地鐵工程土壓平衡式盾構施工技術

何睦

摘 要：為妥善解決軟弱地層穩定性偏差、砂層富水性強的問題，對土壓平衡式盾構施工技術相關應用展開研究。通過參考相關文獻資料，根據具體地鐵工程盾構施工案例，詳細分析土壓平衡式盾構施工技術要點，注重盾構土倉壓力、微擾動、同步注漿、出渣量、渣土改良、富水砂層沉降等施工內容，在土壓平衡式盾構施工技術實踐中有效控制富水砂層沉降問題。對于穩定性偏差的砂層，可以考慮土壓平衡式盾構施工技術，為地鐵工程安全使用提供保障。

關鍵詞：地鐵工程；土壓平衡式盾構；施工技術

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）05-0022-03

0 引言

本文將某地鐵工程作為研究對象，從土壓平衡式盾構施工技術的實踐角度，詳細分析地鐵工程施工問題解決方法，希望可以引起更多地鐵工程施工單位的關注，提升土壓平衡式盾構施工技術使用規模，輸出高水平的地鐵工程，推動地區經濟健康發展。

1 土壓平衡式盾構施工技術的優勢

盾構法是一種機械施工方法，其利用盾構在土層中持續推進，借助盾構+管片支承的組合方式，預防隧道內部坍塌。通過切削裝置開挖土體，借助千斤頂加壓，同步拼裝管片，以此形成穩定的隧道結構。

基于盾構法的土壓平衡盾構，通過調整開挖量，維持土倉內部壓力，以此達到與開挖面的地層水壓力與土壓力平衡狀態。土壓平衡盾構土倉內部泥土，也可以用于開挖面地層支護處理，保證隧道內部的穩定性。相比于常見的泥水加壓盾構，土壓平衡盾構擁有更強的適應性，掘進速度更高，可以保證作業全過程的安全性，不會產生過高的工程造價，更符合地鐵工程大規模建設需求[1]。

2 工程案例

某工程全長約7 000 m，地形起伏相對較小，地面高程在6.9～8.4 m。本工程地理位置處于三水斷陷盆地內，沒有過于復雜的地質構造，不存在褶皺、斷陷等情況，擁有較為穩定的場地條件。施工區域的地貌特征為沖積平原，呈現軟土發育狀態，擁有含水量較為豐富的砂土層。在施工區域地表位置，水系呈現不發育狀態，擁有較為豐富的地下水條件，穩定水位在0.5～2 m。

本工程存在以下兩個施工難點：①軟弱地層容易出現失穩現象。本工程擁有填土層、淤泥層、粉細砂層等地層條件，沒有更強的穩定性，這導致開挖面容易發生坍塌現象。在盾構施工當中，也難以有效控制地層沉降問題。②砂層擁有較強的富水性能。在施工區域內，擁有較厚的砂層，富水性能較強，飽和度超過90%，屬于中等透水層范疇。本工程施工單位與設計單位詳細分析后，決定采用土壓平衡式盾構施工技術開展地鐵工程施工建設作業。

3 地鐵工程土壓平衡式盾構施工技術實踐

3.1 盾構土倉壓力

在本工程的富水砂層區域進行盾構施工作業時，盾構土倉的內部土壓力，要大于地層的水壓力與土壓力的數據之和。經過計算，前者要比后兩者大20 kPa。此時，需要通過螺旋出土器，以無級調節轉速的方式，將盾構土倉的壓力波動保持在-15～15 kPa，實際控制數值則要以盾構隧道埋深進行調節。

在本工程正式開始盾構掘進作業之前，螺旋出土器的前方土壓力數值約為196 kPa。在進行盾構排土作業期間，螺旋出土器的前方土壓力數值波動約在8～20 kPa。想要維持盾構土倉內部壓力與外部壓力的平衡狀態，就需要確保土倉內部的土壓超過開挖面的水壓力與土壓力之和，數值超過部分一般為20 kPa。為確保土壓平衡盾構在掘進作業中，達到穩定的土壓平衡效果，避免在螺旋出土器排土過程中，盾構土倉內部出現負壓情況，需要確保盾構土倉的內部土壓大于停機壓力+20 kPa的數值。比如在進行盾構掘進作業之前，盾構土倉壓力保持在220 kPa左右，在掘進排土期間，盾構土倉壓力波動處于8～15 kPa。此時，盾構土倉內部壓力不會產生過大幅度的波動，盾構土倉內部壓力也會持續超過開挖面的水壓力與土壓力之和，以此達到開挖面的穩定性，維持拱頂砂層的作業安全[2]。

3.2 微擾動

在盾構掘進過程中，刀盤轉速會直接影響地層擾動情況，需要在設置盾構掘進速度的基礎上，采用合適方法，降低刀盤對砂層造成的擾動。需要注意，不能僅考慮盾構掘進速度，還需要綜合刀盤扭矩、推進速度等指標，才能達到預期微擾動效果。

在本工程的富水砂層中，使用土壓平衡式盾構進行掘進作業時，將刀盤轉速控制在1.8 r/min，產生的刀盤扭矩偏小，擁有較快的盾構掘進速度，富水砂層也會受到較大的擾動影響。

在實踐中，如果將刀盤轉速保持在1.85 r/min左右，會產生970 kN·m的刀盤扭矩，盾構掘進速度約為51 mm/min。在這種情況下，富水砂層沉降值將超過17 mm。如果將刀盤轉速下調至1 r/min，雖然也擁有較大的刀盤扭矩不會對富水砂層產生過大的擾動。但是盾構掘進速度相對偏慢，并不能達到預期的渣土改良效果。如果將刀盤轉速保持在0.9～1 r/min，會產生1 850 kN·m的刀盤扭矩，盾構掘進速度會下降至16 mm/min。在這種情況下，富水砂層沉降值約為11 mm。經過大量數據分析，可以確認當刀盤的轉速保持在1.4 r/min左右，刀盤扭矩數值相對較小，土壓平衡式盾構也可以保持較為平穩的掘進速度，不會對富水砂層產生過大的擾動。

在實踐中，以1.4 r/min作為刀盤轉速設置標準，刀盤扭矩約為1 100 kN·m。此時的土壓平衡式盾構掘進速度為40 mm/min，富水砂層的沉降值小于8 mm。為此，本文在設計富水砂層區域的盾構掘進方案時，以1.4 r/min作為土壓平衡式盾構的刀盤轉速設置標準[3]。

在本工程中，存在使用摩擦樁基礎結構的建筑物。建筑物范圍內的地層中部、拱頂是中粗砂層，地層底部是強中風化泥質粉砂巖。經過現場監測，確認該區域的巖石抗壓強度處于6～8.5 MPa。在使用土壓平衡式盾構進行掘進作業時，需要將推力控制在14 000 kN左右，設定刀盤轉速4.5 r/min刀盤保持在扭矩值11 00 kN·m。此時盾構掘進速度約為40mm/min。對于該建筑物，設計允許最大沉降值為9.6 m。在土壓平衡式盾構通過該建筑物后，經過檢測，地面沉降值約為4.5 mm，符合該建筑物的沉降標準，沒有產生過大的地層擾動現象。

3.3 同步注漿

在盾構掘進過程中，需要做好同步注漿作業，確保地層與管片的空隙可以被砂漿及時填充，以此降低土層沉降量，保障開挖面的安全性。在本工程的同步注漿作業中，需要將注漿壓力保持在0.35 MPa。使用土壓平衡式盾構配置的液壓注漿泵，利用注漿管道將砂漿注入預先設定的注漿點位?？梢酝ㄟ^監測系統，確認當前注漿壓力，配合相應的注漿泵調節作業，完成同步注漿的連續調整。在地鐵工程施工建設中提升土倉內部渣土的不透水性與流塑性，才能有效抵御開挖面的地層水壓力與土壓力，避免出現砂層噴涌、結餅等情況，需要將渣土改良作為土壓平衡盾構的重點內容對待。在本文設計的地鐵工程土壓平衡式盾構施工方案中，通過加入外加劑完成渣土改良任務，穩定提升軟弱地層的穩定性，有效解決砂層富水性強引起的衍生性問題[4]。

3.4 出渣量

在本工程中，使用土壓平衡式盾構掘進1環，可以產生約46.7 m3的渣土。通過實踐分析，可以確認從開挖面切削的渣土，如果保持松散狀態，1環可以產生65 m3的渣土。土壓平衡式盾構的出渣，可以達到15 m3/節的運送標準。為保障盾構施工的安全性，每環最大出土量為4斗，即開挖面每進行375 mm的盾構掘進作業，就需要通過出渣斗進行渣土運輸?？赏ㄟ^控制盾構掘進速度的方式，合理調整出渣量，達到勻速送出渣土的效果。在土壓平衡式盾構掘進期間，如果盾構掘進距離小于330～375 mm的標準，已經產生滿出渣斗的渣土，需要對螺旋出土器轉動速度進行降低，減小閘門開度，在單位盾構掘進距離中，降低渣土產生量[5]。

3.5 渣土改良

在富水砂層中，應用土壓平衡盾構進行掘進作業，需要做好渣土改良工作，確保土倉內部渣土的流塑性能。這樣才能合理控制出渣量，避免出現嚴重的土倉壓力波動情況，實現穩定控制地層沉降的效果。在土壓平衡式盾構掘進過程中，切削的土體實際埋深偏大，會在切削+攪拌的物理處理下，產生體積膨脹現象。

不同地層擁有不同的土體性質，在進入土倉后，可能會出現以下兩種情況：①結餅。黏性土地層具有易流動特性，滲透系數相對小，沒有過大的內摩擦角。在進入土倉內部，這類土體強度要低于原土體強度，會表現出塑性流動性。雖然具有符合標準的止水性能，但是這類土體的黏性偏大，容易在刀盤位置產生土體粘附現象，造成土體被不斷壓密、固化，即為結餅。②噴涌。砂層具有較大的滲透系數與內摩擦角，但是不具有更強的流動特性。這類土體在進入土倉、螺旋排土器內部后，會增加刀盤、螺旋排土器的工作扭矩，降低盾構掘進效率，影響后續的排土作業。土倉與螺旋出土器產生的壓縮環境，無法實現完全止水效果。如果開挖面擁有較大的水壓，會在排土口的閘門位置，發生地下水噴涌情況。對于土倉與螺旋排土器內部的渣土，需要擁有一定的塑性流動性能，確保千斤頂可以向隔板提供均勻推力，順利排出渣土，避免出現渣土堆積現象。對于刀盤前部，需要設置一定數量的泡沫注入孔，通過注入泡沫的方式，合理控制土體的滲透性能，維持開挖面掘進的穩定性。

在本工程中，土體需要保證不容易出現固結排水情況，保持一定的流塑狀態，方便傳遞壓力與土體攪拌處理，并要求具有一定的不透水性能。在本工程中，富水砂層區域存在多種地層組合模式，這意味著需要使用不同的渣土改良外加劑，才能達到預期的渣土改良效果。在含有5%～10%粘粒的中粗砂層全斷面中，可以考慮使用5‰～7‰的TAC高分子材料，提高富水砂層的塑性流動性能，強化其止水性能。對于組合地層中，需要在使用TAC高分子材料的基礎上，注入足夠量的水，配合5‰～7‰的分散劑與3%的泡沫，綜合改良渣土。在實際應用中，需要將渣土改良外加劑注入土倉內部，讓土倉中的渣土轉化成糊狀，完成渣土改良任務[6]。

3.6 富水砂層沉降控制

對于本工程的富水砂層區域，在沒有確認渣土改良方案，設置土壓平衡式盾構掘進參數之前，富水砂層的沉降值大于15 mm，部分區域的沉降值超過90 mm。

對本工程的富水砂層區域進行分析，可以確認實踐條件下的富水砂層沉降規律：當隧道埋深超過14 m，在進行土壓平衡式盾構掘進作業時，會產生一定的地層沉降。在結束施工任務的4～7 h，地層沉降則會反應至地面范圍。在縱向角度，從土壓平衡式盾構的盾尾到刀盤位置，地面沉降變化幅度最大。在橫向角度，以隧道中心線為基準，在左右側3～5 m，地面沉降變化幅度最大。這個沉降規律基本符合前期現場勘探結果。為此，地鐵工程施工單位針對沉降幅度偏大的區域，通過地面補償注漿技術進行處理，以此遏制路面沉降問題。

在確認富水砂層的沉降問題，總結相關控制經驗后，施工單位決定對土壓平衡盾構進行改造。對于刀盤開口率，使用厚度為25 mm的耐磨鋼板，通過焊接工藝，針對刀盤的側向開口位置做封堵處理，確保刀盤的側向開口率接近0，保持全封閉狀態。螺旋出土器設計長度為12 m，工作半徑為40 cm，傾角為22°。螺旋出土器的長度不僅受到自身傾角的影響，還與盾體內徑設計相關，這意味著無法實現無限延長的目標。過長的螺旋出土器需要更大的扭矩，容易出現驅動馬達無法提供工作負荷的情況。對螺旋出土器的多項指標進行綜合分析后，決定將螺旋出土器設計長度調整至13 m。對于土壓平衡盾構掘進參數進行控制，基本保持土壓平衡狀態，極大降低地層沉降產生概率。在實踐中對施工區域進行監測，確認在富水砂層區域，地面平均沉降量約為3.1 mm，最大沉降量為4.2 mm，符合施工設計方案的安全施工標準[7]。

4 結束語

在開展地鐵工程盾構施工時，需要根據地層條件，選擇合適的施工技術，設計內容完善的施工方案。在方案執行過程中，需要做好渣土改良、地層沉降等處理工作，合理解決軟弱地層穩定性偏差問題。

參考文獻

[1] 吉力此且，路軍富，王國義.大粒徑卵石地層土壓平衡盾構施工的渣土改良[J].城市軌道交通研究，2022，25（8）：126-131.

[2] 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.

[3] 劉峰，李豆，李騰飛.氣壓輔助推進工法在土壓平衡盾構施工中的應用研究[J].建筑機械，2022（7）：113-117.

[4] 李東陽.富水砂層條件下雙螺旋土壓平衡盾構施工技術[J].工程機械與維修，2021（5）：54-55.

[5] 張浩.海域段采用土壓平衡盾構施工的可行性分析[J].現代隧道技術，2020，57（S1）：568-574.

[6] 李友良.市政工程中土壓平衡盾構施工設備選型方法[J].設備管理與維修，2021（10）：117-118.

[7] 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（6）：135-136.