富水砂層土壓平衡盾構(gòu)施工中的重點(diǎn)技術(shù)

李 森

（中鐵七局集團(tuán)武漢工程有限公司，湖北 武漢 430074）

盾構(gòu)機(jī)在選擇上，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，在應(yīng)用原理上會(huì)有不同，種類(lèi)也會(huì)有所區(qū)別，所以一定要正確的選擇盾構(gòu)機(jī)構(gòu)的種類(lèi)，保證施工的進(jìn)度，避免坍塌、施工進(jìn)度緩慢等工程事故。筆者重點(diǎn)對(duì)富水砂層展開(kāi)探討，由于情況特殊，通常選擇的是土壓平衡盾構(gòu)。在工程應(yīng)用上，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)不僅可以應(yīng)用在黏土層、巖層等底質(zhì)底層滲透系數(shù)較小、穩(wěn)定性較好的地層，而且正在逐步應(yīng)用在情況復(fù)雜的富水砂層，這些地方往往軟弱易坍塌、水頭壓力高、壓力系數(shù)大。在富水砂層施工中，土壓平衡盾構(gòu)一定程度上結(jié)局了普遍存在的難以建立的平衡模式、易擾動(dòng)地層引起地表沉降超標(biāo)、容易產(chǎn)生噴涌、出渣量不受控制、結(jié)餅現(xiàn)象以及改良渣土困難等一系列的問(wèn)題。

1 土壓平衡盾構(gòu)的特點(diǎn)與工作模式

1.1 土壓平衡盾構(gòu)原理及特點(diǎn)

工作模式的認(rèn)知，需要在了解土壓平衡盾構(gòu)的工作原理的基礎(chǔ)上，開(kāi)展具體的工作。土倉(cāng)內(nèi)壓力的控制，需要通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)挖量以及調(diào)整出土量來(lái)控制，直接利用土倉(cāng)的泥土，使得土壓力以及開(kāi)挖面地層水壓力相平衡，并且支護(hù)開(kāi)挖面地層時(shí)，可以利用土倉(cāng)的泥土，這樣可以安全的，在保持土倉(cāng)穩(wěn)定，進(jìn)行隧道掘進(jìn)[1]。與土壓平衡盾構(gòu)相比，泥水式盾構(gòu)則表現(xiàn)一般，施工風(fēng)險(xiǎn)大，掘進(jìn)控制難。土壓平衡盾構(gòu)的工程造價(jià)較低、作業(yè)安全、環(huán)境影響小以及底層適應(yīng)性廣得到了廣泛的好評(píng)。

1.2 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)工作模式和結(jié)構(gòu)

土壓平衡模式和敞開(kāi)式，是土壓平衡盾構(gòu)的兩種常見(jiàn)模式。前者時(shí)利用土倉(cāng)內(nèi)的輔助材料產(chǎn)生的壓力或者土壓的方式，來(lái)平衡開(kāi)挖面的地下水壓力以及土壓，從而可以避免地表下沉，避免避免地層失水過(guò)多或者掌子面坍塌。而后者在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，可以減少水土流失，通過(guò)建立一定的壓力，在掌子面防止地下水進(jìn)入土倉(cāng)。這樣不僅可以保持土倉(cāng)內(nèi)少量的渣土，而且可以減少刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩，為了輔助開(kāi)挖，可以在土倉(cāng)內(nèi)注入泡沫或者是壓縮空氣，以上就是半敞開(kāi)模式的主要內(nèi)容。

2 富水砂層土壓盾構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 土倉(cāng)壓力調(diào)節(jié)

如何平衡土壓和水壓，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的過(guò)程中，可以預(yù)防地表沉降的重要因素以及保證建筑物安全。為了保持土倉(cāng)壓力值以及地層土壓力和靜水壓力的壓力平衡，在掘進(jìn)的過(guò)程中，需要根據(jù)地表沉降、地質(zhì)、埋深的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在推進(jìn)的過(guò)程中，要控制好注漿量的同步，及時(shí)填充盾殼與管片之間的空隙，進(jìn)而避免由于注漿壓力過(guò)大，從而破壞管片的襯砌，進(jìn)而導(dǎo)致地表隆起[2]。

2.2 出渣量控制

為了有效的使盾構(gòu)機(jī)保持平衡狀態(tài)，在排除渣土的時(shí)候，需要保持掘進(jìn)的挖掘量以及渣土的排出量大體一致。從而避免出現(xiàn)出渣量過(guò)大，進(jìn)而沉降量偏大，改良渣土性質(zhì)，可以順利的排出渣土。

2.3 渣土改良技術(shù)

土體的力學(xué)性質(zhì)需要滿足一些要求，可以保證土壓平衡式盾構(gòu)的順利施工，比如說(shuō)土體不透水；處于流塑狀態(tài)；不易固結(jié)等要求。在土體不能滿足排出性能要求的時(shí)候，可以在壓力倉(cāng)內(nèi)加入高吸水性樹(shù)脂、礦物、界面活性材料，以及水溶性高分子等一些改良土壤性能的材料。由于這些材料有著不同的特性，在使用的時(shí)候一般是單獨(dú)使用，偶爾也會(huì)組合使用，這些材料的特性，筆者做了一些探討：高吸水性樹(shù)脂類(lèi)：這類(lèi)物質(zhì)可以將地下水變成膠凝狀態(tài)，防止高水壓地基形成噴涌現(xiàn)象。但是問(wèn)題也存在，過(guò)多金屬離子或者強(qiáng)酸強(qiáng)堿的地基中，高吸水性樹(shù)脂的性能表現(xiàn)就不佳。礦物類(lèi)：微信顆粒可以在土體的透水性不強(qiáng)或者流動(dòng)性較差的時(shí)候，改善其性質(zhì)，通常需要30~35%比重的微細(xì)顆粒。而在添加材料的選用上，我們通常使用蒙脫土、膨潤(rùn)土等補(bǔ)充土體中微細(xì)顆粒的不足[3]。界面活性材料類(lèi)：目前，界面活性材料是比較先進(jìn)的方法，泡沫和特殊發(fā)泡劑為常用類(lèi)型。國(guó)內(nèi)盾構(gòu)工程領(lǐng)域，在使用渣土改良外加劑時(shí)，主要使用泡沫和膨潤(rùn)土，相反水溶性高分子或者吸水性樹(shù)脂類(lèi)則極少使用。

水溶性高分子類(lèi)：同樣時(shí)高分子化合物構(gòu)成的材料，水溶性高分子材料與樹(shù)脂一樣可以使土基的黏性增大。由于由出色的增粘效果和親水性，TAC 高分子材料不僅可以防止粘性土地層刀盤(pán)結(jié)餅，同時(shí)可以提高砂層的塑性流動(dòng)性和止水性。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，土壓平衡盾構(gòu)施工的難度，重點(diǎn)在于富水砂層與粘性土層組合的上砂下土復(fù)合地層及富水砂層與粘性土層、硬巖組成的上砂中土下巖復(fù)合地層。由于地層適應(yīng)性廣，工程造價(jià)較低，作業(yè)安全，環(huán)境影響小，設(shè)備昂貴等特點(diǎn)，所以往往一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)不宜在不同地段二次或者多次使用。土壓平衡盾構(gòu)富水砂層，關(guān)鍵在于底層沉降的控制，地層沉降控制的關(guān)鍵因素在于合理選擇盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，控制土倉(cāng)壓力，并且控制出渣量以及注漿量的同步進(jìn)行。對(duì)于地層特性差異較大的施工標(biāo)段的盾構(gòu)選型，以及地質(zhì)條件特別復(fù)雜的情況，改造盾構(gòu)有著重大意義。隨著土壓平衡盾構(gòu)設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，以及經(jīng)驗(yàn)的積累，盾構(gòu)在不同地質(zhì)條件的推廣應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，也會(huì)由更多的工作人員以及科研工作者加入到研究和探討中去，盾構(gòu)工程在理論上也會(huì)有越來(lái)越科學(xué)的依據(jù)，穩(wěn)步推動(dòng)我國(guó)盾構(gòu)機(jī)國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，以及國(guó)盾構(gòu)工程的發(fā)展。