王懷東 WANG Huai-dong

（中鐵九局集團有限公司，沈陽 110051）

0 引言

伴隨我國基礎設施建設的發(fā)展，盾構(gòu)法施工具有施工安全性高、工期短、施工成本低等特點，已經(jīng)成為城市軌道交通工程區(qū)間隧道施工的主要施工方法。泥水平衡盾構(gòu)施工方法工程經(jīng)濟性差、項目用地較多、環(huán)保成本高，在進行水下隧道施工時會優(yōu)先采用；土壓平衡盾構(gòu)一般適用于陸地隧道施工。

對于埋深大、富水、裂隙發(fā)育的穩(wěn)定地層，按照常規(guī)的全土壓模式掘進時經(jīng)常會發(fā)生噴涌，由于洞內(nèi)空間有限，噴涌之后的泥沙清理工作量大，導致拼裝不及時，不能持續(xù)掘進，這樣便給地下水進入土倉延長了時間，加劇了噴涌的發(fā)生，形成惡性循環(huán)。噴涌的發(fā)生，延緩了工程進度，提高了工程造價，同時使土倉壓力和同步注漿質(zhì)量都難以控制，管片出現(xiàn)錯臺上浮等現(xiàn)象，影響到隧道的成型質(zhì)量。

為了提高土壓平衡盾構(gòu)的地層適應性，解決噴涌問題，同時解決盾構(gòu)負荷較大，刀盤結(jié)餅、便于排土和控制土倉壓力，本文以成都地鐵9 號線工程為例，分析采用輔助氣壓平衡模式的盾構(gòu)掘進方法優(yōu)缺點，總結(jié)相關施工工藝重點，為類似地層的盾構(gòu)施工提供了可參考的案例。

1 輔助氣壓平衡模式工作原理

1.1 常規(guī)土壓平衡模式

為了保持隧道開挖面的穩(wěn)定并控制地表變形在一定范圍內(nèi)，盾構(gòu)施工過程中，需要保持一定的土倉壓力。土倉壓力一般采用盾構(gòu)掘進過程中產(chǎn)生的無用渣土作為壓力倉填充物，起到平衡土倉內(nèi)外壓力的作用，通過刀具開挖和螺旋輸送機排出維持動態(tài)的平衡。土倉壓力過小，開挖面可能會失穩(wěn)坍塌引發(fā)地表沉降；壓力過大，不但推進速度下降而且容易導致地面隆起變形。因此，需要根據(jù)掘進過程中刀盤扭矩、油缸推力、掘進速度等參數(shù)變化和地表變形情況，對螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速進行相應的調(diào)整，并及時控制閘門開口來調(diào)整土倉壓力。

實際上，因為地質(zhì)的復雜性，改良后的渣土并不均勻且和易性不好控制，完全依靠渣土傳遞壓力的隨機性也很大。土壓平衡模式的平衡精度很難達到理想狀態(tài)，地表沉隆難以有效控制，而且渣土平衡介質(zhì)對地下水的控制起不到有效的作用。

1.2 輔助氣壓平衡模式

在氣密性好的地層，盾構(gòu)機掘進時采用“土+氣”作為平衡介質(zhì)，即利用氣壓輔助土壓對盾構(gòu)機外部壓力進行平衡，維持開挖面穩(wěn)定；同時，與泡沫結(jié)合在一起的氣體比重輕、流動快、無孔不入、均勻分布，能夠迅速占據(jù)開挖的建筑空隙，并逼退地層裂隙中的水，可取得較好效果。

輔助利用以泡沫形式存在的氣壓，能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的壓力平衡。如圖1 所示，土倉內(nèi)與刀盤正面開挖面土體平衡（a），盾構(gòu)機外殼與地層之間的開挖間隙內(nèi)與盾構(gòu)機周圍巖土體的平衡（b），盾尾注漿區(qū)域附近與同步注漿的漿液平衡（c），裂隙內(nèi)和地下水的平衡（d），螺旋輸送機區(qū)域平衡（e）。同時，盾構(gòu)機的密封系統(tǒng)中主軸承密封（f）、餃接密封（g）、盾尾密封（h）之間存在相應的油脂平衡。對開挖面施加的平衡壓力如圖2 示意。

圖1 輔助氣壓平衡范圍

圖2 開挖面處平衡壓力

2 輔助氣壓施工工藝

2.1 掘進工藝

掘進時，注入空氣與排土同時進行，通過氣土置換，氣壓逐步代替土壓維持掌子面的穩(wěn)定；通過土壓傳感器壓力和比較壓力差，判斷土倉內(nèi)渣土高度，保證渣土在土倉下部1/3 至1/2 之間；推進行程結(jié)束之前，控制出土，讓倉內(nèi)渣土高度控制在2/3 時停機，始終保持土倉上部壓力在設計范圍內(nèi)。工藝重點在土倉的壓力控制，其它推進、注漿、拼裝等與正常土壓相同。

2.2 輔助氣壓氣源形式和注入方式

氣源為隧道內(nèi)空氣，刀盤處氣體以泡沫形式注入、土倉隔板處純氣注入，空壓機及電力系統(tǒng)按照兩套配備。遇到破碎帶或水量較大地層時主要以泡沫形式注入空氣，以能夠?qū)⒖諝怄i定在相對穩(wěn)定的泡沫空間內(nèi)為原則，對泡沫系統(tǒng)的泡沫比例和泡沫壓力進行相應調(diào)整，使泡沫能順利進入裂隙和開挖間隙，阻礙地下水進入土倉，解決噴涌問題。

氣體和液體流量比值（氣液比）、空氣壓力是影響盾構(gòu)機泡沫系統(tǒng)發(fā)泡性能的重要控制參數(shù)。通過參考文獻、原液特性及現(xiàn)場試驗，發(fā)泡參數(shù)設置為氣體流量230L·min-1、氣液比50、進氣管道壓力0.3MPa、泡沫液質(zhì)量分數(shù)3%，此時盾構(gòu)機的泡沫系統(tǒng)發(fā)泡倍率及產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性均能達到工程所需。

2.3 壓力設計及原則

氣壓大小按照平衡盾體下部靜水壓考慮。此時，理論上由于氣壓作用，盾體下部圍巖不再有水流出；盾體上部圍巖裂隙水被反壓到距盾體頂部一定垂直高度處。土倉中水量控制按照只進行刀盤噴水，不另外加水，保證渣土的和易性為原則；

圍巖為相對穩(wěn)定巖層時，土倉內(nèi)渣土面高度按照超過土倉直徑的1/3 控制，以防止泥水噴涌或氣體擊穿螺旋輸送機土塞突然泄漏而失去土倉壓力。

掘進時氣壓下限：理論上按照土倉高度1/3 處的靜水壓，同時為防范地層突變風險，土倉上部壓力控制在60kPa 以上。掘進時氣壓上限：理論上，氣壓等于盾體上部靜水壓力時，盾體上部圍巖裂隙中，水壓與氣壓平衡，地下水靜止不動；在此基礎上，氣壓每增加10kPa，裂隙中的水位會提高1m；為防止地面漏氣，氣壓上限不能超過等同于隧道頂部埋深的水壓值。

停機拼裝管片時，土倉內(nèi)存2/3 高度的渣土，保持掘進時土倉壓力，交接班及長時間停機時，采用正常土壓平衡。

2.4 土倉內(nèi)存土高度判斷

通過土壓傳感器壓力差，上部和中部壓力一致，則判斷為不超過1/2，同樣比較下部和中部的壓力差，按照出土泥漿比重每米高的側(cè)壓力，反推算出渣土高度。

其中：△P 為土倉上下壓力差，P1、P2分別為土倉上、下部傳感器壓力值，γ 為泥漿重度，H 為倉內(nèi)渣面高度。

3 案例分析

以成都地鐵9 號線三元站至錦城大道站隧道區(qū)間第540 環(huán)至573 環(huán)施工過程為例：地層以全斷面中風化泥巖為主，平均抗壓強度17MPa，埋深17m 至30m，水位在地下10m 左右，側(cè)穿錦城湖，裂隙發(fā)育，破碎帶較多。盾構(gòu)機采用中鐵裝備6980 土壓平衡盾構(gòu)機，盾構(gòu)機的刀盤刀具配置如圖3 所示。初期采用常規(guī)全土壓平衡掘進，盾構(gòu)推力扭矩負荷大、溫度高，掘進速度慢；隨著地層穩(wěn)定性增加，半倉土壓模式掘進不能解決地下水的問題，經(jīng)常發(fā)生噴涌；下穿成昆鐵路框構(gòu)橋影響區(qū)時，噴涌非常嚴重，每個班次基本上只能完成1-2 環(huán)；隨后調(diào)整為輔助氣壓模式掘進，設備狀況明顯改善，具體施工參數(shù)與施工狀況對照如表1 所示。

表1 不同掘進模式對比表

圖3 刀盤配置情況

4 輔助氣壓掘進優(yōu)點分析

在富水、裂隙發(fā)育的泥巖地層中釆用輔助氣壓模式盾構(gòu)掘進有如下幾點明顯優(yōu)勢：

①減輕盾構(gòu)機掘進過程中的負荷，提高盾構(gòu)掘進速度。影響盾構(gòu)機刀盤扭矩的因素很多，主要有兩方面：一是刀具貫入開挖面巖體與開挖面擠壓、摩擦；二是刀盤與土倉及刀盤開口內(nèi)土體剪切、擠壓和摩擦，土壓越高，盾構(gòu)機的掘進負荷越大。采用輔助氣壓盾構(gòu)法進行掘進時，土倉內(nèi)部作為平衡介質(zhì)的渣土數(shù)量減少，刀盤扭矩減小，推力可以增加，貫入度增大，降低負荷的同時提高了掘進速度。

②阻隔、逼退開挖面和盾體周圍的地下水。輔助氣壓模式掘進時，含裹在泡沫內(nèi)的空氣填充進入開挖空隙和地層裂隙中，阻隔了地下水進入土倉，乃至將裂隙水逼退到一定距離，有效防止噴涌。同時，地下水的流失得到控制，盾構(gòu)施工內(nèi)部環(huán)境得到改善。

③減少土倉下部渣土沉積和結(jié)泥餅風險。土壓模式時，由于土的重力和水平方向推進的擠壓，土倉下部渣土容易沉積產(chǎn)生滯排，刀盤中心區(qū)域容易結(jié)泥餅。輔助氣壓模式時，隧道開挖面處產(chǎn)生的渣土會快速進入螺旋輸送機中，土倉內(nèi)渣土高度未到達中心區(qū)域，減小沉積和固結(jié)風險。倉內(nèi)渣土與刀盤及隔板之間的壓力、摩擦距離減小，土倉溫度低，中心區(qū)域沒有渣土，刀盤噴水效果明顯，刀盤中心區(qū)域不容易產(chǎn)生泥餅。

④提高同步注漿有效性，有利于隧道成型質(zhì)量。掘進時輔助氣壓能夠逼退地下水，脫岀盾尾部分的土體水分含量較小，注漿漿液不會被水分d 稀釋，避免漿液性能降低；漿液有效包裹盾構(gòu)殼體，在一定程度上減小錯臺；同時漿液會更容易進入到?jīng)]有水的巖體裂隙中，提高了同步注漿效果，有利于防止隧道滲漏。

⑤防止同步注漿、二次注漿竄至盾殼周圍。土壓平衡模式時，漿液在壓力作用下很容易通過止?jié){板進入到盾殼周圍，乃至是進入土倉內(nèi)，產(chǎn)生浪費。粘著在盾殼上的漿液日積月累，有些范圍內(nèi)對盾體有很大的包裹力，會對推力和盾體姿態(tài)控制有非規(guī)律性的影響。氣壓掘進能平衡盾尾處的漿體壓力，與止?jié){板一起阻止?jié){液前竄到盾殼周圍的開挖空隙。

⑥降低刀盤刀具被過度磨損的風險。盾構(gòu)機掘進過程中采用輔助氣壓模式時，土倉內(nèi)所需要的渣土體積、渣土與刀盤壓力及渣土與刀盤摩擦時間均減小，可以大幅度減少刀盤刀具的磨損程度，延長刀盤刀具使用時間。

⑦提高盾構(gòu)掘進施工效率。盾構(gòu)負荷小后可以有效加大油缸的推力，且減少清渣頻次，掘進工作效率大幅度的提升。

5 施工關鍵技術(shù)總結(jié)

①地層氣密性良好是盾構(gòu)掘進采用輔助氣壓工法的前提和基礎，若地層中存在污水井、地勘孔、等，或地層本身氣密性差，保壓效果不好。當土倉中氣壓過大時可能發(fā)生地面漏氣，地面上可能會出現(xiàn)泡沫漿液，給人們造成恐慌，影響交通。應提前排查地勘孔等容易露氣的通道及其填充封堵情況，并進行必要的填充或加固，掘進時加強地面的巡視。

②盾構(gòu)司機須密切關注渣土狀態(tài)，在主動加水量不變的情況下，如發(fā)現(xiàn)渣土變稀或掘進過程中發(fā)現(xiàn)大塊泥巖，說明遇到地層裂隙較多或是破碎帶，需要加大泡沫比例，加大氣壓。

③輔助氣壓掘進過程中，土倉內(nèi)渣土要始終高于螺旋輸送機進土口，防止氣體從螺旋輸送機中噴出。實際工作中，由于氣壓過高，倉內(nèi)水量不夠，和易性不好，渣土在刀盤和攪拌棒的轉(zhuǎn)動下容易堆起，不能有效蓋住螺旋輸送機進口，產(chǎn)生噴氣泄壓現(xiàn)象。這時需要適當增加刀盤噴水，并降低氣壓保證倉內(nèi)進入適量的水。

④輔助氣壓掘進時，若鉸接及盾尾密封油脂注入量未達到工程所需，油脂壓力不足，油脂均勻度差，則盾構(gòu)機與土體之間的氣體可能會擊穿密封油脂。要保證鉸接密封壓力高于氣壓。盾尾密封漏氣漏漿現(xiàn)象時，應提高油脂密封壓力。

⑤停機時，即使?jié)M倉土也要持續(xù)保持氣壓，維持地下靜水壓的平衡，防止“拉風箱式”保壓。

⑥在盾構(gòu)停機拼裝管片時，在倉內(nèi)壓力作用下,收回推進油缸會使盾構(gòu)機出現(xiàn)輕微后退；倉內(nèi)氣體會沿地層不斷擴散，會因溫度降低而壓力下降。

⑦若出現(xiàn)倉內(nèi)氣壓突然下降等緊急情況，應保持推進并立即停止螺旋輸送機出土，盡快將土倉填滿。填倉速度達不到要求或正在停機，可快速往土倉內(nèi)加水，維持平衡。

⑧若土倉內(nèi)壓力突然增大，此時盾構(gòu)機周圍土體可能已出現(xiàn)塌陷，司機應密切注意超挖情況，及時增加同步注漿量，避免坍塌發(fā)展到地面。

6 總結(jié)

在富水地層中，輔助氣壓平衡工法擁有較大優(yōu)勢，但由于建設單位的強制性要求或承包商成型工法經(jīng)驗的缺乏，使該工法的應用受到限制。本文基于成都地鐵九號線工程案例，總結(jié)了輔助氣壓模式盾構(gòu)施工法的施工要點，并得出以下幾點結(jié)論：

①在富水地層采用輔助氣壓平衡工法能明顯提高盾構(gòu)掘進施工效率。盾構(gòu)負荷小后可以有效加大油缸的推力，且減少清渣頻次，掘進工作效率大幅度的提升。

②輔助氣壓平衡工法對地層適應性有一定要求，隧道埋深大的穩(wěn)定土層、巖層，以及含水量較多的裂隙較發(fā)育的巖層,輔助氣壓模式工法可有效解決地下水大量匯聚到土倉內(nèi)的風險，但在氣密性差、埋深小的隧道不宜使用該工法。

③根據(jù)地層情況減少土倉內(nèi)積土，但最低要求覆蓋住螺旋輸送機進土口。當掘進地層上方存在較厚的可塑性粘土且為可短時穩(wěn)定的地層時，壓力土倉內(nèi)渣土高度應超過盾構(gòu)機中心線。

④選用適合的泡沫發(fā)生器和穩(wěn)定性好的泡沫材料，可提高阻擋地下水的能力。

⑤操作人員應時刻注意土倉內(nèi)部壓力變化，若土倉內(nèi)壓力突然增大，此時地層內(nèi)部可能已出現(xiàn)塌陷，應密切注意超挖情況，及時增加同步注漿量，避免坍塌發(fā)展到地面。