土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在隧道施工中的應(yīng)用

張霄睿 江川

北方重工集團(tuán)有限公司 遼寧沈陽 110000

隨著我國基本道路施工技術(shù)的不斷改進(jìn)，復(fù)雜地形盾構(gòu)隧道在一定程度上得到推廣，各種施工技術(shù)也在不斷升級和改進(jìn)。在進(jìn)場階段和后續(xù)施工過程中，建立良好有序的施工現(xiàn)場十分重要。

1 土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的機(jī)理和適用地層

土壓盾構(gòu)機(jī)通過轉(zhuǎn)動(dòng)切割頭來切割墓面上的地面，土砂進(jìn)入截割頭后面的密封土罐，通過土罐底部的螺旋輸送機(jī)輸送到盾構(gòu)機(jī)后位[1-2]，通過調(diào)節(jié)截割頭的速度，通過切削量和開挖量調(diào)整驅(qū)動(dòng)速度和螺桿速度，保持土罐壓力與碎石面土壓力一致。

土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)適用于各種黏性地層，砂性地層，砂礫土層，對于風(fēng)巖地層、軟土與軟巖的混合地層，可采用復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)[3-4]，土壓盾構(gòu)機(jī)用于砂石、礫石和軟石街道的開挖，在底槽、螺絲刀和切割頭內(nèi)注入潤滑泥或泡沫，改善土壤和砂土的塑性流動(dòng)性能，防止刀頭形成泥餅，減少刀具扭矩和刀具磨損，提高掘進(jìn)速度。

2 土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的施工實(shí)例

沈陽地鐵2號線南延線市民廣場—科技園區(qū)間隧道起點(diǎn)里程K27+961.950—K29+421.620，右線全長1459.655m，左線全長1459.64m。盾構(gòu)區(qū)間隧道主要采用單洞單線圓形的斷面，主要選用盾構(gòu)的施工方法，線間距最小的距離在15m。該工程隧道穿越的地層主要是由淤泥質(zhì)粘土向粉質(zhì)粘土、粉砂夾粉土。地質(zhì)變化大，水污染物含量很高，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，第一次出現(xiàn)的水體為光氣水和微咸水，研究期間混合水位埋深為1.6-2.65m。

基于以上地質(zhì)條件，用一臺(tái)利用土的壓力困難的機(jī)器，我們認(rèn)為很難解決土的困難和困難，選擇土的困難來建造機(jī)器。

3 盾構(gòu)機(jī)

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)性能以及價(jià)格進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋容^，同時(shí)，根據(jù)全運(yùn)路隧道穿越具體的地質(zhì)情況，施工中采用井岡山10號土壓平衡盾構(gòu)機(jī)[5-6]。盾構(gòu)機(jī)配有泡沫噴射系統(tǒng)、膨潤土噴射系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)。它有三種開挖方式：地壓平衡、露天和半露天?？筛鶕?jù)不同層次選擇不同的開挖方法；切割機(jī)機(jī)頭的設(shè)計(jì)應(yīng)具有互換性和截面性，以適應(yīng)更寬的分層范圍，滿足不同分層的隧道速度要求；盾構(gòu)機(jī)操作系統(tǒng)應(yīng)包括PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)有三種控制模式：自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)；可對開挖條件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程處理和管理；配置了自動(dòng)定壓注漿系統(tǒng)，對盾尾環(huán)形空隙進(jìn)行同步注漿，控制地層沉降；可安裝盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)和盾構(gòu)總成位置自動(dòng)測控系統(tǒng)；主盾構(gòu)機(jī)分為四個(gè)部分：切口、切口環(huán)、支撐環(huán)和尾部盾構(gòu)。切口用螺釘固定在鍋爐和切口環(huán)之間的中心軸承上。耳環(huán)和固定環(huán)與螺釘連接，支撐環(huán)和尾罩與鉸鏈連接，便于盾構(gòu)機(jī)小曲線的驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)；柴油機(jī)氣缸設(shè)計(jì)為可通過成組伸縮器進(jìn)行自我控制，過載刀配置為更好地轉(zhuǎn)向和糾正偏差[7-8]。

4 主要施工技術(shù)

4.1 施工總體方案

沈本大街站、全運(yùn)路站至沈本大街站區(qū)間、沈本大街站至高深東路站區(qū)間，全長3366m。截至目前，沈本大街站實(shí)現(xiàn)全線首個(gè)車站主體結(jié)構(gòu)封頂，全運(yùn)路站至沈本大街站區(qū)間開啟全線首個(gè)盾構(gòu)施工。

4.2 盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)

盾構(gòu)機(jī)在沈本大街進(jìn)行始發(fā)，鉆孔時(shí)取起始基底和反力架斷面[9-10]，在深本街站出口取出發(fā)前100m作為開挖斷面樣本。通過開挖試驗(yàn)段的建立，控制盾構(gòu)的作業(yè)方法和各層盾構(gòu)掘進(jìn)不同參數(shù)的調(diào)控方法；控制管片拼裝過程、防水過程和脫空抑制過程；檢查地表重量和沉降、土體位移和管片應(yīng)力，及時(shí)詳細(xì)分析地層位移權(quán)和不同土層不同發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，以及結(jié)構(gòu)對地面環(huán)境的影響，及時(shí)反饋和調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，確保安全高效施工。

4.3 盾構(gòu)掘進(jìn)

4.3.1掘進(jìn)模式選擇與控制

根據(jù)安全、經(jīng)濟(jì)的原則，結(jié)合地層條件，中風(fēng)化、微風(fēng)化巖體結(jié)構(gòu)采用敞開式排氣方式，破巖主要采用盤式啟閉機(jī)；采用齒刀在不穩(wěn)定土壤中開挖；在軟、硬混合層開挖時(shí)，采用半壓或土壓平衡法，用鉆頭和齒刀進(jìn)行破巖。

4.3.2碴土改良

在EPB中，壓載地有這樣的特點(diǎn)：①具有良好的塑流性；②具有良好的粘稠度；③具有極低的摩擦性；④具有極低的滲水性。壓載土原則上不完全滿足上述條件。在施工過程中，泥餅會(huì)降低秤的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)量，造成秤的嚴(yán)重消耗，因此，根據(jù)產(chǎn)生泡沫或膨潤土的條件，應(yīng)將泡沫或膨潤土相應(yīng)地注入土容器中，并通過轉(zhuǎn)動(dòng)土容器中的桿和切割頭使其充分混合，從而改善渣土的特性，很大程度上提升了開挖的效率。

4.3.3盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與線形控制

自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)用于監(jiān)控盲機(jī)的行為和航段的位置，計(jì)算盲機(jī)的正確位置。因此，通過控制動(dòng)力機(jī)器在推進(jìn)油鏈不同區(qū)域的行為，它被添加到了油鏈上，而且有很多變化要改變。為了避免更換洗衣機(jī)，要修理或更換機(jī)頭的橋頭。由于大小和后果的正確路徑系統(tǒng)，通過設(shè)置最佳線段類型來選擇實(shí)際的線型，這樣還可以確定真值、定義直線和校正建筑誤差[11-12]。

4.3.4礫砂及圓礫地層掘進(jìn)時(shí)土壓控制

沈陽典型礫砂、圓礫地層，具有一定的自穩(wěn)性，掘進(jìn)施工過程中即使形成空隙短期時(shí)間內(nèi)在自然拱的條件下不會(huì)沉降、塌陷。此種地層盾構(gòu)掘進(jìn)的主要特點(diǎn)是欠壓掘進(jìn)。大部分礫砂、圓礫地層掘進(jìn)，一般地表沉降不容易控制，采取滿倉保壓掘進(jìn)模式。而沈陽的礫砂、圓礫地層，尤其是埋深較大（隧道頂埋深18m以上）的地層，如果采取滿倉保壓模式掘進(jìn)，則掘進(jìn)速度非常慢，極易凝結(jié)“泥餅”，且對刀盤磨損很大。

欠壓不代表不保壓，正常的做法是：計(jì)算的上部水土壓力1.5bar，掘進(jìn)時(shí)上部土壓保持在0.5-0.8bar，掘進(jìn)完成前最后幾厘米將上部土壓保到1.6-1.7bar，以保證停機(jī)時(shí)的地層穩(wěn)定。

4.4 同步注漿

過盾構(gòu)尾部的管道同步?jīng)_擊來填充空隙。材料與水泥、砂、粘土、粉煤灰和添加劑混合。車輛壓力控制在0.3-0.4MPa之間，車輛容積為環(huán)縫容積的1.3-1.8，為提高填筑密實(shí)度，更好地控制分層位置，必要時(shí)可利用分段預(yù)留鉆孔連續(xù)灌注液體水泥。

5 重點(diǎn)地段施工技術(shù)

5.1 站場地段施工技術(shù)

市民廣場站為島式站臺(tái)，有效的站臺(tái)寬度為12m，車站主體結(jié)構(gòu)總長219.8m，結(jié)構(gòu)形式為地下兩層雙柱三跨結(jié)構(gòu)島式結(jié)構(gòu)，局部采用三層三跨的箱型框架結(jié)構(gòu)。車站標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)寬度22.5m，底板埋深約18m，最深處埋深25.15m。是全線唯一一座換乘車站。從第一段底板鋼筋安裝到最后一板混凝土澆筑，共完成了7000噸鋼筋安裝，18000㎡防水鋪設(shè)，28000m3混凝土澆筑。

5.2 下穿房屋樁基段施工技術(shù)

由于樁基礎(chǔ)大多嵌于中風(fēng)化巖體結(jié)構(gòu)中，施工中的關(guān)鍵是取消柱填筑的及時(shí)性和質(zhì)量。同時(shí)，在出口處推力必須達(dá)到一定值，使支柱的持力層不發(fā)生質(zhì)的變化，以控制房屋和地面的變形；該段施工后，測量結(jié)果表明，樁體最大沉降量為4.6mm，房屋內(nèi)未發(fā)現(xiàn)新的裂縫，原有裂縫也沒有明顯延伸[13-14]。全全運(yùn)路站至沈本大街站區(qū)間、沈本大街站至高深東路站區(qū)間，全長3366.368m。目前，沈本大街站實(shí)現(xiàn)全線首個(gè)車站主體結(jié)構(gòu)封頂，全運(yùn)路站至沈本大街站區(qū)間開啟全線首個(gè)盾構(gòu)施工。沈陽地鐵二號線南延線全長14.2km，是沿2號線城市“黃金走廊”南北向的主干線，建成后將與沈陽北站、桃仙國際機(jī)場緊密相連，為人工開挖的航站樓，確保盾構(gòu)施工期間建筑物的安全和居民的正常生活。

5.3 斷裂帶施工技術(shù)

全運(yùn)三路—沈本大街段地質(zhì)構(gòu)造主要為走馬崗錯(cuò)動(dòng)。走馬崗誤差的趨勢是近東西向，傾向方向則為EN，下潛角很慢。在左線zdk17+120-+150、右線ydk17+155-+180附近穿越洞身下方，呈明顯的風(fēng)化深槽。隧道穿越地層為全覆砂殘積土。地質(zhì)報(bào)告顯示地下水不豐富，故前期假定采用局部風(fēng)壓方式施工，但靠近走馬崗斷層時(shí)地下水位明顯下降，導(dǎo)致土壤預(yù)期值12面減少，最終蓄水量達(dá)到35.4mm。因此，迫切需要將開挖模式轉(zhuǎn)換為土壓平衡模式，使地表沉降明顯減小，得到有效控制。

6 結(jié)語

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)有較高的自動(dòng)化水平極大地提高了施工效率而且在施工中能夠?qū)蜻M(jìn)土量能形成自動(dòng)控制管理，也能較高的保證土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工的工程質(zhì)量，但應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況采用合理的施工工藝，確保施工質(zhì)量。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是適用于各類隧道工程的一種掘進(jìn)機(jī)，已在我國各大城市地鐵區(qū)間隧道工程普遍選用，通過在各種不同地層中施工實(shí)踐，工藝技術(shù)日趨成熟，盾構(gòu)機(jī)是一種集機(jī)、電、液、傳感和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的先進(jìn)工程機(jī)械。目前，我國已起步研制各類土壓盾構(gòu)機(jī)，并在工程中得到應(yīng)用。在今后的隧道工程中，將越來越多地采用自行設(shè)計(jì)制造的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。