变化趋势，推进至第300～500环时，隧道断面的中粗砂含量超50%，盾构刀盘扭矩较之于前300环有明显的增加，若仍采用泡沫剂改良渣土，该改良剂的投入量增加，但实际应用效果较差。可见，在砂层含量增加的地质条件下，仅采用泡沫剂改良的方法缺乏可行性，难以有效建立土压力，不利于现场的盾构掘进，且可能由于此方面效果较差而威胁到地面建筑物和地下管线的稳定性。

3.渣土改良技术

综合应用膨润土泥浆和泡沫剂，集两类材料于一体，以保证渣土改良的有效性，具体选用钠基膨润土和砂性土专用气泡剂。用量方面，膨润土∶水=1∶10（质量比），黏度35MPa·s，注入率10%～20%；泡沫剂的原液注入量为30～50L，注入率3%～5%，发泡倍率12倍。

4.渣土改良效果分析

（1）刀盘内外周的温度有所下降。根据地质勘察资料可知，砂层的内摩擦角大、流塑性差，在切削时刀盘的外周温度迅速上升，甚至一度超出刀盘许可的正常温度区间，即掘进中的实际温度达到40～50℃，刀盘密封温度的合适区间为30～40℃，导致刀盘在相对较高的温度下异常运行，且随着掘进温度的升高，达到60℃时将出现停机现象，达到70℃时刀盘密封有变形的迹象。为此，需要以可行的方法控制掘进时的温度。向刀盘前方加大泡沫和膨润土的注入量，通过两类材料的共同应用，刀盘实测温度被稳定在40℃以内，取得良好的应用效果。

（2）砂性土的流塑性增强。在盾构掘进环节，增加砂性土的流塑性是实现皮带机高效排土的关键前提。若渣土过干，将导致螺旋机油压升高，不利于渣土的正常排出，甚至有螺旋机被卡死的异常状况，此时，需安排员工开启螺旋机盖板，以人工作业的方式将其中过干的砂土清理干净；反之，在渣土过稀的条件下，其具有过强的流动性，可能会经由皮带与皮带架的间隙中流出，导致设置在双轨梁下方的管片受到污染。

六、砂层掘进技术

（1）纵观本区间盾构掘进的地层条件可知，中粗砂的占比较大，此类地层具有密实性较强的特点，标贯击数高。

（2）掘进时的常见问题。地层的密实度较高时，将加大盾构掘进的难度，盾构推力偏大，进而加大盾构姿态的控制难度，也将放慢盾构掘进速度。并且，在大推力的盾构运行方式下，盾构的推力系统以高负荷的状态运行，衍生出液压油温异常升高的问题，乃至干扰油路系统的正常运行，部分情况下还需辅助应用铰接油缸，以此提供足够的推力。由此可见，在高度密实地层中的掘进难度较大，为了改善盾构掘进条件，需要掺入适量的膨润土泥浆和泡沫，借助此类材料改良土体，优化盾构掘进施工环境，使盾构设备以相对合理的推力运行。

（3）应对方法。对于过于密实的地层，渣土改良是可行的方法，可在土舱处、刀盘前方、盾体外规划泥浆的注入点，注浆改良渣土。

（4）施工参数。加强对土舱压力的控制，以2/3舱或满舱的状态掘进，向土仓内填充渣土，以此保证掌子面的稳定性；合理协调螺旋转速和掘进速度两项参数，动态控制刀盘扭矩，使该值不超过额定扭矩的70%，在确保扭矩及其他参数均合理的前提下，适当增加土舱压力。盾构掘进环速度以35～45mm/min为宜。在全断面砂层掘进过程中，由于刀盘扭矩较大，需要加强对刀盘扭矩的控制，要求该值稳定在额定扭矩的70%以内，为此，可以采取增加泥浆注入量、原地空转刀盘或是其他可行的方法，还需有效控制刀盘内外周温度，以40℃以内为宜。

七、刀盘脱困

盾构停止掘进时恰好处于全断面砂层中，此状态下砂层逐步固结，衍生出刀盘卡死的问题，后续恢复掘进时难以正常转动刀盘。

1.处理措施

针对刀盘卡死的情况，尽可能用盾构机的脱困设施予以应对。例如，盾构机配套了泡沫管路，可经由该管路注射化学浆液，以便使固结的渣土转变为松散的状态；也可向盾体周边注入膨润土，通过此类材料的应用降低盾体与周边地层的摩擦力，在此基础上，收缩千斤顶和铰接油缸，解除盾构机的卡死状态，使其能够适量后退。若采取前述所提的措施仍难以解决刀盘卡死的问题，可参考类似工程的处理经验，做相应的处理，其中“围护桩+竖井”是可行的方法，但其存在工期长、成本高的缺点，需妥善应用。

经分析，砂层固结是导致刀盘被卡死的关键原因，结合现场条件，项目采取如下应对措施：螺旋机反转，向开挖舱内输入“加气块+短方木”，扰动存在于出土口上方的渣土，使其呈松散状态，以便有效向下掉落；经过松动处理后，螺旋机正转，将掉落的渣土运出。按照前述提及的方法多次操作，清理开挖舱内的渣土，再左右旋转刀盘，此时刀盘可正常运转。从实际应用效果来看，该“加气块+短方木”的方案在处理刀盘卡死问题时具有可行性；从实际操作的角度来看，该方法的实现难度较低、操作便捷，经过简单的处理后即可达到刀盘脱困的效果。

2.刀盘脱困的注意事项

在实施方案前，先对现场做详细的检查，对刀盘上面的地面采取围护措施，加强安全防护，以免由于地面坍塌而诱发更为严重的事故，且安排专员看守，及时发现异常状况，妥善处理。根据地面土体的特性，采取有效的加固措施，保证地面的稳定性，以免坍塌。经过处理后，盾体通过刀盘卡住的位置，在后续的掘进施工时，在原参数设定的基础上适当增加同步注浆量，并适时安排二次注浆，在浆液的固结作用下增强稳定性，提升安全性。此外，必要时对地面做注浆加固处理，以免出现地面坍塌的异常状况。