土压平衡式盾构机在地铁隧道施工中的应用技术

蔡茂军

摘要：在简述某地铁隧道盾构工程概况的基础上，论述土压平衡式盾构机工作原理和技术特征，分析了该工程项目土质对盾构施工的不利影响，阐述了土压平衡式盾构机在控制重点部位、控制工艺参数、改良盾构渣土等方面的应用技术，提出了砂层盾构常见问题及采取的措施，以及如何解决刀盘卡顿问题，可供相关工程技术人员参考。

关键词：地铁隧道；土压平衡；盾构施工；应用技术

0   引言

应用土压平衡式盾构施工技术，在盾构机掘进过程中可保持作业面与土仓之间的压力平衡，可适应不同土质土层盾构施工需求，确保在复杂地质工况下的安全高效作业[1]。研究土压平衡式盾構技术工作原理及其技术特征，分析掘进过程的难点，改进盾构施工技术，有利于促进提高地铁隧道工程的施工质量和施工效率。

1   地铁隧道工程概况

某地铁隧道工程项目使用土压平衡盾构施工方式实施盾构贯通，盾构区域通过2台盾构机同时掘进，双线盾构总长为2739m，其中左线长1357m，右线长1382m。盾构隧道区间结构同地下水的最短距离为4.1m，盾构地层主要为中粗砂无水砂层地质。

2   土压平衡式盾构技术概述

2.1   土压平衡式盾构机的工作原理

土压平衡式盾构机的工作原理，主要是通过盾构机刀盘对土层实施切削，通过刀盘上的入口，将产生的渣土导入至刀盘后面的土仓中。渣土在土仓内进行拌和加工，形成流塑形态。推进液压缸产生的推力，通过隔板、仓内渣土、刀盘等传导至刀盘前端的掌子面，使得前端掌子面的土层压力、地下水压力与盾构机推力保持平衡状态，以保证作业过程中土层与盾构机接触面的压力处于稳定状态。螺旋输送机一端布置在土仓内部，根据掘进情况，通过螺旋输送机和胶带运输机将多余的渣土输送出去[2]。土压平衡式盾构机的主要结构如图1所示。

2.2  土压平衡式盾构机的技术特征

土压平衡式盾构机在推进液压缸推进和刀盘削切的双重作用下，进行掘进作业。对形成的渣土进行再处理，使其形成流塑状态，以确保盾构机土仓内的压力符合掘进作业要求，形成掘进过程整体结构的支撑效果[3]。

由于掘进过程始终处于运转状态，在确保刀盘削切作业的基础上，可操作螺旋输送机持续输出渣土。在螺旋输送机同步完成出渣和保持压力平衡的动态过程中，利用其叶片结构，可使动态压力始终处于标准要求的范围。

在水压较高的地质条件下，渣土将在特定时间中被稀释，进而形成土压急剧下降。如果掘进过程中土压升高，刀盘的切削阻力也会提高。如果阻力值超过了驱动扭矩，就会形成堵仓状态。可见，尽管土压平衡式盾构技术具备较好的施工优势，需尽量避免在多水源的江河湖泊工况条件下进行掘进施工。

3   土质对盾构施工的不利影响

因为盾构地层土质中存在砂土粒径大、渗透率高、内摩擦角大等因素，对隧道盾构掘进形成不利作业条件，给土压平衡式盾构机的掘进施工带来不利影响。

3.1   影响渣土清排

由于地层砂粒间摩擦产生的阻力较大，砂粒流动性差。在土压平衡盾构掘进实施过程中，削切作业形成的渣土不断汇集在螺旋输送机和土仓中，会造成渣土塞状况，进而导致推进液压缸阻力和刀盘扭矩的显著增大、渣土清排受阻[4]。削切过程还会造成刀盘磨损加快，最终导致影响盾构机掘进效果。

3.2   影响掘进参数

地层土质中砂土粒径大，在盾构机掘进过程中不易管控盾构操作参数。其中螺旋机转速、盾构机掘进速度及刀盘扭矩等参数，容易出现均衡性失调情况。在快速掘进盾构过程中，如果出现刀盘扭矩提高情况，容易导致刀盘运转处于满负荷运行状态。

3.3   影响土压平衡

地层砂粒土质缺少流塑效果，会造成砂粒间的相互作用减弱。大粒径砂石的可控性差，会在土仓底部形成大量沉积，或向螺旋输送机叶片周边滑移状态，使得较难实现土压的有效控制。

3.4   影响土仓建压

中粗砂地质情况下的盾构施工过程不易完成土仓建压，容易形成掘进基础面砂层结构失稳情况，不易建立成拱效应。针对上述情况，应通过合理操控螺旋输送机，实现压力均衡调节。操作过程中，应重点控制螺旋输送机因高速运转造成的出土量增加、土仓压力变低的情况。同时控制螺旋输送机低速运转造成的出土量减少、土仓压力增高的情况。地铁隧道土压平衡盾构施工模拟如图2所示。

4   土压平衡式盾构应用技术

该地铁隧道工程项目地质为无水砂层，因此选择复合土压平衡盾构方式进行施工。

4.1   重点部位处置

4.1.1   刀盘

盾构机刀盘主要由面板、牛腿刀盘、辐条等组成。面板由厚钢板制作，可防止产生中心泥饼，并将搅拌扭矩平稳控制在较小范围内。刀盘开口率设定为45%，并匀称布置于盘面，以避免泥饼现象的发生。主体刀具主要以先行刀和切刀为主，利用相互配合提升削切效率。刀盘外圈设置辅助撕裂刀，配合削切。刀盘设置多点位泡沫口和膨润土出口，通过新型泡沫喷头实现渣土改良。刀盘选用大圆环焊接型耐磨钢板，以增加其耐磨效果。

4.1.2   螺旋输送机

螺旋输送机前端螺旋轴和叶片易产生磨损，此位置加焊耐磨钢板，叶片迎渣面位置做加固焊接复合钢板处理，并在螺旋输送机前端筒体加焊复合型耐磨材料，以加强其耐磨性能[5]。

4.1.3   泡沫和加水系统

采用单管单泵泡沫系统，保证全部管路泡沫的平稳输出，相互间不形成干扰。通过预混合模式优化发泡质量，有效控制泡沫使用量。加配独立加水系统，该系统设有加水气动球阀、箱体、泵体及管路，并依据工程所需灵活实现加水处理，实现渣土的有效改良。

4.2   工艺参数

如果土压平衡式盾构机的工艺参数不符合要求，会影响隧道盾构效果。其工艺参数主要包括盾构速度、刀盘扭矩、注浆压力、总盾构推力等。刀盘扭矩主要受盘体周围土体压力、土体摩擦力及受土压力等因素影响；总盾构推力主要受周边土体压力、摩擦力、粘聚力等因素影响。本地铁隧道工程的盾构线路已在工程设计阶段完成，因此盾构过程的土压力基本确定。因为无法改变地质特征、隧道埋深等客观情况，为达到减少总盾构推力和刀盘扭矩的目的，应从改良盾构渣土、提升盾构速度等方面入手。

4.3   改良盾构渣土

4.3.1   改良方法

改良盾构渣土通常选择添加渣土改良剂的方式来实现，常见的渣土改良剂为膨润土砂浆、水等[6]。针对本地铁隧道项目的砂层土体状况，主要选择发泡剂、膨润土、高分子聚合物等材料。改良时应参照渣土特性完成改良剂的配制，以期达到渣土改良效果。

4.3.2   改良半断面砂层

根据本地铁隧道的前期勘察结果可知，在前300环的掘进区间里，土体多为中粗砂及黄土粉状黏土土质。针对此种土质，主要通过添加水和泡沫的方式实现渣土改良，为盾构和出渣作业创造便利条件。隧道盾构区间复合地层如遇黏性土颗粒占土质半数以上时，单独选择泡沫剂做改良材料，即可达到预计的渣土改良效果。

4.3.3   改良全断面砂层

盾构机掘进到300～500环区间时，隧道断面中粗砂增加至超过土质半数比例，相应刀盘扭矩明显升高。此时依旧单独使用泡沫剂改良渣土难以达到改良效果，且会造成周边建筑和管线失稳。针对该地质状况，选择泡沫剂加膨润土砂浆的方式实现渣土改良，最终确定使用砂性土专用气泡剂及钠基膨润土作为改良剂。

经过反复试验，确定膨胀土和水按1：10的质量比配比进行拌和；黏度控制在35MPa·s，添加率为10%～20%；原液泡沫剂添加量为30～50L之间，添加率控制在3%～5%之间，发泡倍率为12倍。按照上述配比，渣土改良效果明显。

4.3.4   改良砂性土流塑性

如果发现渣土含水率过低，应及时开启螺旋机盖板，将过干的砂土及时清排；如渣土含水率过高，表明砂性土流塑性较高，装运渣土过程中易从输送机胶带间隙中掉落，导致污染轨梁下端管片，应加以控制。

4.4   砂层盾构常见问题及处理措施

4.4.1   砂层盾构常见问题

本地铁隧道工程项目中，粗砂地质占比较大。粗砂地质具有较强的密实度，掘进过程中容易造成盾构推力大、盾构姿态难以控制、减缓盾构掘进效率和速度的局面。过大的盾构推力会造成盾构机高负荷运转，导致液压油升温，进而造成液压运行异常。

4.4.2   采取的措施

一是在刀盘前端、土仓位置、盾体外侧合理安设改良剂注入点，以便于泡沫剂和膨润土泥浆的注入、合理改良渣土土质、使盾构机获得合适推力掘进。二是在盾构机掘进过程中，合理控制土仓压力，在土仓为满仓或2/3容积情况下进行盾构作业，并持续填装土仓内渣土，以确保掌子面的平稳效果。三是通过调控掘进速度和螺旋转速，实现刀盘扭矩的动态调控，保证其在低于70%额定扭矩状态下作业，在保证刀盘扭矩和相应参数的情况下，适量提升土仓压力。四是针对全断面砂层施工易导致刀盘扭矩过大的问题，合理调控刀盘扭矩工作范围，通过原地刀盘空转、提升泥浆填入量等方式控制刀盘扭矩。五是控制地铁隧道盾构掘进环速度在35～45mm/min区间范围，同时应合理调控刀盘外围温度，使其维持在40℃上下。

4.5   解决刀盘卡顿问题

4.5.1   准备工作

在全断面砂层盾构掘进过程中，砂层的固结可造成刀盘卡顿、盾构机停止掘进。在刀盘脱困处理方案实施前，应做好以下准备工作：一是全面勘察作业现场情况，对刀盘上方地表做好安全围护，并安排专人值守，及时发现和处理异常问题，防止地表坍塌引起安全事故。二是依据现场地表土质特征，科学实施加固手段。如有必要，应对地表进行注浆加固处置，防止盾构施工过程中发生地表塌陷。三是对地表进行加固处理后，在后续掘进过程中，适当增加同步注浆量，并根据实际情况进行二次注浆，以增强土体的稳定效果。

4.5.2   解决方法

一是增加砂层土质的流塑性，通过盾构机泡沫管路注入化学砂浆，用以将固结渣土做松散处理。采用在盾构体周围填注膨润土材料的方式，以减少盾构体周围地层的摩擦力。同时将铰接液压缸和顶推液压缸做收缩调节，使盾构机适量收缩，以摆脱盾构机卡顿状态。二是刀盘卡顿可通过螺旋输送机反转，并向盾构仓内填注短方木与加气块的方式，加强出土口上端渣土的扰动，通过松散处理使其向下脱落，随后正转操作螺旋机，将脱落渣土及时清排。依据此方法多次往复处理，可将盾构仓内渣土有效清排，配合左、右旋转刀盘操作，可实现刀盘恢复正常运行工作。由于通过短方木与加气块配合操作的方式，解决刀盘卡顿的效果较好，且实施简单、操作方便，因此具有較高的应用可行性。三是对刀盘卡顿不明显的问题，可采用“竖井+围护桩”的方式予以解决。但由于此方式实施周期长、投资费用高，通常使用率较低。

5   结语

在地铁隧道盾构施工中应用土压平衡式施工技术，既可实现掘进施工作业面与土仓之间的土压平衡，还可实现复杂地质工况下的高效安全施工、保证盾构掘进速度和施工质量。本文结合地铁隧道盾构工程施工实际，通过多角度分析研究土压平衡式盾构施工技术在地铁隧道施工的应用技术，保证了该地铁隧道盾构工程施工的顺利实施。

参考文献

[1] 王彩君，宋鹏飞.特殊条件下盾构施工技术难点及应对措

施分析[J].工程与建设，2022（6）： 1728-1730.

[2] 徐向飞.天津地铁5号线复杂地质条件的盾构施工技术研

究[J].建筑机械，2017（6）：176-178.

[3] 林凯凯.地铁工程土压平衡式盾构施工技术要点分析[J].佳

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[4] 陆云.地铁工程土压平衡式盾构施工技术分析[J].工程技术

研究，2021（6）： 135-136.

[5] 韩喜忠.地铁工程土压平衡式盾构施工技术要点分析[J].建

筑技术开发，2017，44（5）：78-79.

[6] 赵宏达.土压平衡式盾构施工技术在地铁工程建设中的应

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