浅析土压平衡盾构机过全断面砂层施工技术

摘要：以某全断面盾构砂层施工区间为例，针对土压平衡盾构机施工过程中的参数设置及主要技术措施等方面进行分析，给出土压平衡盾构机过全断面砂层施工技术方案，并结合地质情况，给出相应预防及应急措施。

关键词：土压平衡盾构机；掘进参数；技术措施；应急措施

中图分类号：TU74 文献标识码：A文章编号：

Abstract: a whole section to shield of sand layer construction interval, for example, in soil pressure balance shield machine parameter and construction process of the main technical measures, analyzed to unearthed pressure balance shield machine a whole section of sand layer construction technical scheme and with geological conditions, and gives corresponding prevention and emergency measures.

Key words: soil pressure balance shield machine; Heading parameters; Technical measures; Emergency measures

0 前言

随着城市轨道交通建设的快速发展，盾构法施工因掘进速度快、质量优良、安全环保等优势在轨道建设中发挥着重要作用，而土压平衡盾构机因其能较好的控制地表沉降、污染小、适应在市区和建筑密集处施工等优点，在我国城市建设中得意广泛应用。本文分析土压平衡盾构机穿越全断面砂层主要参数设置及相应技术措施，并给出应急预案。

1 工程概况

以某地铁盾构区间为例，地层的沉积年代为第四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl），开挖面地层主要以低压缩性的中粗砂层、粉细砂层为主（地基的基本承载力σ0>300KPa）,局部夹有少量的粉质粘土层，隧道开挖面上部大部分为砂层，含少量粉质泥土，下部持力层为密实的砂土层及粉质泥土层。

区间沿线建筑物较少，大部分为市政道路、农田、蔬菜大棚和树林，且有一条10m宽河流穿越本线路。线路平面上最小曲线半径为R=1500m，区间线路纵向呈“V”字坡，隧道纵坡最大坡度23‰，区间隧道底埋深16.57~23.26m。地下水有两层，水头埋深分别为4.72~6.02m和8.35~11.10m。

2 土压平衡盾构机主要性能参数

针对砂性土层埋深较浅、存在潜水及承压水的特点，盾构机配备专门的加泥、加水、泡沫系统，螺旋输送机需设置放喷涌装置，其主要性能参数见表1。

表1 盾构主要性能参数

3 盾构机掘进参数设置

根据该地铁盾构区间隧道的具体地质情况（以中、粗砂为主），应采用土压平衡掘进模式，使开挖面保持一定的土压力，控制地表沉降及开挖地层的坍塌。

根据地层的特性，通过砂层的掘进参数参考如下：

1）土仓压力P

土仓压力通常与土仓所处地层的应力相等，计算盾构荷载时，应选择盾构施工区间的典型断面作为计算断面，即盾构通过软弱地层覆土最厚处的断面。盾构外部荷载按照最大厚度处的松动土压或两倍盾构外径的全土柱土压计算，并取两者中的较大值作为盾构计算的外部荷载。（注：地层在含水层中，计算时均考虑土体的重度为浮重度）

图1 盾构外荷载示意图

① 松动土压力计算

由泰沙基公式可得

（1）

其中，，

为土密度（t/m3）,

为黏聚力（kPa），

为土压力系数，

为土的内摩擦角（°），

为最大覆土厚度（m），

为刀盘半径（m）。

② 2倍盾构直径全土柱土压力

（2）

盾构底部土压

（3）

盾构上部和下部的侧压力分别为

（4）

（5）

其中， 为盾构外径（m），

为盾构主机长（m），

为盾构主机质量（t），

为水平侧压力系数。

在土压平衡掘进时，分别计算出此标段盾构机的最大土压力值与最小土压力值，最终将盾构机的土压力控制在最小值与最大值之间，同时兼顾地表监控的数据对土压力的设定参数进行反溃。

经计算，盾构机刀盘中心附近的土压平均值在88.9-124.4KPa。（由于篇幅的原因，省略了计算过程）

2）盾构机的推进阻力

盾构推力包括：克服外壳与土之间摩擦阻力的推力；克服刀盘承受的主动土压力所需的推力；克服土的粘结力的推力；克服管片与盾尾间摩擦阻力的推力；后续后配套设备所需的牵引力。即所需的总推力

（6）

其中；

；

为刀盘中心处的侧向土压力，；

为钢材与砂卵石的摩擦因数，为每环管片的质量（t），为后配套设备牵引因数，为后配套设备质量（t）。经过计算，盾构机的推力阻力为1370t，考虑到盾构需进行曲线开挖，推力应增加约10~30%，因此盾构应提供的总推力为：t。

3）刀盘转速与刀盘扭矩

根据北京类似地层的施工经验，盾构掘进时的刀盘转速一般为1.0rpm；以此转速下，驱动电机能发挥最大扭矩。

刀盘扭矩主要包括：刀具切削土体所需的扭矩；刀盘自重所产生的阻力矩；刀盘密封装置产生的阻力矩；刀盘周边的摩擦扭矩；刀盘辐条和搅拌装置对土体的搅拌扭矩。则刀盘总扭矩为

（7）

刀盘转速=1.0rpm时扭矩一般为5830kN・m，刀盘的最大扭矩为7580 kN・m（脱困扭矩）。正常掘进时，扭矩应低于最大扭矩；当工作扭矩超过最大扭矩时，刀盘将停止转动，如多次正反转启动未果，即可启动脱困扭矩，使刀盘重新启动。

4）螺旋器转速

，根据维持土仓压力的需要或出土口处的出土情况进行调整，根据掘进的经验，当速度达到30r/min左右时，应尽可能的调高螺旋器转速和将出土口开至最大，以保证出土的顺畅，也可在一定程度上避免泥饼的形成。

5）掘进速度

根据土质、扭矩、推力和土仓压力等综合确定，受土质影响最大。，前期一般，正常掘进速度可达到3~7cm/min左右。

6）同步注浆量与注浆压力

同步注浆量理论上市充填盾尾建筑空隙，但同时要考虑盾构推进过程中的纠偏、浆液渗透（与地质情况有关）及注浆材料固结收缩等因素。根据本标段的地质及线路情况，注浆量一般为理论注浆量的200%~225%，并应通过地面变形观测来调节。注浆量按下式进行计算：

（9）

式中，为注入量（m3）；为注浆率（取200%~225%，曲线地段及砂性地层段取较大值，其它地段根据实际情况选定）；为盾尾空隙（m3），，为盾构切削土体直径（即为刀盘直径6.18m），为管片外径（6.0m），为管片宽度（1.2m）。

即，则。

是在注浆处的水土压力的基础上相应提高0.5~1.0kg/cm2，且使浆液不会进入土仓和压坏管片，并保证地面的隆陷值在允许范围内（+10，-20mm）。二次补强注浆量根据地质情况及注浆记录情况，分析效果，结果监测情况，由注浆压力控制为主，注浆量为辅助。

8）土体改良剂的配比与应用

刀盘的中心刀注入孔和周边注入孔大流量的泥浆（60L/min~100L/min），其他注入孔注入泡沫剂。发泡剂的掺量和空气的配合比例主要根据地质情况和发泡剂的发泡效果确定，一般情况下，，。

此标段为富水地层，采用，，在施工时可进行微调。

4 通过砂层采用的主要技术措施

1）据本标段区间隧道通过地层的特点，在掘进施工时，采用土压平衡模式掘进，掘进过程中加强渣土管理，严格控制出土量，确保土仓压力以稳定工作面和控制地表沉降。

2）科学地选取合理的掘进参数，根据隧道所处地层的水、土压力通过计算确定土仓压力，在掘进参数实施过程中，结合地表变形监测结果进行分析并进行优化，选取最优的掘进参数进行实施。

3）渣良采用添加泥浆与添加泡沫剂相结合的方式，刀盘面板以注入泡沫为主，改善渣土性能，减少刀盘的磨损，提高渣土的流动性和止水性，防止涌水、涌沙和喷涌现象的发生。

4）适当缩短同步注浆浆液凝结时间，保证同步注浆质量，减少地层损失以控制地表沉降。

5 预防与应急措施

考虑该盾构区间有一条河流穿过，施工时最可能遇到的是喷涌问题，可采用如下方法进行预防和应急处理：

1）采用超前钻探的方式，加强对前方地层的超前探测，若发现水囊，及时进行处理；

2、出现喷涌现象时，即时关闭出土闸门，继续往前掘进，直至土仓压力达到压力上限值时停止掘进，使土仓满土后停止，然后稍开出土闸门，不启动螺旋机，让土压把砂土挤出，待砂土挤出速度较慢甚至不自动流出时再启动刀盘往前掘进。

3）保持连续掘进，减少盾构机停顿时间；

4）适当调整浆液的配比，保证注浆质量，控制注浆压力和注浆量，确保地表沉降在设计要求的范围内；

4）运用导向系统和分区操控推进油缸，控制盾构姿态，防止盾构抬升。

富水砂层的承重能力较低，加上盾构机在掘进过程中的震动，姿态较易往下沉。因此在地层中盾构机的姿态宜保持向上，但趋势宜控制在±4。若出现机头往下掉的情况，需及时通过千斤顶行程调节姿态。调节不可过急，宜通过千斤顶行程及选取最优管片两者结合来调节，否则会使得盾尾间隙过小，以致管片错台。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。