软土地层中土压平衡式盾构的应用

土压平衡式盾构在软土地层中的应用张洪锋（中交隧道局盾构工程公司，北京100088）摘要：本文介绍了土压平衡式盾构机的适用条件、设备概况、基本工作原理。并通过上海轨道交通12号线虹莘路站——七莘路站区间盾构推进基本参数及其应用情况，进一步阐述了软土地层中土压平衡式盾构应用的可行性。关键字：软土地层、土压平衡式盾构、功能、应用。1.引言进入21世纪，世界经济的迅猛发展加速了城市化的建设。随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加，地面可利用空间越来越少。利用盾构法来有效利用和开发地下空间成为最佳的选择。随着我国大规模地铁建设逐步开展,城市地下工程施工技术的研究开发已成为一个重要的课题。目前,我国的地铁隧道主要分布在沿海地区(如上海、天津、苏州、杭州等地)以及一些内陆中心城市(如武汉、南京等),这些地区的地下广泛分布着很深的软黏土沉积层,它具有土壤颗粒细、抗剪强度低、含水量高、天然孔隙比大、灵敏度高、高压缩性和流变性等显著的工程特性,而且土体经扰动后强度明显降低。在这些软土地层中进行盾构法施工,一个很突出的特点就是地层适应性问题,即盾构设备对土层介质类型的适应性、刀盘结构型式及刀具布置型式对地层的适应性、盾构机工作参数之间的匹配性、盾构工作参数对地层扰动的适应性。土压平衡盾构自引进以来在软土地基中得到极大的应用。目前在上海地区除个别超大直径如过江隧道使用泥水平衡盾构以外，其他隧道大多采用土压平衡式盾构。2.盾构工程施工条件上海轨道交通12号线虹莘路站——七莘路站区间，单线盾构施工的单线长度约为1628米；隧道覆土厚度最小为9.68米，最大为20.10米。线路纵断面最小坡度2.0‰，最大坡度25.0‰。盾构外径6.34米，管片外径6.2米、内径5.5米、管片宽度1.2米。地质情况：本区间隧道掘进主要在第④2层砂质粉土夹粉质粘土及第⑤1层粉质粘土之中。第④2层、⑤1层土均属高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性的饱和软粘性土，具有较高的灵敏度和触变特性，在动力作用下极易破坏土体结构，使土体强度骤然降低，变形量增加。地下水：潜水水位埋深约在1.5米。本区间盾构段隧道底距离地面约16.02米—26.44米，部分线路离⑦层层面较近，故第⑦层承压水层对本工程隧道盾构有影响，可能会造成突涌。环境条件：本工程区间隧道主要穿越城市道路，路下有一些管径较大的管线如上水管、雨水管、污水管、天然气管等。区间盾构施工对建筑物和管线保护要求较高。地表面允许隆陷值为＋10/－20mm，管线及建构筑物允许隆陷值为＋10/－10mm。3.盾构机选型根据本工程粘性土的地质条件，采用土压平衡式盾构;针对地下水压力较高的条件，采用密封型的盾构。就土压平衡盾构机而言，随着盾构机和辅助功能的完善与发展，如局部气压平衡系统的采用，加泥加泡沫系统的采用，以及防喷涌功能系统和保压泵碴装置的应用等，已使土压平衡盾构具有了十分完善的功能和先进的技术性能。土压平衡盾构能够适应较大的地质范围与地质条件，既能用于粘结性、非粘结性、有水或无水的软土或硬岩等多种复杂的地层；同时又能保证较高的施工速度，能有效的控制地表沉降。经过采取适当的辅助措施如加泥（膨润土）、加泡沫等，可以在松散的砂、砾地层中很好地稳定开挖面，从而可靠安全地掘进；特别是采用螺旋机装置后，可以给掌子面提供充足的压力以保持地层的稳定，而且土仓内的压力也不会出现较大的波动，在此情况下仍可连续出渣；并且在出渣口安装闸门防止发生喷涌，从而可在地下水压较高的情况下仍能很好地防喷、止水，保证施工的安全可靠。所以我们认为在本工程土压平衡盾构机是最佳选择。4.土压平衡式盾构概况4.1.土压平衡式盾构工作原理安装在盾构机最前面的全断面切削刀盘切削土体，盾构千斤顶向前顶进，切削下来的泥土充满密封舱和螺旋输送机壳体内的全部空间，在密封的土舱内形成支撑压力，以抵抗开挖面土层的水土压力，减少盾构推进对地层土体的扰动，有效控制地表变形。根据土压变化调整出土和盾构推进速度,达到工作面的压力平衡。4.2.本工程土压平衡式盾构的组成它主要包括开挖系统及加泥加水设备；刀盘驱动及推进系统；盾壳及盾尾密封；出土运输系统；同步注浆系统、管片运输、安装设备；供电系统；后续台车等。5.土压平衡式盾构在上海轨道交通12号线虹莘路站——七莘路站区间的应用情况5.1.施工中技术参数的选择（1）土压的设定原则正面平衡压力：P=k0hP:平衡压力（包括地下水）；：土体的平均重度（KN/m3）h：隧道埋深（m）；k0：土的侧向静止平衡压力系数。盾构在掘进施工中均可参照以上方法来取得平衡压力的设定值。具体施工设定值根据盾构埋深、所在位置的土层状况以及监测数据进行不断的调整。通过经验计算土压值控制在0.25MPa～0.43MPa之间。（2）推进出土量控制及螺旋机转速每环理论出土量＝/4×D2×L＝/4×6.342×1.2＝37.88m3/环。盾构推进出土量控制在98％～100％之间。即37.13m3/环～37.88m3/环。螺旋机转速控制在0～10RPM。（3）推进速度及推进压力推进速度宜控制在3cm/min以内。并根据监测数据适当放慢。根据土力学计算推进压力控制在10000N～12000N之间。（4）盾构轴线及地面沉降量控制：盾构轴线控制偏离设计轴线不得大于50mm；地面沉降量控制在＋10mm～－20mm。管线及建构筑物沉降量控制在＋10mm～－10mm。（5）同步注浆量及同步注浆压力上海地铁隧道目前采用幅宽为1.2m的预制混凝土管片，则盾构机每推进一环的建筑空隙为：L×［nA+（D2－d2）/4］≈1.80m3式中：L——混凝土管片幅宽m；n——注浆点数量4处；A——注浆点外包管乌龟壳横截面面积㎡；D——盾构外径6.34m；d——管片外径6.2m。实际注浆量为理论注浆量的150%～200%，即2.7～3.6m3，本工程同步注浆量基本控制在3.0m3左右。同步注浆压力小于0.3MPa。5.2.特殊地段施工参数的选择（1）外环线顾戴路立交与区间的关系图1外环线顾戴路立交与区间相对关系外环线顾戴路立交采用400×400mm的预制方桩，桩长29米，桩底标高-26.5米，盾构底标高为-18.6米。盾构距离其桩基水平距离为1.63米。（2）建立试验段确定参数为了安全的穿越外环线顾戴路立交，本标段在盾构掘进开始后即建立了试验段。试验段的掘进是从理论和经验上选取各项施工参数，在施工过程中根据监测数据及反馈的各种信息，对施工参数及时加以调整。盾构机在试验段推进过程中，推进速度控制在2cm以内，匀速前行。同时对密封仓土压力、刀盘转速及压力，推进速度，千斤顶推力，注浆压力及注浆量等，分别采用几组不同施工参数进行试掘进。通过地表沉降的测量和数据反馈，确定一组适用的施工参数。然后通过施工监测，根据地层条件、地表管线、房屋情况，对施工参数作慎密细微的调整，以取得最佳施工参数。（3）盾构姿态控制在穿越前，调整好盾构推进姿态。在控制穿越段时严格控制好盾构机的姿态，并根据设计图、盾尾间隙、盾构姿态、推进油缸行程等参数进行合理的管片型号及拼装，避免盾构与管片干涉造成铰接密封或盾尾密封失效而发生泄漏。（4）加强同步注浆及二次补浆为有效的控制地面沉降、保持隧道的稳定、满足环境保护的更高要求，同步注浆浆液采用新型单液浆（及厚浆），其配合比为每0.75立方米石灰55kg、粉煤灰512kg、砂子880kg、膨润土45kg、水225kg、添加剂2kg。严格对同步注浆量、注浆压力和注浆质量的控制，及时通过同步注浆对盾尾建筑空隙进行回填。管片脱出盾尾后，如果地表沉降单次大于2mm，即通过管片预留注浆孔进行二次注浆。二次注浆采用双液浆即水玻璃浆液。配合比为水玻璃：水=1:1；水灰比为0.8，然后两种浆液按1:1比例注浆。二次注浆的注浆压力为0.2Mp～0.3Mpa，最大不能超过0.5Mpa；使浆液能沿管片外壁较均匀的渗流，而不致劈裂土体，形成团状加固区，影响注浆效果。（5）信息化施工在施工过程中对掘进施工参数实施动态管理，通过地表变形监测信息反馈，及时调整和优化施工技术参数，使盾构掘进施工处于可控状态，并使掘进施工参数保持最优。我们在盾构机操作室、拌和站、地面办公室安装内部电话，实时沟通，第一时间反应盾构机相关数据、浆液情况及地表监测情况等。同时安装先进的监控导向系统——演算工房，加强对盾构机各项参数的控制。6.土压平衡式盾构的应用评价本项目使用的土压平衡式盾构截止于2011年8月15日已完成推进360米，设备情况良好，周边环境监测情况良好。（1）本项目采用的土压平衡式盾构能良好的适应软土地层，其通过切口环土仓及螺旋输送机来调整土压，使得土压平衡，在砂性土等不良地层中，可以通过加泥加水设备填充土仓及螺旋机调整土压达到工作面的稳定。（2）螺旋机要靠转速来控制出土量，出土量要密切配合刀盘的切削速度，以保持土仓内充满泥土而又不至于过于饱满，最大化的减少了对土体的扰动，有效的控制了地表沉降。土压平衡式盾构机推进时管片脱出盾尾，同步注浆后根据地表埋深的不同30天最大沉降值约为20mm，满足环境监测的要求。（3）通过对土压平衡式盾构近300环的操作实践，确定了相关参数的建立。在施工过程中，环境监测基本达到了要求，环境监测数据良好，盾构轴线控制在设计范围内。总的来说土压平衡式盾构良好的适应了本标段的软土地层，其能有效的保持开挖面的稳定，并最大化的减少了土体的扰动，同时施工的安全性及可操作性高。土压平衡式盾构因其能良好的控制地表沉降、保护环境、适应在城市和重要建构筑物处施工等优点，在软土地层中的应用走向普及。参考文献[1]刘建航.盾构法隧道[M].中国铁道出版社，1991[2]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].中国建筑工业出版社,2004,11[3]朱合华，徐前卫，廖少明.土压平衡盾构法施工参数的模型试验研究[J].岩土工程学报,2006,25[4]朱伟，陈仁俊.盾构隧道施工技术现状及展望[J].岩土工程界，2001，4