土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)在地鐵工程建設(shè)中的應(yīng)用

趙宏達(dá)

土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)兼具安全、高效、質(zhì)量可靠等優(yōu)勢(shì)，在地鐵工程建設(shè)中具有重要的地位。但部分地鐵工程的建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，受現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、水文等多項(xiàng)條件的影響，明顯加大土壓平衡盾構(gòu)施工難度，施工期間潛在諸多安全隱患。鑒于此，文章以某地鐵工程實(shí)例為依托，闡述土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)施工的風(fēng)險(xiǎn)，再?gòu)脑O(shè)備選型、渣土改良等方面切入，探討關(guān)鍵的工作策略。

一、工程概況

某地鐵工程2 號(hào)線一期工程， 起訖里程DK25+572.583～DK26+235.076，全長(zhǎng)662.493m。其中，左線為左DK25+572.583～左DK26+235.076，全長(zhǎng)661.682m，包含短鏈0.811m。區(qū)間地下水與結(jié)構(gòu)的最近距離為3.7m，穿越地層以中粗砂地層為主。

二、盾構(gòu)掘進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)探析

由于砂性土顆粒粒徑大、內(nèi)摩擦角大、地層滲透系數(shù)高等情況的存在，不利于盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)的順利開展，施工期間可能遇到如下風(fēng)險(xiǎn)：

（1）砂層顆粒間存在較強(qiáng)的摩擦阻力，流動(dòng)性較差。隨著盾構(gòu)進(jìn)程的推進(jìn)，切削產(chǎn)生的渣土逐步聚積在土艙和螺旋輸送機(jī)內(nèi)，產(chǎn)生一定的堵塞作用，導(dǎo)致刀盤扭矩、千斤頂推力均明顯增加，開挖排土狀態(tài)異常；同時(shí)，刀盤在切削期間有明顯的磨損，在長(zhǎng)時(shí)間切削后，影響正常盾構(gòu)。

（2）砂層土體缺乏足夠的流塑性，砂顆粒的相互作用力偏弱，大顆粒礫石的可控性較差，具有向螺旋葉片四周移動(dòng)的趨勢(shì)，或是大量堆積在土艙底部，此時(shí)土壓控制難度偏高。

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，參數(shù)的控制難度較大，例如，掘進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩3項(xiàng)參數(shù)缺乏均衡性。在相對(duì)較快的掘進(jìn)狀態(tài)下，刀盤扭矩增加，可能出現(xiàn)刀盤接近滿載狀態(tài)運(yùn)行的情況。

（4）砂層地質(zhì)條件中的掘進(jìn)存在土倉(cāng)建壓難度大的局限性，且存在于開挖面的砂層自穩(wěn)能力不足，難以產(chǎn)生成拱效應(yīng)，為此，需要加強(qiáng)對(duì)螺旋機(jī)的合理操控，以控制壓力。但需注意的是，在螺旋機(jī)高速運(yùn)行狀態(tài)下，出土量增加，土艙壓力有降低的變化；若以低速狀態(tài)運(yùn)行，則難以滿足掘進(jìn)要求。

三、盾構(gòu)選型

勘察結(jié)果顯示，現(xiàn)場(chǎng)為無(wú)水砂層，選用的是復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)。

1.刀盤適應(yīng)性分析

（1）刀盤結(jié)構(gòu)。集牛腿刀盤、面板、輻條于一體，其中，面板采用的是厚鋼板，在該材料配置方式下，可有效避免中心泥餅的產(chǎn)生，同時(shí)有利于將攪拌扭矩穩(wěn)定在相對(duì)較小的區(qū)間內(nèi)。

（2）開口率。按照45%的開口率進(jìn)行施工，開口在盤面均勻分布，降低泥餅的出現(xiàn)機(jī)率。

（3）刀具配置。切刀和先行刀為主要的刀具，通過(guò)兩者的搭配使用，高效切削。此外，在外圈配套多把撕裂刀，輔助作業(yè)。

（4）渣土改良。規(guī)劃2個(gè)膨潤(rùn)土出口和3個(gè)泡沫口，采取新型泡沫噴頭設(shè)計(jì)。

（5）耐磨。考慮到耐磨性的要求，采用到大圓環(huán)焊接耐磨鋼板。

2.螺旋輸送機(jī)耐磨設(shè)計(jì)

螺旋軸的前端葉片容易由于磨損而受損，為此，在該處焊接HADOX板；取復(fù)合鋼板，將其穩(wěn)定焊接在螺旋機(jī)葉片上迎渣面；前盾螺機(jī)筒體也有耐磨要求，采取的是焊接復(fù)合耐磨材料的方法。

3.復(fù)合式渣土改良系統(tǒng)

泡沫系統(tǒng)實(shí)行單管單泵的配置方式，各路泡沫均有穩(wěn)定性，彼此間不會(huì)產(chǎn)生干擾；采取預(yù)混合的方法，有利于改善發(fā)泡效果，且在此前提下能減少泡沫消耗量；盾構(gòu)配置獨(dú)立加水系統(tǒng)，具體包含加水泵、加水箱、氣動(dòng)球閥、管路等，在日常施工中，根據(jù)實(shí)際需求靈活啟用加水系統(tǒng)，在適量加水后，達(dá)到改良渣土的效果。

四、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)包含盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩、掘進(jìn)速度、注漿壓力等，某項(xiàng)或多項(xiàng)參數(shù)不合理時(shí)，均會(huì)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)造成影響，因此需加強(qiáng)控制。

盾構(gòu)推力主要受到盾構(gòu)與土體間的摩擦因素、盾構(gòu)四周的土壓力、土體的黏聚力3項(xiàng)因素的影響；刀盤扭矩在很大程度上取決于刀盤周邊土體的壓力、刀盤所受土壓力、盾構(gòu)與土體的摩擦力等因素。其中，盾構(gòu)與土體的摩擦因素、土體的黏聚性、盾構(gòu)所受的土壓力均會(huì)對(duì)盾構(gòu)推力和刀盤扭矩造成影響。在本項(xiàng)目中，經(jīng)過(guò)前期的規(guī)劃后，盾構(gòu)區(qū)間線路已經(jīng)成型，可以確定盾構(gòu)所受的土壓力，因此無(wú)法對(duì)地層特性、埋深等進(jìn)行改變，此時(shí)若要有效降低扭矩和推力，則需要采取加快掘進(jìn)速度、渣土改良的方法。

五、渣土改良

在采取合適的渣土改良方法后，有助于降低盾構(gòu)的推力和刀盤扭矩，為盾構(gòu)掘進(jìn)創(chuàng)設(shè)良好的條件。渣土改良劑的類型較多，常見(jiàn)有水、膨潤(rùn)土泥漿等，各類改良劑有其獨(dú)特的應(yīng)用特點(diǎn)和適用土質(zhì)，需根據(jù)工程條件合理選擇，具體如表1所示。

表1 改良劑比較表

分析發(fā)現(xiàn)，在砂層土質(zhì)條件下的渣土改良中，可以考慮膨潤(rùn)土、發(fā)泡劑、高分子聚合物，但各類改良材料的側(cè)重點(diǎn)有所不同，需要遵循因地制宜的原則，探尋合適的改良劑制備方法，充分發(fā)揮出改良劑在渣土改良方面的作用。

1.半斷面砂層區(qū)間泡沫劑的使用

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)記錄的信息可知，在區(qū)間前300環(huán)的掘進(jìn)中，以黃土狀粉質(zhì)黏土和中粗砂居多，針對(duì)此類土質(zhì)條件，決定采用“泡沫+水”的渣土改良方案，以此創(chuàng)設(shè)良好的盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)條件，以便順利出渣。此外，隧道斷面的復(fù)合地層有50%及以上黏性土顆粒時(shí)，渣土改良材料可考慮泡沫劑，僅用此類材料即可取得較好的渣土改良效果。

2.全斷面砂層渣土改良情況分析

區(qū)間前300環(huán)的渣土改良用泡沫劑完成，根據(jù)中粗砂的分布特點(diǎn)可知，其具有自東向西含量持續(xù)增加的變化趨勢(shì)，推進(jìn)至第300～500環(huán)時(shí)，隧道斷面的中粗砂含量超50%，盾構(gòu)刀盤扭矩較之于前300環(huán)有明顯的增加，若仍采用泡沫劑改良渣土，該改良劑的投入量增加，但實(shí)際應(yīng)用效果較差。可見(jiàn)，在砂層含量增加的地質(zhì)條件下，僅采用泡沫劑改良的方法缺乏可行性，難以有效建立土壓力，不利于現(xiàn)場(chǎng)的盾構(gòu)掘進(jìn)，且可能由于此方面效果較差而威脅到地面建筑物和地下管線的穩(wěn)定性。

3.渣土改良技術(shù)

綜合應(yīng)用膨潤(rùn)土泥漿和泡沫劑，集兩類材料于一體，以保證渣土改良的有效性，具體選用鈉基膨潤(rùn)土和砂性土專用氣泡劑。用量方面，膨潤(rùn)土∶水=1∶10（質(zhì)量比），黏度35MPa·s，注入率10%～20%；泡沫劑的原液注入量為30～50L，注入率3%～5%，發(fā)泡倍率12倍。

4.渣土改良效果分析

（1）刀盤內(nèi)外周的溫度有所下降。根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知，砂層的內(nèi)摩擦角大、流塑性差，在切削時(shí)刀盤的外周溫度迅速上升，甚至一度超出刀盤許可的正常溫度區(qū)間，即掘進(jìn)中的實(shí)際溫度達(dá)到40～50℃，刀盤密封溫度的合適區(qū)間為30～40℃，導(dǎo)致刀盤在相對(duì)較高的溫度下異常運(yùn)行，且隨著掘進(jìn)溫度的升高，達(dá)到60℃時(shí)將出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象，達(dá)到70℃時(shí)刀盤密封有變形的跡象。為此，需要以可行的方法控制掘進(jìn)時(shí)的溫度。向刀盤前方加大泡沫和膨潤(rùn)土的注入量，通過(guò)兩類材料的共同應(yīng)用，刀盤實(shí)測(cè)溫度被穩(wěn)定在40℃以內(nèi)，取得良好的應(yīng)用效果。

（2）砂性土的流塑性增強(qiáng)。在盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)節(jié)，增加砂性土的流塑性是實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)高效排土的關(guān)鍵前提。若渣土過(guò)干，將導(dǎo)致螺旋機(jī)油壓升高，不利于渣土的正常排出，甚至有螺旋機(jī)被卡死的異常狀況，此時(shí)，需安排員工開啟螺旋機(jī)蓋板，以人工作業(yè)的方式將其中過(guò)干的砂土清理干凈；反之，在渣土過(guò)稀的條件下，其具有過(guò)強(qiáng)的流動(dòng)性，可能會(huì)經(jīng)由皮帶與皮帶架的間隙中流出，導(dǎo)致設(shè)置在雙軌梁下方的管片受到污染。

六、砂層掘進(jìn)技術(shù)

（1）縱觀本區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)的地層條件可知，中粗砂的占比較大，此類地層具有密實(shí)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，標(biāo)貫擊數(shù)高。

（2）掘進(jìn)時(shí)的常見(jiàn)問(wèn)題。地層的密實(shí)度較高時(shí)，將加大盾構(gòu)掘進(jìn)的難度，盾構(gòu)推力偏大，進(jìn)而加大盾構(gòu)姿態(tài)的控制難度，也將放慢盾構(gòu)掘進(jìn)速度。并且，在大推力的盾構(gòu)運(yùn)行方式下，盾構(gòu)的推力系統(tǒng)以高負(fù)荷的狀態(tài)運(yùn)行，衍生出液壓油溫異常升高的問(wèn)題，乃至干擾油路系統(tǒng)的正常運(yùn)行，部分情況下還需輔助應(yīng)用鉸接油缸，以此提供足夠的推力。由此可見(jiàn)，在高度密實(shí)地層中的掘進(jìn)難度較大，為了改善盾構(gòu)掘進(jìn)條件，需要摻入適量的膨潤(rùn)土泥漿和泡沫，借助此類材料改良土體，優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)施工環(huán)境，使盾構(gòu)設(shè)備以相對(duì)合理的推力運(yùn)行。

（3）應(yīng)對(duì)方法。對(duì)于過(guò)于密實(shí)的地層，渣土改良是可行的方法，可在土艙處、刀盤前方、盾體外規(guī)劃泥漿的注入點(diǎn)，注漿改良渣土。

（4）施工參數(shù)。加強(qiáng)對(duì)土艙壓力的控制，以2/3艙或滿艙的狀態(tài)掘進(jìn)，向土倉(cāng)內(nèi)填充渣土，以此保證掌子面的穩(wěn)定性；合理協(xié)調(diào)螺旋轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度兩項(xiàng)參數(shù)，動(dòng)態(tài)控制刀盤扭矩，使該值不超過(guò)額定扭矩的70%，在確保扭矩及其他參數(shù)均合理的前提下，適當(dāng)增加土艙壓力。盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)速度以35～45mm/min為宜。在全斷面砂層掘進(jìn)過(guò)程中，由于刀盤扭矩較大，需要加強(qiáng)對(duì)刀盤扭矩的控制，要求該值穩(wěn)定在額定扭矩的70%以內(nèi)，為此，可以采取增加泥漿注入量、原地空轉(zhuǎn)刀盤或是其他可行的方法，還需有效控制刀盤內(nèi)外周溫度，以40℃以內(nèi)為宜。

七、刀盤脫困

盾構(gòu)停止掘進(jìn)時(shí)恰好處于全斷面砂層中，此狀態(tài)下砂層逐步固結(jié)，衍生出刀盤卡死的問(wèn)題，后續(xù)恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)難以正常轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤。

1.處理措施

針對(duì)刀盤卡死的情況，盡可能用盾構(gòu)機(jī)的脫困設(shè)施予以應(yīng)對(duì)。例如，盾構(gòu)機(jī)配套了泡沫管路，可經(jīng)由該管路注射化學(xué)漿液，以便使固結(jié)的渣土轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮⒌臓顟B(tài)；也可向盾體周邊注入膨潤(rùn)土，通過(guò)此類材料的應(yīng)用降低盾體與周邊地層的摩擦力，在此基礎(chǔ)上，收縮千斤頂和鉸接油缸，解除盾構(gòu)機(jī)的卡死狀態(tài)，使其能夠適量后退。若采取前述所提的措施仍難以解決刀盤卡死的問(wèn)題，可參考類似工程的處理經(jīng)驗(yàn)，做相應(yīng)的處理，其中“圍護(hù)樁+豎井”是可行的方法，但其存在工期長(zhǎng)、成本高的缺點(diǎn)，需妥善應(yīng)用。

經(jīng)分析，砂層固結(jié)是導(dǎo)致刀盤被卡死的關(guān)鍵原因，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，項(xiàng)目采取如下應(yīng)對(duì)措施：螺旋機(jī)反轉(zhuǎn)，向開挖艙內(nèi)輸入“加氣塊+短方木”，擾動(dòng)存在于出土口上方的渣土，使其呈松散狀態(tài)，以便有效向下掉落；經(jīng)過(guò)松動(dòng)處理后，螺旋機(jī)正轉(zhuǎn)，將掉落的渣土運(yùn)出。按照前述提及的方法多次操作，清理開挖艙內(nèi)的渣土，再左右旋轉(zhuǎn)刀盤，此時(shí)刀盤可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，該“加氣塊+短方木”的方案在處理刀盤卡死問(wèn)題時(shí)具有可行性；從實(shí)際操作的角度來(lái)看，該方法的實(shí)現(xiàn)難度較低、操作便捷，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理后即可達(dá)到刀盤脫困的效果。

2.刀盤脫困的注意事項(xiàng)

在實(shí)施方案前，先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)做詳細(xì)的檢查，對(duì)刀盤上面的地面采取圍護(hù)措施，加強(qiáng)安全防護(hù)，以免由于地面坍塌而誘發(fā)更為嚴(yán)重的事故，且安排專員看守，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀況，妥善處理。根據(jù)地面土體的特性，采取有效的加固措施，保證地面的穩(wěn)定性，以免坍塌。經(jīng)過(guò)處理后，盾體通過(guò)刀盤卡住的位置，在后續(xù)的掘進(jìn)施工時(shí)，在原參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加同步注漿量，并適時(shí)安排二次注漿，在漿液的固結(jié)作用下增強(qiáng)穩(wěn)定性，提升安全性。此外，必要時(shí)對(duì)地面做注漿加固處理，以免出現(xiàn)地面坍塌的異常狀況。

八、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，地鐵建設(shè)是提高城市交通服務(wù)水平的重要途徑，在大中型城市的發(fā)展中，其具有重要的地位。地鐵工程施工條件復(fù)雜，地質(zhì)因素和水文因素對(duì)施工的干擾較強(qiáng)，需合理采用施工方法。經(jīng)過(guò)本文的分析，提出土壓平衡式盾構(gòu)施工技術(shù)，闡述該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，希望所提內(nèi)容能夠給同仁提供參考。