地铁泥水平衡盾构施工参数研究

【摘要】：在地铁工程施工中，泥水平衡式盾构是常用的一种施工机械，施工技术的主要环节就是根据施工地质条件和施工要求，设置施工参数。本文结合具体的施工案例，简述泥水平衡盾构的基本原理，提出了泥水平衡盾构施工技术的参数选择依据，供同类施工参考。

【关键词】：泥水平衡；盾构隧道；数值模拟；地表沉降；土压力；

[Abstract]:In subway construction, slurry balanced shield is a kind of construction machinery used, key construction technology is based on the geological conditions and construction requirements, construction parameters settings. Combined with the construction example, this paper briefly discusses the basic principle of slurry balance shield, the shield construction technology of slurry balance parameter choice basis, reference for similar construction.

[Keyword]:The slurry balance shield tunnel; numerical simulation; surface subsidence; soil pressure;

中图分类号：TU94文献标识码：A文章编号：

一 前言

随着我国经济的快速发展，城市交通方式也在不断革新，地下交通、地上交通的立体交通模式是解决目前我国城市交通拥堵和适应居民高效、快节奏生活方式的有效措施。地铁施工中地下工程的掘进施工是目前最为复杂的施工项目，涉及到地下土质结构、地下管网分布、地下水分布、地上交通影响等很多因素。盾构施工法作为地铁施工中的掘进机械操作，是使用盾构机在地下施工中的掘进开挖方式，它实现了工程的掘进、衬砌同步进行，由稳定开挖面、盾构机挖掘和盾尾衬砌三部分组成。这套施工技术最早是在1843年英国开始施行的，此后，陆续的在世界各国得到了迅速发展。我国的盾构施工技术始于上世纪六、七十年代，并得到了快速发展，被广泛的应用在地铁施工、隧道人防工程的施工等工程中，发挥了巨大的作用。

二 泥水平衡盾构施工基本原理

盾构施工的基本原理是，在隧道一端先设置一竖井或者基坑，然后将盾构安装就位，盾构按照设计路线进行挖掘施工。施工同时盾构尾部的隧道衬砌结构根据推进中的地层阻力，一边推进一边衬砌，并灌浆，以防止隧道及地面下沉。盾构的断面有：圆形、矩形、马蹄形、半圆形等方式，可以根据工程要求选择不同的掘进断面。盾构机按照开挖面与作业面之间的隔墙构造分为三种形式：全敞开式、半敞开式、密封式，密封式又分为泥水式盾构机和土压式盾构机。

泥水式盾构机的适应土层范围广，具有很多优点。泥水平衡盾构是目前最先进的盾构施工技术，主要是由掘进系统、泥水加压循环系统、综合管理系统、泥水分离处理系统和同步灌浆五部分组成。下面以德国海瑞克Φ9960mm气垫式泥水平衡盾构为例，列举泥水平衡盾构的主要参数，见下表2-1：

表2-1泥水平衡盾构主要技术参数

泥水平衡盾构适应于隧道上方有河流湖泊等大水体地层，粘土、粉土和砂粘土等多层地层，松散地层，高承压水层等土质。

三 盾构施工对周围环境的影响因素

盾构施工受周围土体应变状态的扰动影响有：隧道作业面附近的土层应力变化，隧道支护和注浆引起的径向位移，上覆土体的流变，掘进时土体与盾构间的剪力，开挖对土体的扰动变形，衬砌的收敛变形等。土体变形的影响主要来源于：

1.盾构掘进时，随着开挖面的土体移动，土层内应力发生变化。

2.盾构推进时，注浆不及时或压浆量不足，使土体在压力作用下进入盾尾空隙。

3.推进面障碍物随盾构移动产生的土体空隙。

4.盾壳与地层的摩擦与剪切带动土体变形。

5. 盾构在转向或后退时引起的地层土体损失。

6. 衬砌沉降引起的地层移动变形。

四 泥水平衡盾构施工参数的选择

1.工程概况

广深港客运专线深港连接隧道为ϕ9.6m双洞，单线盾构隧道，隧道场地地层从上至下主要有人工填土层；淤泥层、淤泥质细砂层；粉质黏土层；细砂、中砂、粗砂、砾砂、粗圆砾土、卵石土层；全～弱风化变质砂岩、强～弱风化大理岩和全～弱风化花岗岩， 深港隧道地质剖面图见图4-1。本工程经勘验适宜于泥水平衡式盾构施工技术。

图4-1深港隧道地质剖面图

2.对各项参数的选择分析如下：

1）刀盘开挖稳定性数值分析

刀盘开挖稳定性数值分析是泥水平衡盾构施工技术中的关键因素，保证密封加压状态下，泥水压力下的开挖面稳定，是工程质量与安全的主要环节。砂性土主动土压力的计算公式：

砂性土被动土压力的计算公式：

粘性土主动土压力的计算公式：

粘性土被动土压力的计算公式：

其中：Z为某一点的深度

y为土的天然容量

c为土的内聚力

φ为土的内摩擦角

Ka 、Kp为主动土压力系数

不同性质的土层渗透系数和土颗粒的水理作用不同，开挖面稳定性分析中，都要满足刀盘正面主动土压力的合力与泥水压力的合力平衡，才能满足土体稳定。本工程项目进行有限元模型土质情况分析材料参数如下表4-1：

表4-1有限元计算模型的材料参数

2)盾构类型的选择，主要依据于工程的地质条件和施工规范要求选择盾构的类型、驱动方式、主要参数以及辅助设备，并从施工方式的经济性和可靠性等方面考虑选型。本工程地质土层是以人工填土层、细砂层、粉质黏土层、细砂、中砂、粗砂、砾砂、粗圆砾土、卵石土层、风化变质砂岩、风化大理岩和风化花岗岩为主，施工中，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜保持水压力，开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。因此，从地质条件来看，本工程适宜于泥水平衡盾构施工。

3)刀盘及驱动的选择

刀盘结构形式有面板式和辐条式两种，面板式刀盘可以通过刀盘的开口限制进入土仓的卵石粒径，泥水平衡式盾构一般选用面板式刀盘。在驱动方式上，有变频电机驱动、液压驱动和定速电机驱动几种方式，由于变频驱动具有传动效率高、热平衡性好、噪声低的特点，因此，宜采用变频驱动。

4)同步注浆的控制

泥水平衡盾构施工技术在注浆过程中，为了保证土体的稳定性，减少土体沉陷和变形，可以采用双液单系统注浆方式。拌浆系统在将A液（水泥、膨润土、稳定剂和水）B液（水玻璃），送至井下经压浆泵注入土体，及时填塞盾尾和土体的空隙进行密封。

五 结语

泥水平衡盾构施工技术的关键是要控制刀盘正面主动土压力的合力与泥水压力的合力平衡，才能够使盾尾的衬砌施工中更好的密封，保证施工质量和安全。因此，在施工中，盾构的类型选择也要根据工程的地质条件和施工要求来定，并合理的选择各项施工参数，保证施工的正常进行。

参考文献：

[1]刘建航，上海软土隧道盾构施工技术专家系统综述[J],地下工程与隧道，1995（2,2-8）

[2]张玉军，熊传义，拟建武汉地铁盾构法施工的有限元数值模拟[J]，岩土力学，2001,22（1）：30-34

[3]项兆迟，楼如岳，傅德明，最新泥水盾构技术[M]，上海，上海隧道工程股份有限公司，2001