何睦

摘 要：為妥善解決軟弱地層穩(wěn)定性偏差、砂層富水性強(qiáng)的問(wèn)題，對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)相關(guān)應(yīng)用展開研究。通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，根據(jù)具體地鐵工程盾構(gòu)施工案例，詳細(xì)分析土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)要點(diǎn)，注重盾構(gòu)土倉(cāng)壓力、微擾動(dòng)、同步注漿、出渣量、渣土改良、富水砂層沉降等施工內(nèi)容，在土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)實(shí)踐中有效控制富水砂層沉降問(wèn)題。對(duì)于穩(wěn)定性偏差的砂層，可以考慮土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)，為地鐵工程安全使用提供保障。

關(guān)鍵詞：地鐵工程；土壓平衡式盾構(gòu)；施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2024）05-0022-03

0 引言

本文將某地鐵工程作為研究對(duì)象，從土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)的實(shí)踐角度，詳細(xì)分析地鐵工程施工問(wèn)題解決方法，希望可以引起更多地鐵工程施工單位的關(guān)注，提升土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)使用規(guī)模，輸出高水平的地鐵工程，推動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。

1 土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

盾構(gòu)法是一種機(jī)械施工方法，其利用盾構(gòu)在土層中持續(xù)推進(jìn)，借助盾構(gòu)+管片支承的組合方式，預(yù)防隧道內(nèi)部坍塌。通過(guò)切削裝置開挖土體，借助千斤頂加壓，同步拼裝管片，以此形成穩(wěn)定的隧道結(jié)構(gòu)。

基于盾構(gòu)法的土壓平衡盾構(gòu)，通過(guò)調(diào)整開挖量，維持土倉(cāng)內(nèi)部壓力，以此達(dá)到與開挖面的地層水壓力與土壓力平衡狀態(tài)。土壓平衡盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)部泥土，也可以用于開挖面地層支護(hù)處理，保證隧道內(nèi)部的穩(wěn)定性。相比于常見的泥水加壓盾構(gòu)，土壓平衡盾構(gòu)擁有更強(qiáng)的適應(yīng)性，掘進(jìn)速度更高，可以保證作業(yè)全過(guò)程的安全性，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的工程造價(jià)，更符合地鐵工程大規(guī)模建設(shè)需求[1]。

2 工程案例

某工程全長(zhǎng)約7 000 m，地形起伏相對(duì)較小，地面高程在6.9～8.4 m。本工程地理位置處于三水?dāng)嘞菖璧貎?nèi)，沒(méi)有過(guò)于復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，不存在褶皺、斷陷等情況，擁有較為穩(wěn)定的場(chǎng)地條件。施工區(qū)域的地貌特征為沖積平原，呈現(xiàn)軟土發(fā)育狀態(tài)，擁有含水量較為豐富的砂土層。在施工區(qū)域地表位置，水系呈現(xiàn)不發(fā)育狀態(tài)，擁有較為豐富的地下水條件，穩(wěn)定水位在0.5～2 m。

本工程存在以下兩個(gè)施工難點(diǎn)：①軟弱地層容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。本工程擁有填土層、淤泥層、粉細(xì)砂層等地層條件，沒(méi)有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，這導(dǎo)致開挖面容易發(fā)生坍塌現(xiàn)象。在盾構(gòu)施工當(dāng)中，也難以有效控制地層沉降問(wèn)題。②砂層擁有較強(qiáng)的富水性能。在施工區(qū)域內(nèi)，擁有較厚的砂層，富水性能較強(qiáng)，飽和度超過(guò)90%，屬于中等透水層范疇。本工程施工單位與設(shè)計(jì)單位詳細(xì)分析后，決定采用土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)開展地鐵工程施工建設(shè)作業(yè)。

3 地鐵工程土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)實(shí)踐

3.1 盾構(gòu)土倉(cāng)壓力

在本工程的富水砂層區(qū)域進(jìn)行盾構(gòu)施工作業(yè)時(shí)，盾構(gòu)土倉(cāng)的內(nèi)部土壓力，要大于地層的水壓力與土壓力的數(shù)據(jù)之和。經(jīng)過(guò)計(jì)算，前者要比后兩者大20 kPa。此時(shí)，需要通過(guò)螺旋出土器，以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式，將盾構(gòu)土倉(cāng)的壓力波動(dòng)保持在-15～15 kPa，實(shí)際控制數(shù)值則要以盾構(gòu)隧道埋深進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在本工程正式開始盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)之前，螺旋出土器的前方土壓力數(shù)值約為196 kPa。在進(jìn)行盾構(gòu)排土作業(yè)期間，螺旋出土器的前方土壓力數(shù)值波動(dòng)約在8～20 kPa。想要維持盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)部壓力與外部壓力的平衡狀態(tài)，就需要確保土倉(cāng)內(nèi)部的土壓超過(guò)開挖面的水壓力與土壓力之和，數(shù)值超過(guò)部分一般為20 kPa。為確保土壓平衡盾構(gòu)在掘進(jìn)作業(yè)中，達(dá)到穩(wěn)定的土壓平衡效果，避免在螺旋出土器排土過(guò)程中，盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)部出現(xiàn)負(fù)壓情況，需要確保盾構(gòu)土倉(cāng)的內(nèi)部土壓大于停機(jī)壓力+20 kPa的數(shù)值。比如在進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)之前，盾構(gòu)土倉(cāng)壓力保持在220 kPa左右，在掘進(jìn)排土期間，盾構(gòu)土倉(cāng)壓力波動(dòng)處于8～15 kPa。此時(shí)，盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)部壓力不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大幅度的波動(dòng)，盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)部壓力也會(huì)持續(xù)超過(guò)開挖面的水壓力與土壓力之和，以此達(dá)到開挖面的穩(wěn)定性，維持拱頂砂層的作業(yè)安全[2]。

3.2 微擾動(dòng)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤轉(zhuǎn)速會(huì)直接影響地層擾動(dòng)情況，需要在設(shè)置盾構(gòu)掘進(jìn)速度的基礎(chǔ)上，采用合適方法，降低刀盤對(duì)砂層造成的擾動(dòng)。需要注意，不能僅考慮盾構(gòu)掘進(jìn)速度，還需要綜合刀盤扭矩、推進(jìn)速度等指標(biāo)，才能達(dá)到預(yù)期微擾動(dòng)效果。

在本工程的富水砂層中，使用土壓平衡式盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，將刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.8 r/min，產(chǎn)生的刀盤扭矩偏小，擁有較快的盾構(gòu)掘進(jìn)速度，富水砂層也會(huì)受到較大的擾動(dòng)影響。

在實(shí)踐中，如果將刀盤轉(zhuǎn)速保持在1.85 r/min左右，會(huì)產(chǎn)生970 kN·m的刀盤扭矩，盾構(gòu)掘進(jìn)速度約為51 mm/min。在這種情況下，富水砂層沉降值將超過(guò)17 mm。如果將刀盤轉(zhuǎn)速下調(diào)至1 r/min，雖然也擁有較大的刀盤扭矩不會(huì)對(duì)富水砂層產(chǎn)生過(guò)大的擾動(dòng)。但是盾構(gòu)掘進(jìn)速度相對(duì)偏慢，并不能達(dá)到預(yù)期的渣土改良效果。如果將刀盤轉(zhuǎn)速保持在0.9～1 r/min，會(huì)產(chǎn)生1 850 kN·m的刀盤扭矩，盾構(gòu)掘進(jìn)速度會(huì)下降至16 mm/min。在這種情況下，富水砂層沉降值約為11 mm。經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)分析，可以確認(rèn)當(dāng)?shù)侗P的轉(zhuǎn)速保持在1.4 r/min左右，刀盤扭矩?cái)?shù)值相對(duì)較小，土壓平衡式盾構(gòu)也可以保持較為平穩(wěn)的掘進(jìn)速度，不會(huì)對(duì)富水砂層產(chǎn)生過(guò)大的擾動(dòng)。

在實(shí)踐中，以1.4 r/min作為刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，刀盤扭矩約為1 100 kN·m。此時(shí)的土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)速度為40 mm/min，富水砂層的沉降值小于8 mm。為此，本文在設(shè)計(jì)富水砂層區(qū)域的盾構(gòu)掘進(jìn)方案時(shí)，以1.4 r/min作為土壓平衡式盾構(gòu)的刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)[3]。

在本工程中，存在使用摩擦樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的建筑物。建筑物范圍內(nèi)的地層中部、拱頂是中粗砂層，地層底部是強(qiáng)中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，確認(rèn)該區(qū)域的巖石抗壓強(qiáng)度處于6～8.5 MPa。在使用土壓平衡式盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，需要將推力控制在14 000 kN左右，設(shè)定刀盤轉(zhuǎn)速4.5 r/min刀盤保持在扭矩值11 00 kN·m。此時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)速度約為40mm/min。對(duì)于該建筑物，設(shè)計(jì)允許最大沉降值為9.6 m。在土壓平衡式盾構(gòu)通過(guò)該建筑物后，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，地面沉降值約為4.5 mm，符合該建筑物的沉降標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)大的地層擾動(dòng)現(xiàn)象。

3.3 同步注漿

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，需要做好同步注漿作業(yè)，確保地層與管片的空隙可以被砂漿及時(shí)填充，以此降低土層沉降量，保障開挖面的安全性。在本工程的同步注漿作業(yè)中，需要將注漿壓力保持在0.35 MPa。使用土壓平衡式盾構(gòu)配置的液壓注漿泵，利用注漿管道將砂漿注入預(yù)先設(shè)定的注漿點(diǎn)位?？梢酝ㄟ^(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確認(rèn)當(dāng)前注漿壓力，配合相應(yīng)的注漿泵調(diào)節(jié)作業(yè)，完成同步注漿的連續(xù)調(diào)整。在地鐵工程施工建設(shè)中提升土倉(cāng)內(nèi)部渣土的不透水性與流塑性，才能有效抵御開挖面的地層水壓力與土壓力，避免出現(xiàn)砂層噴涌、結(jié)餅等情況，需要將渣土改良作為土壓平衡盾構(gòu)的重點(diǎn)內(nèi)容對(duì)待。在本文設(shè)計(jì)的地鐵工程土壓平衡式盾構(gòu)施工方案中，通過(guò)加入外加劑完成渣土改良任務(wù)，穩(wěn)定提升軟弱地層的穩(wěn)定性，有效解決砂層富水性強(qiáng)引起的衍生性問(wèn)題[4]。

3.4 出渣量

在本工程中，使用土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)1環(huán)，可以產(chǎn)生約46.7 m3的渣土。通過(guò)實(shí)踐分析，可以確認(rèn)從開挖面切削的渣土，如果保持松散狀態(tài)，1環(huán)可以產(chǎn)生65 m3的渣土。土壓平衡式盾構(gòu)的出渣，可以達(dá)到15 m3/節(jié)的運(yùn)送標(biāo)準(zhǔn)。為保障盾構(gòu)施工的安全性，每環(huán)最大出土量為4斗，即開挖面每進(jìn)行375 mm的盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)，就需要通過(guò)出渣斗進(jìn)行渣土運(yùn)輸?？赏ㄟ^(guò)控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度的方式，合理調(diào)整出渣量，達(dá)到勻速送出渣土的效果。在土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)期間，如果盾構(gòu)掘進(jìn)距離小于330～375 mm的標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)產(chǎn)生滿出渣斗的渣土，需要對(duì)螺旋出土器轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行降低，減小閘門開度，在單位盾構(gòu)掘進(jìn)距離中，降低渣土產(chǎn)生量[5]。

3.5 渣土改良

在富水砂層中，應(yīng)用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，需要做好渣土改良工作，確保土倉(cāng)內(nèi)部渣土的流塑性能。這樣才能合理控制出渣量，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的土倉(cāng)壓力波動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制地層沉降的效果。在土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，切削的土體實(shí)際埋深偏大，會(huì)在切削+攪拌的物理處理下，產(chǎn)生體積膨脹現(xiàn)象。

不同地層擁有不同的土體性質(zhì)，在進(jìn)入土倉(cāng)后，可能會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：①結(jié)餅。黏性土地層具有易流動(dòng)特性，滲透系數(shù)相對(duì)小，沒(méi)有過(guò)大的內(nèi)摩擦角。在進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)部，這類土體強(qiáng)度要低于原土體強(qiáng)度，會(huì)表現(xiàn)出塑性流動(dòng)性。雖然具有符合標(biāo)準(zhǔn)的止水性能，但是這類土體的黏性偏大，容易在刀盤位置產(chǎn)生土體粘附現(xiàn)象，造成土體被不斷壓密、固化，即為結(jié)餅。②噴涌。砂層具有較大的滲透系數(shù)與內(nèi)摩擦角，但是不具有更強(qiáng)的流動(dòng)特性。這類土體在進(jìn)入土倉(cāng)、螺旋排土器內(nèi)部后，會(huì)增加刀盤、螺旋排土器的工作扭矩，降低盾構(gòu)掘進(jìn)效率，影響后續(xù)的排土作業(yè)。土倉(cāng)與螺旋出土器產(chǎn)生的壓縮環(huán)境，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全止水效果。如果開挖面擁有較大的水壓，會(huì)在排土口的閘門位置，發(fā)生地下水噴涌情況。對(duì)于土倉(cāng)與螺旋排土器內(nèi)部的渣土，需要擁有一定的塑性流動(dòng)性能，確保千斤頂可以向隔板提供均勻推力，順利排出渣土，避免出現(xiàn)渣土堆積現(xiàn)象。對(duì)于刀盤前部，需要設(shè)置一定數(shù)量的泡沫注入孔，通過(guò)注入泡沫的方式，合理控制土體的滲透性能，維持開挖面掘進(jìn)的穩(wěn)定性。

在本工程中，土體需要保證不容易出現(xiàn)固結(jié)排水情況，保持一定的流塑狀態(tài)，方便傳遞壓力與土體攪拌處理，并要求具有一定的不透水性能。在本工程中，富水砂層區(qū)域存在多種地層組合模式，這意味著需要使用不同的渣土改良外加劑，才能達(dá)到預(yù)期的渣土改良效果。在含有5%～10%粘粒的中粗砂層全斷面中，可以考慮使用5‰～7‰的TAC高分子材料，提高富水砂層的塑性流動(dòng)性能，強(qiáng)化其止水性能。對(duì)于組合地層中，需要在使用TAC高分子材料的基礎(chǔ)上，注入足夠量的水，配合5‰～7‰的分散劑與3%的泡沫，綜合改良渣土。在實(shí)際應(yīng)用中，需要將渣土改良外加劑注入土倉(cāng)內(nèi)部，讓土倉(cāng)中的渣土轉(zhuǎn)化成糊狀，完成渣土改良任務(wù)[6]。

3.6 富水砂層沉降控制

對(duì)于本工程的富水砂層區(qū)域，在沒(méi)有確認(rèn)渣土改良方案，設(shè)置土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)之前，富水砂層的沉降值大于15 mm，部分區(qū)域的沉降值超過(guò)90 mm。

對(duì)本工程的富水砂層區(qū)域進(jìn)行分析，可以確認(rèn)實(shí)踐條件下的富水砂層沉降規(guī)律：當(dāng)隧道埋深超過(guò)14 m，在進(jìn)行土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的地層沉降。在結(jié)束施工任務(wù)的4～7 h，地層沉降則會(huì)反應(yīng)至地面范圍。在縱向角度，從土壓平衡式盾構(gòu)的盾尾到刀盤位置，地面沉降變化幅度最大。在橫向角度，以隧道中心線為基準(zhǔn)，在左右側(cè)3～5 m，地面沉降變化幅度最大。這個(gè)沉降規(guī)律基本符合前期現(xiàn)場(chǎng)勘探結(jié)果。為此，地鐵工程施工單位針對(duì)沉降幅度偏大的區(qū)域，通過(guò)地面補(bǔ)償注漿技術(shù)進(jìn)行處理，以此遏制路面沉降問(wèn)題。

在確認(rèn)富水砂層的沉降問(wèn)題，總結(jié)相關(guān)控制經(jīng)驗(yàn)后，施工單位決定對(duì)土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行改造。對(duì)于刀盤開口率，使用厚度為25 mm的耐磨鋼板，通過(guò)焊接工藝，針對(duì)刀盤的側(cè)向開口位置做封堵處理，確保刀盤的側(cè)向開口率接近0，保持全封閉狀態(tài)。螺旋出土器設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為12 m，工作半徑為40 cm，傾角為22°。螺旋出土器的長(zhǎng)度不僅受到自身傾角的影響，還與盾體內(nèi)徑設(shè)計(jì)相關(guān)，這意味著無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)限延長(zhǎng)的目標(biāo)。過(guò)長(zhǎng)的螺旋出土器需要更大的扭矩，容易出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)無(wú)法提供工作負(fù)荷的情況。對(duì)螺旋出土器的多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析后，決定將螺旋出土器設(shè)計(jì)長(zhǎng)度調(diào)整至13 m。對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行控制，基本保持土壓平衡狀態(tài)，極大降低地層沉降產(chǎn)生概率。在實(shí)踐中對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確認(rèn)在富水砂層區(qū)域，地面平均沉降量約為3.1 mm，最大沉降量為4.2 mm，符合施工設(shè)計(jì)方案的安全施工標(biāo)準(zhǔn)[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在開展地鐵工程盾構(gòu)施工時(shí)，需要根據(jù)地層條件，選擇合適的施工技術(shù)，設(shè)計(jì)內(nèi)容完善的施工方案。在方案執(zhí)行過(guò)程中，需要做好渣土改良、地層沉降等處理工作，合理解決軟弱地層穩(wěn)定性偏差問(wèn)題。

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