土壓平衡式盾構機在地鐵隧道施工中的應用技術

蔡茂軍

摘要：在簡述某地鐵隧道盾構工程概況的基礎上，論述土壓平衡式盾構機工作原理和技術特征，分析了該工程項目土質對盾構施工的不利影響，闡述了土壓平衡式盾構機在控制重點部位、控制工藝參數、改良盾構渣土等方面的應用技術，提出了砂層盾構常見問題及采取的措施，以及如何解決刀盤卡頓問題，可供相關工程技術人員參考。

關鍵詞：地鐵隧道；土壓平衡；盾構施工；應用技術

0? ?引言

應用土壓平衡式盾構施工技術，在盾構機掘進過程中可保持作業面與土倉之間的壓力平衡，可適應不同土質土層盾構施工需求，確保在復雜地質工況下的安全高效作業[1]。研究土壓平衡式盾構技術工作原理及其技術特征，分析掘進過程的難點，改進盾構施工技術，有利于促進提高地鐵隧道工程的施工質量和施工效率。

1? ?地鐵隧道工程概況

某地鐵隧道工程項目使用土壓平衡盾構施工方式實施盾構貫通，盾構區域通過2臺盾構機同時掘進，雙線盾構總長為2739m，其中左線長1357m，右線長1382m。盾構隧道區間結構同地下水的最短距離為4.1m，盾構地層主要為中粗砂無水砂層地質。

2? ?土壓平衡式盾構技術概述

2.1? ?土壓平衡式盾構機的工作原理

土壓平衡式盾構機的工作原理，主要是通過盾構機刀盤對土層實施切削，通過刀盤上的入口，將產生的渣土導入至刀盤后面的土倉中。渣土在土倉內進行拌和加工，形成流塑形態。推進液壓缸產生的推力，通過隔板、倉內渣土、刀盤等傳導至刀盤前端的掌子面，使得前端掌子面的土層壓力、地下水壓力與盾構機推力保持平衡狀態，以保證作業過程中土層與盾構機接觸面的壓力處于穩定狀態。螺旋輸送機一端布置在土倉內部，根據掘進情況，通過螺旋輸送機和膠帶運輸機將多余的渣土輸送出去[2]。土壓平衡式盾構機的主要結構如圖1所示。

2.2? 土壓平衡式盾構機的技術特征

土壓平衡式盾構機在推進液壓缸推進和刀盤削切的雙重作用下，進行掘進作業。對形成的渣土進行再處理，使其形成流塑狀態，以確保盾構機土倉內的壓力符合掘進作業要求，形成掘進過程整體結構的支撐效果[3]。

由于掘進過程始終處于運轉狀態，在確保刀盤削切作業的基礎上，可操作螺旋輸送機持續輸出渣土。在螺旋輸送機同步完成出渣和保持壓力平衡的動態過程中，利用其葉片結構，可使動態壓力始終處于標準要求的范圍。

在水壓較高的地質條件下，渣土將在特定時間中被稀釋，進而形成土壓急劇下降。如果掘進過程中土壓升高，刀盤的切削阻力也會提高。如果阻力值超過了驅動扭矩，就會形成堵倉狀態。可見，盡管土壓平衡式盾構技術具備較好的施工優勢，需盡量避免在多水源的江河湖泊工況條件下進行掘進施工。

3? ?土質對盾構施工的不利影響

因為盾構地層土質中存在砂土粒徑大、滲透率高、內摩擦角大等因素，對隧道盾構掘進形成不利作業條件，給土壓平衡式盾構機的掘進施工帶來不利影響。

3.1? ?影響渣土清排

由于地層砂粒間摩擦產生的阻力較大，砂粒流動性差。在土壓平衡盾構掘進實施過程中，削切作業形成的渣土不斷匯集在螺旋輸送機和土倉中，會造成渣土塞狀況，進而導致推進液壓缸阻力和刀盤扭矩的顯著增大、渣土清排受阻[4]。削切過程還會造成刀盤磨損加快，最終導致影響盾構機掘進效果。

3.2? ?影響掘進參數

地層土質中砂土粒徑大，在盾構機掘進過程中不易管控盾構操作參數。其中螺旋機轉速、盾構機掘進速度及刀盤扭矩等參數，容易出現均衡性失調情況。在快速掘進盾構過程中，如果出現刀盤扭矩提高情況，容易導致刀盤運轉處于滿負荷運行狀態。

3.3? ?影響土壓平衡

地層砂粒土質缺少流塑效果，會造成砂粒間的相互作用減弱。大粒徑砂石的可控性差，會在土倉底部形成大量沉積，或向螺旋輸送機葉片周邊滑移狀態，使得較難實現土壓的有效控制。

3.4? ?影響土倉建壓

中粗砂地質情況下的盾構施工過程不易完成土倉建壓，容易形成掘進基礎面砂層結構失穩情況，不易建立成拱效應。針對上述情況，應通過合理操控螺旋輸送機，實現壓力均衡調節。操作過程中，應重點控制螺旋輸送機因高速運轉造成的出土量增加、土倉壓力變低的情況。同時控制螺旋輸送機低速運轉造成的出土量減少、土倉壓力增高的情況。地鐵隧道土壓平衡盾構施工模擬如圖2所示。

4? ?土壓平衡式盾構應用技術

該地鐵隧道工程項目地質為無水砂層，因此選擇復合土壓平衡盾構方式進行施工。

4.1? ?重點部位處置

4.1.1? ?刀盤

盾構機刀盤主要由面板、牛腿刀盤、輻條等組成。面板由厚鋼板制作，可防止產生中心泥餅，并將攪拌扭矩平穩控制在較小范圍內。刀盤開口率設定為45%，并勻稱布置于盤面，以避免泥餅現象的發生。主體刀具主要以先行刀和切刀為主，利用相互配合提升削切效率。刀盤外圈設置輔助撕裂刀，配合削切。刀盤設置多點位泡沫口和膨潤土出口，通過新型泡沫噴頭實現渣土改良。刀盤選用大圓環焊接型耐磨鋼板，以增加其耐磨效果。

4.1.2? ?螺旋輸送機

螺旋輸送機前端螺旋軸和葉片易產生磨損，此位置加焊耐磨鋼板，葉片迎渣面位置做加固焊接復合鋼板處理，并在螺旋輸送機前端筒體加焊復合型耐磨材料，以加強其耐磨性能[5]。

4.1.3? ?泡沫和加水系統

采用單管單泵泡沫系統，保證全部管路泡沫的平穩輸出，相互間不形成干擾。通過預混合模式優化發泡質量，有效控制泡沫使用量。加配獨立加水系統，該系統設有加水氣動球閥、箱體、泵體及管路，并依據工程所需靈活實現加水處理，實現渣土的有效改良。

4.2? ?工藝參數

如果土壓平衡式盾構機的工藝參數不符合要求，會影響隧道盾構效果。其工藝參數主要包括盾構速度、刀盤扭矩、注漿壓力、總盾構推力等。刀盤扭矩主要受盤體周圍土體壓力、土體摩擦力及受土壓力等因素影響；總盾構推力主要受周邊土體壓力、摩擦力、粘聚力等因素影響。本地鐵隧道工程的盾構線路已在工程設計階段完成，因此盾構過程的土壓力基本確定。因為無法改變地質特征、隧道埋深等客觀情況，為達到減少總盾構推力和刀盤扭矩的目的，應從改良盾構渣土、提升盾構速度等方面入手。

4.3? ?改良盾構渣土

4.3.1? ?改良方法

改良盾構渣土通常選擇添加渣土改良劑的方式來實現，常見的渣土改良劑為膨潤土砂漿、水等[6]。針對本地鐵隧道項目的砂層土體狀況，主要選擇發泡劑、膨潤土、高分子聚合物等材料。改良時應參照渣土特性完成改良劑的配制，以期達到渣土改良效果。

4.3.2? ?改良半斷面砂層

根據本地鐵隧道的前期勘察結果可知，在前300環的掘進區間里，土體多為中粗砂及黃土粉狀黏土土質。針對此種土質，主要通過添加水和泡沫的方式實現渣土改良，為盾構和出渣作業創造便利條件。隧道盾構區間復合地層如遇黏性土顆粒占土質半數以上時，單獨選擇泡沫劑做改良材料，即可達到預計的渣土改良效果。

4.3.3? ?改良全斷面砂層

盾構機掘進到300～500環區間時，隧道斷面中粗砂增加至超過土質半數比例，相應刀盤扭矩明顯升高。此時依舊單獨使用泡沫劑改良渣土難以達到改良效果，且會造成周邊建筑和管線失穩。針對該地質狀況，選擇泡沫劑加膨潤土砂漿的方式實現渣土改良，最終確定使用砂性土專用氣泡劑及鈉基膨潤土作為改良劑。

經過反復試驗，確定膨脹土和水按1：10的質量比配比進行拌和；黏度控制在35MPa·s，添加率為10%～20%；原液泡沫劑添加量為30～50L之間，添加率控制在3%～5%之間，發泡倍率為12倍。按照上述配比，渣土改良效果明顯。

4.3.4? ?改良砂性土流塑性

如果發現渣土含水率過低，應及時開啟螺旋機蓋板，將過干的砂土及時清排；如渣土含水率過高，表明砂性土流塑性較高，裝運渣土過程中易從輸送機膠帶間隙中掉落，導致污染軌梁下端管片，應加以控制。

4.4? ?砂層盾構常見問題及處理措施

4.4.1? ?砂層盾構常見問題

本地鐵隧道工程項目中，粗砂地質占比較大。粗砂地質具有較強的密實度，掘進過程中容易造成盾構推力大、盾構姿態難以控制、減緩盾構掘進效率和速度的局面。過大的盾構推力會造成盾構機高負荷運轉，導致液壓油升溫，進而造成液壓運行異常。

4.4.2? ?采取的措施

一是在刀盤前端、土倉位置、盾體外側合理安設改良劑注入點，以便于泡沫劑和膨潤土泥漿的注入、合理改良渣土土質、使盾構機獲得合適推力掘進。二是在盾構機掘進過程中，合理控制土倉壓力，在土倉為滿倉或2/3容積情況下進行盾構作業，并持續填裝土倉內渣土，以確保掌子面的平穩效果。三是通過調控掘進速度和螺旋轉速，實現刀盤扭矩的動態調控，保證其在低于70%額定扭矩狀態下作業，在保證刀盤扭矩和相應參數的情況下，適量提升土倉壓力。四是針對全斷面砂層施工易導致刀盤扭矩過大的問題，合理調控刀盤扭矩工作范圍，通過原地刀盤空轉、提升泥漿填入量等方式控制刀盤扭矩。五是控制地鐵隧道盾構掘進環速度在35～45mm/min區間范圍，同時應合理調控刀盤外圍溫度，使其維持在40℃上下。

4.5? ?解決刀盤卡頓問題

4.5.1? ?準備工作

在全斷面砂層盾構掘進過程中，砂層的固結可造成刀盤卡頓、盾構機停止掘進。在刀盤脫困處理方案實施前，應做好以下準備工作：一是全面勘察作業現場情況，對刀盤上方地表做好安全圍護，并安排專人值守，及時發現和處理異常問題，防止地表坍塌引起安全事故。二是依據現場地表土質特征，科學實施加固手段。如有必要，應對地表進行注漿加固處置，防止盾構施工過程中發生地表塌陷。三是對地表進行加固處理后，在后續掘進過程中，適當增加同步注漿量，并根據實際情況進行二次注漿，以增強土體的穩定效果。

4.5.2? ?解決方法

一是增加砂層土質的流塑性，通過盾構機泡沫管路注入化學砂漿，用以將固結渣土做松散處理。采用在盾構體周圍填注膨潤土材料的方式，以減少盾構體周圍地層的摩擦力。同時將鉸接液壓缸和頂推液壓缸做收縮調節，使盾構機適量收縮，以擺脫盾構機卡頓狀態。二是刀盤卡頓可通過螺旋輸送機反轉，并向盾構倉內填注短方木與加氣塊的方式，加強出土口上端渣土的擾動，通過松散處理使其向下脫落，隨后正轉操作螺旋機，將脫落渣土及時清排。依據此方法多次往復處理，可將盾構倉內渣土有效清排，配合左、右旋轉刀盤操作，可實現刀盤恢復正常運行工作。由于通過短方木與加氣塊配合操作的方式，解決刀盤卡頓的效果較好，且實施簡單、操作方便，因此具有較高的應用可行性。三是對刀盤卡頓不明顯的問題，可采用“豎井+圍護樁”的方式予以解決。但由于此方式實施周期長、投資費用高，通常使用率較低。

5? ?結語

在地鐵隧道盾構施工中應用土壓平衡式施工技術，既可實現掘進施工作業面與土倉之間的土壓平衡，還可實現復雜地質工況下的高效安全施工、保證盾構掘進速度和施工質量。本文結合地鐵隧道盾構工程施工實際，通過多角度分析研究土壓平衡式盾構施工技術在地鐵隧道施工的應用技術，保證了該地鐵隧道盾構工程施工的順利實施。

參考文獻

[1] 王彩君，宋鵬飛.特殊條件下盾構施工技術難點及應對措

施分析[J].工程與建設，2022（6）： 1728-1730.

[2] 徐向飛.天津地鐵5號線復雜地質條件的盾構施工技術研

究[J].建筑機械，2017（6）：176-178.

[3] 林凱凱.地鐵工程土壓平衡式盾構施工技術要點分析[J].佳

木斯職業學院學報，2018（11）： 486-487.

[4] 陸云.地鐵工程土壓平衡式盾構施工技術分析[J].工程技術

研究，2021（6）： 135-136.

[5] 韓喜忠.地鐵工程土壓平衡式盾構施工技術要點分析[J].建

筑技術開發，2017，44（5）：78-79.

[6] 趙宏達.土壓平衡式盾構施工技術在地鐵工程建設中的應

用[J].中華建設，2022（8）： 130-132.