盾構回填土反壓平衡法接收施工研究

李立銘，王模公

（中鐵三局集團有限公司機械管理部，山西 太原 030001）

0 引 言

盾構到達是盾構施工的關鍵節點之一，到達端頭是事故多發地段，直接關系著盾構隧道能否順利貫通。盾構到達施工存在極大風險，因此關于風險控制技術的研究非常重要。

1 盾構回填土反壓平衡法的背景

福州地鐵某區間上行線出洞接收段50m（K17＋799～K17＋849）范圍內的地質情況為：洞頂為粉質粘土，洞身為粉質粘土夾細砂，洞底為淤泥質土夾細砂。接收段加固形式采用Φ650mm三軸攪拌樁＋1排Φ800mm旋噴樁，加固長度為4m。于2012年9月20日始發，在進入接收段50環后，各項接收準備工作就緒，地面監控測量、地面控制點位聯測及洞內導線復測均已完成。2013年1月30日凌晨，管片拼裝至891環時，盾身已進入加固體1m。按照盾構接收方案，在盾身進入加固體時，土倉壓力應降為0，由于實際水文地質與詳勘結果有出入，導致螺旋輸送機出土口發生涌水、涌砂現象，于凌晨5點半停止掘進施工，此時，盾構機刀盤距離洞門2.2m。

盾構機停止掘進后，施工單位密切關注盾構機的相關參數，做好洞內盾構機姿態及洞門土體的巡視工作，加強地表沉降及地下水位的監測，并做好應急準備工作，采取了以下措施。

（1）加強注漿。為穩定已成型的管片，及時進行管片后二次注漿，同時，通過盾尾注漿孔、中盾注漿孔向盾尾及盾身注入雙液漿及膨潤土，確保盾身處于安全、穩定狀態。

（2）增加降水井、觀測井及回灌井。將降水井增加到11口（其中Φ350口徑5口，Φ500口徑6口），同時增設了4口水位觀察井。通過2d的降水，地下水位已降至地表下11m左右，繼續抽水，水位下降不明顯。

采取以上措施后，地下水位仍然處于盾構底面以上4.5m左右，盾構直接出洞仍存在較大風險。為確保順利出洞，擬采用回填土反壓平衡法施工。

2 方案及參數檢算

（1）超載20kPa，填土高度采用7.5m。

（2）采用單榀可承受彎矩為909kN·m的H700×300×13×24H型鋼，I＝201 000cm4，搭接到兩道中板框架梁：KL2-1（800×1 000），Φ12＠100／200（6），6Φ25，N4Φ20；KL2-2（1 000×1 000），Φ14＠100／200（6），6Φ32，8Φ32，N4Φ20。因 KL2-1形成整體，穩定性好，主要驗算KL2-2。

（3）適當考慮盾構頂推引起的摩擦力，荷載選6 500kN，按最不利彎矩1 115kN·m核算如下：水土核算，頂部荷載為20kPa，底部荷載為101kPa，M1＝460kN·m；水土分算，頂部荷載為20kPa，底部荷載為157kPa，M2＝623kN·m。

（4）盾構刀盤出盾圈后，土壓力頂部不超過20kPa，底部不超過137kPa，框架梁最大彎矩為704kN·m，需配置2 503mm2，配置梁為2Φ32，4Φ20，2 865mm2。

（5）在未加入中板400mm的有利條件下，滿足填土要求。

3 工序實施細則

根據檢算結論，制定以下工序實施細則。

第一步，繼續抽水，將地下水位維持在地面以下11m處，同時加強水位監測，觀測頻率為2h一次。并派專人對抽水量及含砂、含泥情況進行巡查。

第二步，采用鋼板及工字鋼對端頭井進行圍蔽，端頭井內分層回填粘土至中板，利用粘土封閉涌水通道，防止發生涌水［1-2］。重新建立土壓平衡，按正常掘進的方式出洞。端頭井底板處回填C15混凝土，標高控制在盾構機底部以下2cm處。支立圍護鋼結構，鋼結構的面板為3cm厚的鋼板，背面設H700×300×13×24工字鋼的縱向肋條，間距為50 cm，鋼板接縫內壁鋪設塑料布以防接縫滲漏，圍護結構高度至中板底。

第三步，采用粘土分層回填、夯實，每層厚度控制在30～50cm；填土順序由南到北，南端填土至中板，北端填土至洞門頂以上2m。在填土分層的同時，洞門鋼筋應由底部按照1m高度分層切割，鋼筋頭必須逐個處理到位。

第四步，確定掘進參數。

（1）土倉壓力值P的選定。P值與地層土壓力、靜水壓力相平衡，設刀盤中心地層靜水壓力、土壓力之和為P0，P0＝γh（γ為土體的平均重度，h為刀盤中心至地表的垂直距離），則P＝KP0，K為土的側向靜止土壓力系數，由于填土至洞門頂上部2m，所以土倉壓力設置為0.03～0.05MPa［3-4］。施工時主要控制以下幾個方面：螺旋輸送機轉數控制為26r·min-1；千斤頂推進速度一般控制在6cm·min-1以下；此外，還有兩者的組合控制以及對取土量、超挖量的控制。

（2）出碴量的控制。每環理論出碴量（實方）為39.7m3，盾構推進出碴量應控制在98%～102%之間，即每環38.9～40.5m3。

（3）推進速度。掘進速度及推力的選定以保持土倉壓力為目的，盾構機正常掘進的推力主要由下述因素決定：盾構外周（盾殼外層板）和土體之間的摩擦阻力或粘附阻力、盾構正面阻力、管片和盾殼內側鋼板之間的摩擦阻力以及后配套臺車牽引力等。推進速度設置為4～6mm·min-1。

（4）盾構軸線。為保證隧道軸線的方向，建立一套嚴密的人工測量和自動測量控制系統，嚴格控制測量的精度，合理布設洞內的測量控制點和導線，根據工程中的實際情況合理控制測量和復核的頻率。盾構軸線偏離設計軸線不能超過±50mm，在始發掘進，嚴格控制盾構機的各組油缸壓力不大于70bar，盾構機總推力設置為600～800t，刀盤扭矩保持在15%左右。

（5）推進及姿態控制。要將盾構向左轉動，A組千斤頂伸長量要大于其他3組千斤頂；要將盾構向右轉動，C組千斤頂伸長量要大于其他3組千斤頂；要將盾構向上轉動，B組千斤頂伸長量要大于其他3組千斤頂；要將盾構向下轉動，D組千斤頂伸長量要大于其他3組千斤頂。根據盾構自動導向系統顯示的盾構機轉動方向，調整盾構機刀盤的旋轉方向：欲將盾構機順時針轉動，刀盤應逆時針轉動；欲將盾構機逆時針轉動，刀盤應順時針轉動。

（6）盾尾注漿壓力分析與取值。盾尾注漿壓力主要受地層水土壓力的影響，注漿壓力的設定以能填滿管片與開挖土層的間隙為原則。注漿壓力的計算參考規范中的公式，并在施工過程中通過測試和試驗來確定和優化參數。

（7）土體改良。盾構機在刀盤、土倉、螺旋輸送機設置了添加劑注入口。添加劑可以減少盾構機的磨損，調整土倉內土體塑性流動性，降低渣土的透水性，減小刀盤扭矩，防止機器能耗過高因發熱而發生故障；還可以降低切削渣土的內摩擦力，減少刀盤、螺旋輸送機的磨損。土體改良使用的添加劑為泡沫，注入添加劑時的初始壓力設定為0.2～0.4 MPa。泡沫溶液的組成為：泡沫添加劑3%，水97%。泡沫的注入量按開挖方量及碴土實際情況計算確定為300～600L·m-3。

第五步，掘進施工。

（1）892環。盾構機在掘進前，再次對盾構姿態進行復核，掘進中首先采用悶推方式，重新建立土倉壓力至0.05MPa，加強盾尾同步注漿，緩慢掘進，密切關注土倉的情況。

（2）893～894環。盾構推至894環，土倉頂部壓力逐步降至0，底部壓力逐步降至95kPa。

（3）895～899環。按設定速度推進，降低盾構機與土摩擦力引起的型鋼受力，加快出土速度，控制土倉壓力。同時推至899環，在盾尾交接面6m范圍內進一步加強注漿量的控制。

第六步，加強監控測量。

（1）對盾構接收段100m范圍內的地面及管線進行監測，監測頻率為4次·d-1。

（2）加強對盾構接收段后10環管片的監測，監測頻率為4次·d-1。

（3）密切關注盾構機的姿態及掘進參數。

4 結 語

盾構回填土土壓平衡法接收在福州地鐵隧道施工中首次應用成功，結果也表明，該方法技術先進，施工控制得力，施工組織合理，大大降低了施工風險，縮短了工期，直接節約工程成本約200萬元，經濟效益顯著，施工人員的人身安全和場地環境安全也有保障，同時環保節能效益良好，將會有很好的應用前景。