蔡茂軍

摘要：在簡述某地鐵隧道盾構(gòu)工程概況的基礎(chǔ)上，論述土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)工作原理和技術(shù)特征，分析了該工程項目土質(zhì)對盾構(gòu)施工的不利影響，闡述了土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在控制重點部位、控制工藝參數(shù)、改良盾構(gòu)渣土等方面的應(yīng)用技術(shù)，提出了砂層盾構(gòu)常見問題及采取的措施，以及如何解決刀盤卡頓問題，可供相關(guān)工程技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；土壓平衡；盾構(gòu)施工；應(yīng)用技術(shù)

0? ?引言

應(yīng)用土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中可保持作業(yè)面與土倉之間的壓力平衡，可適應(yīng)不同土質(zhì)土層盾構(gòu)施工需求，確保在復(fù)雜地質(zhì)工況下的安全高效作業(yè)[1]。研究土壓平衡式盾構(gòu)技術(shù)工作原理及其技術(shù)特征，分析掘進(jìn)過程的難點，改進(jìn)盾構(gòu)施工技術(shù)，有利于促進(jìn)提高地鐵隧道工程的施工質(zhì)量和施工效率。

1? ?地鐵隧道工程概況

某地鐵隧道工程項目使用土壓平衡盾構(gòu)施工方式實施盾構(gòu)貫通，盾構(gòu)區(qū)域通過2臺盾構(gòu)機(jī)同時掘進(jìn)，雙線盾構(gòu)總長為2739m，其中左線長1357m，右線長1382m。盾構(gòu)隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)同地下水的最短距離為4.1m，盾構(gòu)地層主要為中粗砂無水砂層地質(zhì)。

2? ?土壓平衡式盾構(gòu)技術(shù)概述

2.1? ?土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的工作原理

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的工作原理，主要是通過盾構(gòu)機(jī)刀盤對土層實施切削，通過刀盤上的入口，將產(chǎn)生的渣土導(dǎo)入至刀盤后面的土倉中。渣土在土倉內(nèi)進(jìn)行拌和加工，形成流塑形態(tài)。推進(jìn)液壓缸產(chǎn)生的推力，通過隔板、倉內(nèi)渣土、刀盤等傳導(dǎo)至刀盤前端的掌子面，使得前端掌子面的土層壓力、地下水壓力與盾構(gòu)機(jī)推力保持平衡狀態(tài)，以保證作業(yè)過程中土層與盾構(gòu)機(jī)接觸面的壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)。螺旋輸送機(jī)一端布置在土倉內(nèi)部，根據(jù)掘進(jìn)情況，通過螺旋輸送機(jī)和膠帶運(yùn)輸機(jī)將多余的渣土輸送出去[2]。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2? 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的技術(shù)特征

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)液壓缸推進(jìn)和刀盤削切的雙重作用下，進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。對形成的渣土進(jìn)行再處理，使其形成流塑狀態(tài)，以確保盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)的壓力符合掘進(jìn)作業(yè)要求，形成掘進(jìn)過程整體結(jié)構(gòu)的支撐效果[3]。

由于掘進(jìn)過程始終處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在確保刀盤削切作業(yè)的基礎(chǔ)上，可操作螺旋輸送機(jī)持續(xù)輸出渣土。在螺旋輸送機(jī)同步完成出渣和保持壓力平衡的動態(tài)過程中，利用其葉片結(jié)構(gòu)，可使動態(tài)壓力始終處于標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍。

在水壓較高的地質(zhì)條件下，渣土將在特定時間中被稀釋，進(jìn)而形成土壓急劇下降。如果掘進(jìn)過程中土壓升高，刀盤的切削阻力也會提高。如果阻力值超過了驅(qū)動扭矩，就會形成堵倉狀態(tài)?？梢?，盡管土壓平衡式盾構(gòu)技術(shù)具備較好的施工優(yōu)勢，需盡量避免在多水源的江河湖泊工況條件下進(jìn)行掘進(jìn)施工。

3? ?土質(zhì)對盾構(gòu)施工的不利影響

因為盾構(gòu)地層土質(zhì)中存在砂土粒徑大、滲透率高、內(nèi)摩擦角大等因素，對隧道盾構(gòu)掘進(jìn)形成不利作業(yè)條件，給土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)施工帶來不利影響。

3.1? ?影響渣土清排

由于地層砂粒間摩擦產(chǎn)生的阻力較大，砂粒流動性差。在土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)實施過程中，削切作業(yè)形成的渣土不斷匯集在螺旋輸送機(jī)和土倉中，會造成渣土塞狀況，進(jìn)而導(dǎo)致推進(jìn)液壓缸阻力和刀盤扭矩的顯著增大、渣土清排受阻[4]。削切過程還會造成刀盤磨損加快，最終導(dǎo)致影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效果。

3.2? ?影響掘進(jìn)參數(shù)

地層土質(zhì)中砂土粒徑大，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中不易管控盾構(gòu)操作參數(shù)。其中螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度及刀盤扭矩等參數(shù)，容易出現(xiàn)均衡性失調(diào)情況。在快速掘進(jìn)盾構(gòu)過程中，如果出現(xiàn)刀盤扭矩提高情況，容易導(dǎo)致刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

3.3? ?影響土壓平衡

地層砂粒土質(zhì)缺少流塑效果，會造成砂粒間的相互作用減弱。大粒徑砂石的可控性差，會在土倉底部形成大量沉積，或向螺旋輸送機(jī)葉片周邊滑移狀態(tài)，使得較難實現(xiàn)土壓的有效控制。

3.4? ?影響土倉建壓

中粗砂地質(zhì)情況下的盾構(gòu)施工過程不易完成土倉建壓，容易形成掘進(jìn)基礎(chǔ)面砂層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況，不易建立成拱效應(yīng)。針對上述情況，應(yīng)通過合理操控螺旋輸送機(jī)，實現(xiàn)壓力均衡調(diào)節(jié)。操作過程中，應(yīng)重點控制螺旋輸送機(jī)因高速運(yùn)轉(zhuǎn)造成的出土量增加、土倉壓力變低的情況。同時控制螺旋輸送機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)造成的出土量減少、土倉壓力增高的情況。地鐵隧道土壓平衡盾構(gòu)施工模擬如圖2所示。

4? ?土壓平衡式盾構(gòu)應(yīng)用技術(shù)

該地鐵隧道工程項目地質(zhì)為無水砂層，因此選擇復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)方式進(jìn)行施工。

4.1? ?重點部位處置

4.1.1? ?刀盤

盾構(gòu)機(jī)刀盤主要由面板、牛腿刀盤、輻條等組成。面板由厚鋼板制作，可防止產(chǎn)生中心泥餅，并將攪拌扭矩平穩(wěn)控制在較小范圍內(nèi)。刀盤開口率設(shè)定為45%，并勻稱布置于盤面，以避免泥餅現(xiàn)象的發(fā)生。主體刀具主要以先行刀和切刀為主，利用相互配合提升削切效率。刀盤外圈設(shè)置輔助撕裂刀，配合削切。刀盤設(shè)置多點位泡沫口和膨潤土出口，通過新型泡沫噴頭實現(xiàn)渣土改良。刀盤選用大圓環(huán)焊接型耐磨鋼板，以增加其耐磨效果。

4.1.2? ?螺旋輸送機(jī)

螺旋輸送機(jī)前端螺旋軸和葉片易產(chǎn)生磨損，此位置加焊耐磨鋼板，葉片迎渣面位置做加固焊接復(fù)合鋼板處理，并在螺旋輸送機(jī)前端筒體加焊復(fù)合型耐磨材料，以加強(qiáng)其耐磨性能[5]。

4.1.3? ?泡沫和加水系統(tǒng)

采用單管單泵泡沫系統(tǒng)，保證全部管路泡沫的平穩(wěn)輸出，相互間不形成干擾。通過預(yù)混合模式優(yōu)化發(fā)泡質(zhì)量，有效控制泡沫使用量。加配獨立加水系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)有加水氣動球閥、箱體、泵體及管路，并依據(jù)工程所需靈活實現(xiàn)加水處理，實現(xiàn)渣土的有效改良。

4.2? ?工藝參數(shù)

如果土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的工藝參數(shù)不符合要求，會影響隧道盾構(gòu)效果。其工藝參數(shù)主要包括盾構(gòu)速度、刀盤扭矩、注漿壓力、總盾構(gòu)推力等。刀盤扭矩主要受盤體周圍土體壓力、土體摩擦力及受土壓力等因素影響；總盾構(gòu)推力主要受周邊土體壓力、摩擦力、粘聚力等因素影響。本地鐵隧道工程的盾構(gòu)線路已在工程設(shè)計階段完成，因此盾構(gòu)過程的土壓力基本確定。因為無法改變地質(zhì)特征、隧道埋深等客觀情況，為達(dá)到減少總盾構(gòu)推力和刀盤扭矩的目的，應(yīng)從改良盾構(gòu)渣土、提升盾構(gòu)速度等方面入手。

4.3? ?改良盾構(gòu)渣土

4.3.1? ?改良方法

改良盾構(gòu)渣土通常選擇添加渣土改良劑的方式來實現(xiàn)，常見的渣土改良劑為膨潤土砂漿、水等[6]。針對本地鐵隧道項目的砂層土體狀況，主要選擇發(fā)泡劑、膨潤土、高分子聚合物等材料。改良時應(yīng)參照渣土特性完成改良劑的配制，以期達(dá)到渣土改良效果。

4.3.2? ?改良半斷面砂層

根據(jù)本地鐵隧道的前期勘察結(jié)果可知，在前300環(huán)的掘進(jìn)區(qū)間里，土體多為中粗砂及黃土粉狀黏土土質(zhì)。針對此種土質(zhì)，主要通過添加水和泡沫的方式實現(xiàn)渣土改良，為盾構(gòu)和出渣作業(yè)創(chuàng)造便利條件。隧道盾構(gòu)區(qū)間復(fù)合地層如遇黏性土顆粒占土質(zhì)半數(shù)以上時，單獨選擇泡沫劑做改良材料，即可達(dá)到預(yù)計的渣土改良效果。

4.3.3? ?改良全斷面砂層

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到300～500環(huán)區(qū)間時，隧道斷面中粗砂增加至超過土質(zhì)半數(shù)比例，相應(yīng)刀盤扭矩明顯升高。此時依舊單獨使用泡沫劑改良渣土難以達(dá)到改良效果，且會造成周邊建筑和管線失穩(wěn)。針對該地質(zhì)狀況，選擇泡沫劑加膨潤土砂漿的方式實現(xiàn)渣土改良，最終確定使用砂性土專用氣泡劑及鈉基膨潤土作為改良劑。

經(jīng)過反復(fù)試驗，確定膨脹土和水按1：10的質(zhì)量比配比進(jìn)行拌和；黏度控制在35MPa·s，添加率為10%～20%；原液泡沫劑添加量為30～50L之間，添加率控制在3%～5%之間，發(fā)泡倍率為12倍。按照上述配比，渣土改良效果明顯。

4.3.4? ?改良砂性土流塑性

如果發(fā)現(xiàn)渣土含水率過低，應(yīng)及時開啟螺旋機(jī)蓋板，將過干的砂土及時清排；如渣土含水率過高，表明砂性土流塑性較高，裝運(yùn)渣土過程中易從輸送機(jī)膠帶間隙中掉落，導(dǎo)致污染軌梁下端管片，應(yīng)加以控制。

4.4? ?砂層盾構(gòu)常見問題及處理措施

4.4.1? ?砂層盾構(gòu)常見問題

本地鐵隧道工程項目中，粗砂地質(zhì)占比較大。粗砂地質(zhì)具有較強(qiáng)的密實度，掘進(jìn)過程中容易造成盾構(gòu)推力大、盾構(gòu)姿態(tài)難以控制、減緩盾構(gòu)掘進(jìn)效率和速度的局面。過大的盾構(gòu)推力會造成盾構(gòu)機(jī)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致液壓油升溫，進(jìn)而造成液壓運(yùn)行異常。

4.4.2? ?采取的措施

一是在刀盤前端、土倉位置、盾體外側(cè)合理安設(shè)改良劑注入點，以便于泡沫劑和膨潤土泥漿的注入、合理改良渣土土質(zhì)、使盾構(gòu)機(jī)獲得合適推力掘進(jìn)。二是在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，合理控制土倉壓力，在土倉為滿倉或2/3容積情況下進(jìn)行盾構(gòu)作業(yè)，并持續(xù)填裝土倉內(nèi)渣土，以確保掌子面的平穩(wěn)效果。三是通過調(diào)控掘進(jìn)速度和螺旋轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)刀盤扭矩的動態(tài)調(diào)控，保證其在低于70%額定扭矩狀態(tài)下作業(yè)，在保證刀盤扭矩和相應(yīng)參數(shù)的情況下，適量提升土倉壓力。四是針對全斷面砂層施工易導(dǎo)致刀盤扭矩過大的問題，合理調(diào)控刀盤扭矩工作范圍，通過原地刀盤空轉(zhuǎn)、提升泥漿填入量等方式控制刀盤扭矩。五是控制地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)速度在35～45mm/min區(qū)間范圍，同時應(yīng)合理調(diào)控刀盤外圍溫度，使其維持在40℃上下。

4.5? ?解決刀盤卡頓問題

4.5.1? ?準(zhǔn)備工作

在全斷面砂層盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，砂層的固結(jié)可造成刀盤卡頓、盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn)。在刀盤脫困處理方案實施前，應(yīng)做好以下準(zhǔn)備工作：一是全面勘察作業(yè)現(xiàn)場情況，對刀盤上方地表做好安全圍護(hù)，并安排專人值守，及時發(fā)現(xiàn)和處理異常問題，防止地表坍塌引起安全事故。二是依據(jù)現(xiàn)場地表土質(zhì)特征，科學(xué)實施加固手段。如有必要，應(yīng)對地表進(jìn)行注漿加固處置，防止盾構(gòu)施工過程中發(fā)生地表塌陷。三是對地表進(jìn)行加固處理后，在后續(xù)掘進(jìn)過程中，適當(dāng)增加同步注漿量，并根據(jù)實際情況進(jìn)行二次注漿，以增強(qiáng)土體的穩(wěn)定效果。

4.5.2? ?解決方法

一是增加砂層土質(zhì)的流塑性，通過盾構(gòu)機(jī)泡沫管路注入化學(xué)砂漿，用以將固結(jié)渣土做松散處理。采用在盾構(gòu)體周圍填注膨潤土材料的方式，以減少盾構(gòu)體周圍地層的摩擦力。同時將鉸接液壓缸和頂推液壓缸做收縮調(diào)節(jié)，使盾構(gòu)機(jī)適量收縮，以擺脫盾構(gòu)機(jī)卡頓狀態(tài)。二是刀盤卡頓可通過螺旋輸送機(jī)反轉(zhuǎn)，并向盾構(gòu)倉內(nèi)填注短方木與加氣塊的方式，加強(qiáng)出土口上端渣土的擾動，通過松散處理使其向下脫落，隨后正轉(zhuǎn)操作螺旋機(jī)，將脫落渣土及時清排。依據(jù)此方法多次往復(fù)處理，可將盾構(gòu)倉內(nèi)渣土有效清排，配合左、右旋轉(zhuǎn)刀盤操作，可實現(xiàn)刀盤恢復(fù)正常運(yùn)行工作。由于通過短方木與加氣塊配合操作的方式，解決刀盤卡頓的效果較好，且實施簡單、操作方便，因此具有較高的應(yīng)用可行性。三是對刀盤卡頓不明顯的問題，可采用“豎井+圍護(hù)樁”的方式予以解決。但由于此方式實施周期長、投資費用高，通常使用率較低。

5? ?結(jié)語

在地鐵隧道盾構(gòu)施工中應(yīng)用土壓平衡式施工技術(shù)，既可實現(xiàn)掘進(jìn)施工作業(yè)面與土倉之間的土壓平衡，還可實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)工況下的高效安全施工、保證盾構(gòu)掘進(jìn)速度和施工質(zhì)量。本文結(jié)合地鐵隧道盾構(gòu)工程施工實際，通過多角度分析研究土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)在地鐵隧道施工的應(yīng)用技術(shù)，保證了該地鐵隧道盾構(gòu)工程施工的順利實施。

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