淺析土壓平衡盾構保持掘進面穩定的措施

宮學軍

土壓平衡盾構是在機械式盾構的前部設置隔板,使土倉和排土用的螺旋輸送機內切削下來的泥土進行改良后,依靠推進油缸的推力給土倉內的開挖土碴加壓,使土倉作用于開挖面以使其穩定的一類盾構。其工作原理見圖 1。

盾構推進時,前端刀盤切削土層,切削下來的土體進入密封土倉,當土倉內的土體足夠多時,可與開挖面上的土、水壓力相抗衡,使開挖面地層保持平衡。盾構設有螺旋輸送機,由其將碴土排送到土箱,運至地面。螺旋輸送機的排土口上裝有滑動閘門或螺旋式漏斗,以控制出土量。在盾構掘進過程中向開挖面加壓灌注水、粘土、膨潤土、高濃度泥水、泥漿和泡沫等,同時靠刀盤和攪拌翼混合攪拌切削下來的土體,使之具有止水性、流動性。使得切削下來的土體能夠順利排出,又能提供壓力,與開挖面的水、土壓保持平衡,使開挖面保持穩定。

為有效的控制地面沉降,必須保持盾構掘進面的穩定。土壓平衡盾構機是通過調節推進速度、螺旋輸送機的轉速來控制土倉內泥土形成的壓力,以平衡掘進面地層的水土壓力,同時一邊掘進一邊出土,詳見圖 2。

當出土量大于盾構切削泥量時,控制土壓的最小值 Pmin小于切削面泥水壓力F,地面出現沉降;當出土量小于切削泥量時,控制土壓的最大值Pmax大于切削面泥水壓力F,地面將出現隆起;當出土量等于盾構切削泥量時,控制土壓值P等于切削面泥水壓力F,地面不會出現沉降和隆起。因此,保證掘進面土體的穩定,主要有以下幾項措施,詳見表 1。

表1 開挖面穩定控制項目表

向土倉內加入改良土體的塑流化材料泥漿,加泥控制壓力為0.35MPa,加入的泥漿必須能使土倉內土體具有適當的流塑性和較低的透水性,盡量減少土倉周邊土體顆粒的滲透損失。

在實際施工中常用螺旋輸送機的排土率 K來判定土體的塑流性:

其中,Vs為螺旋輸送機每轉一周的排土體積;N為螺旋輸送機轉速;A為切削斷面積;V為推進速度。

1)當土體處于良好塑流狀態時,K為 1.0左右。若土體處于干硬狀態時,土體摩阻力增大并產生拱效應,螺旋輸送機的效率會明顯下降,必須提高螺旋輸送機的轉速來維持土倉的土壓,K值將大大超過 1.0。若土體柔軟而富有流動性時,螺旋輸送機只能以較低的轉速排土,甚至在排土口還會產生噴涌現象,K值可以接近零;2)加入適量的泡沫劑。泡沫劑可在土體內形成大量的泡沫,使土顆粒分得均勻,從而降低了土體的內摩擦角和滲透性,又因其比重小,攪拌負荷輕,容易將土體攪拌均勻,從而提高土體的流動性和不透水性;3)控制土壓。控制土壓設定值應滿足平衡掘進面地層的水土壓力,同時又不會引起過大的地面隆起。一般采用靜止土壓和被動土壓進行計算,取值:被動土壓 +地下水壓力＞土壓設定值(P)＞主動土壓+地下水壓力,一般比主動土壓大 20%～30%進行設定;4)控制每環出土量。根據理論計算量和正常掘進每環出土統計量來確定每環控制出土量,盡量做到:環出土量=環掘進切削泥量;5)控制推進速度。以設備能力的 40%～50%速度勻速、連續掘進;6)控制螺旋輸送機轉速。推進過程中做到:螺旋輸送機單位時間的排土量 =刀盤單位時間的切削泥量。

另外,制定各種停機情況下保證掘進面土體穩定的措施:

1)管片拼裝時,禁止千斤頂全伸全縮。拼裝哪片回縮哪片處的千斤頂,拼裝完后立即回伸千斤頂,再回縮下一片處的千斤頂并拼裝該片。保證拼裝時千斤頂推力,最大限度的減少管片拼裝時土倉壓力的損失。2)長時間停止掘進時,土倉內預先保持較高的土壓,千斤頂全伸,為防止油壓損失造成千斤頂泄力,需在后續管片與盾構機之間加設人工支撐。

綜合結論:

保證掘進面土體穩定是盾構掘進控制的一項基本內容,必須根據盾構掘進的地層情況、路線情況及地面建筑物和地下障礙物情況,制定相應的掘進參數及控制措施,加強設備的日常維修和保養,保證盾構掘進施工連續進行。

[1] 沈 婕.盾構土壓平衡技術透析[J].山西建筑,2009,35 (13):321-322.