土压平衡盾构在砂性土中的施工问题及技术探讨

土压平衡盾构在砂性土中的施工问题及技术探讨

王攀

广州轨道交通建设监理有限公司广东广州510000

摘要：盾构法在当前的隧道工程施工中应用广泛，具备地层适应能力强的优点，能够提升软土地层和高含水量地层的掘进速度，并且不易对施工环境造成太大的不良影响，从而极大地保护了地层的稳定性。文章结合工程案例分析了土压盾构施工中的难点以及具体的措施方法。

关键词：土压平衡盾构砂性土施工技术

1、技术难点分析

对于以砂土为主的土层，主要的沉降集中在盾构通过中和通过后这两个阶段。地面沉降主要分4部分:

①土体开挖卸载造成的地层沉降；

②同步注浆不能及时填充管片从盾尾脱出时产生的建筑空隙而造成地层沉降；

③隧道周围土体中超孔隙水压力消散产生的主固结沉降(超孔隙水压力是由于盾构施工引起的)；

④隧道周围土体经扰动后的蠕变沉降，即次固结沉降。

盾构穿越过程中，①，②为沉降的主要影响因素。而③，④不可避免地对成型隧道的后期沉降产生影响。基于土性的不同，盾构在穿越砂性土时的扰动效应存在其特有的性质。砂性土的含水量高、连通性好、渗透系数大，在扰动减弱后，超孔隙水压力会迅速消散，砂土在扰动后固结速率较大。盾构通过中和通过后的弹塑性变形远大于土体蠕变压缩的次固结沉降。

盾构推进时，盾构前进及内部设备的振动将动荷载施加于盾构周围的土体。由于砂层颗粒之间吸引力相对很小，几乎没有黏结，且含水量较高，在循环荷载作用时，易产生较大的瞬间变形。当荷载作用时间加长，砂层逐渐达到液化状态，造成土体较大面积沉降。由于盾构推进土层含水量丰富，同步注浆浆液在富水环境下易被稀释，填充作用被减弱。加之砂性土渗透系数较高，浆液扩散范围广，从而同步注浆所需的浆液量比较大，平均每环6~7m3，基本是淤泥质土层中所需同步注浆量的1.8倍左右。

2)土压波动大，土压不易平衡

根据现场对第250~280环的土压力进行汇总，发现相邻环土压力差最大达到1.2bar。发生这种现象主要影响因素是刀盘开口率和砂性土土质。土压盾构的刀盘开口率较大(75%)，加之砂性土流塑性较差，使其无法形成面板挡土支护效应。当砂性土受到切削后土体易坍塌，并倒向土仓，致使土压力波动比较大，土仓内不能建立稳定的土压平衡。在水头压力及动荷载作用下，切削面的土体极易产生流砂、坍塌等现象，导致掘进面不稳定。

3)推力及扭矩较高，推进速度较慢

通过现场施工跟踪，与淤泥质土中推进相比较，砂性土油温要高出10~20℃；总推力要高1.2倍，刀盘扭矩要大0.7倍。盾构掘进土层主要为③层砂质粉土，内摩擦角较大，相对较为密实。盾构刀盘开口率较大，砂性土经切削坍塌倒入土仓，造成盾构掘进阻力及扭矩较大。盾构推力增大后，进而挤压前方砂性土使其失水硬结更加不利于盾构推进，降低了掘进速度。

因油温升高、推力及扭矩增大又会引起以下几点问题:

①推进泵超负荷工作，温度过高时会出现报警从而无法正常工作，需频繁更换冷却水或暂停推进以待油温下降，影响推进速度；液压系统长期在高温、高负荷下运转，各部位泵体、阀件、管路等容易损坏，导致维修更换频繁。

②切削刀及主轴承磨损严重。

③渗透性好的砂性土受挤压后水土分离，失水固结形成“铁板砂”，导致刀盘切削能力下降，螺旋出土机出土效率降低，影响推进时间。

4)地基加固易出现薄弱部位，盾构进、出洞存在较大涌水涌砂风险

本区间出洞加固区主要位于全断面③5-1，③6-1层土，地下水属松散岩类孔隙潜水。设计端头加固方式为外围用800mm厚连续墙，内部用单排800mm高压旋喷桩+850mm三轴搅拌桩。高压旋喷桩加固主要适用于淤泥质土和流、软塑黏性土等。在砂性土层中，由于可能存在流砂及地下暗浜等不利地质条件，高压喷射的水泥浆容易流失，出现加固薄弱区域及渗漏水现象。由于省政府站结构主体出现裂缝，所以加固范围内注浆量受到控制，不能达到预期的加固效果，更是增加出洞的风险。

2、工程措施及效果

1)控制地面沉降

为控制地面沉降，减少盾构推进对周边建筑影响。对盾构施工参数进行如下优化:

①放慢推进速度，推进速度不超过5cm/min，降低刀盘转速，减少对土体的扰动;尽量缩短停机时间，保证持续推进，避免对盾构所处地层进行长时间扰动。

②改良同步注浆浆液材料，浆液中增大水泥、膨润土用量(每拌制1m3浆液放入20kg水泥和90kg膨润土)，加快浆液凝结速度;使用中粗砂，提高浆液填充性能;控制浆液稠度在9~10cm，增强浆液抗稀释性能。

③加强盾尾油脂注入管理，严防盾尾漏浆。

④跟进隧道内二次补浆作业，在沉降较大区段进行补浆处理，填充土体间隙，稳定成型隧道。

⑤加强对同步注浆及盾尾油脂注入设备的维修保养。

2)建立平衡土压，保证开挖面稳定主要采取以下工程措施:

①往刀盘前方注入膨润土浆液(膨润土与水的质量配合比为7∶100，每推进1环注入约4m3膨润土浆)，改良掘进土层，使被开挖土体具有适宜的流塑性和保水性，保证盾构螺旋机能顺利排土且不使开挖面发生大面积液化甚至流砂。

②推进过程中做到匀速推进，不急推急停。

③刀盘前方进土量与螺旋机出土量保持一致，保证掘进土压力的动态平衡，不超挖、不欠挖。

④在盾构机内配置泡沫发生装置，在砂性土中掘进时往工作面注入泡沫改良土体(泡沫发生装置参数设置为:泡沫原液浓度2%，发泡倍率20倍，泡沫注入率40%，空压机提供发泡气压0.7MPa)。

3)降低推力及扭矩

降低推力和扭矩方面采取的工程措施主要是使用添加剂。通过往刀盘前方及盾构侧面注入膨润土润滑浆液。土粒之间被膨润土颗粒充填，土粒之间的摩擦力相应地减小，降低了刀盘扭矩，减轻了刀盘的磨损。同时，浆液的润滑作用降低了盾构壳体与周边土层的摩阻力，减小了千斤顶顶推力。

4)减小加固薄弱区，降低进出洞风险

工程中采取以下措施:

①加强加固施工过程管理，安排专职施工员现场监督，对桩位测量定位、水泥用量、水灰比、浆液比重、钻杆提升速度、单桩成桩时间等指标严格把控。

②盾构出洞前对加固区域进行降水施工。在加固区外围施工3道旋喷桩止水帷幕，与端头井地下连续墙形成整圈封闭式止水帷幕，然后在止水帷幕与加固区之间打设降水井，通过降水措施降低因加固薄弱部位可能造成的施工风险。

③取芯及探孔检测。当发现有加固薄弱部位，采取洞门水平注浆及地面垂直注浆的方法进行补加固。如盾构到达洞门时则通过盾构上预留注浆孔进行环向注浆，此时采取先注双液浆填充土体空隙，再注聚氨酯对加固区外围细小水流通道进行封堵的措施。

④洞圈内预先安装止水钢板，具体构造为洞圈内焊接两道花纹钢板，且之间嵌填海绵。盾构穿过洞圈时，可以起到封堵来水的作用。主要为出洞洞门范围内采用玻璃纤维筋。

5)工程效果

通过采取上述措施后，监测到不同盾构切口环时地表纵向沉降，盾构前方主要发生0~3mm的隆起，后方沉降主要稳定在3~5mm，监测值均在规范控制范围之内。由此可见，地表沉降得到了较好的控制。相邻环最大土压差值仅有0.5bar，曲线波动较小，基本形成了稳定的土压平衡。最大推力由18000kN降低到13000kN，最大扭矩由3100kN•m降低到2670kN•m。根据现场的巡视，没有发现工作井处渗漏水现象，工作井的加固措施起到了良好的止水效果。以上工程措施较好地解决了土压平衡盾构在砂性土中掘进遇到的沉降难控制、土压波动大、推力及扭矩大、洞口加固不均匀的问题。

3、结语

综上所述，砂性土中的盾构推进施工应重点控制以下几个方面：

（1）控制地表沉降可采取放慢推进速度、均匀推进、改良同步注浆材料、加强对二次补浆管理和注重对注浆补浆设备养护等措施。

（2）往刀盘前方注入膨润土浆液，并通过对工作面注入泡沫改良土体达到稳定土压，持续出土的效果。

（3）往刀盘前方和盾构侧面注入膨润土浆液，减少盾构摩擦，达到降低盾构推力和减小刀盘弯矩的效果。

（4）通过采取降水止水措施降低加固薄弱区有可能造成的工程风险。

参考文献

【1】王洪新.土压平衡盾构刀盘开口率选型及对地层适应性研究［J］.土木工程学报，2010，43(3):88-92．

【2】毕景佩，郭志涛.盾构在砂层中的施工技术探讨［J］.铜业工程，2011(4):83-85．