何睦
摘 要：为妥善解决软弱地层稳定性偏差、砂层富水性强的问题，对土压平衡式盾构施工技术相关应用展开研究。通过参考相关文献资料，根据具体地铁工程盾构施工案例，详细分析土压平衡式盾构施工技术要点，注重盾构土仓压力、微扰动、同步注浆、出渣量、渣土改良、富水砂层沉降等施工内容，在土压平衡式盾构施工技术实践中有效控制富水砂层沉降问题。对于稳定性偏差的砂层，可以考虑土压平衡式盾构施工技术，为地铁工程安全使用提供保障。
关键词：地铁工程；
土压平衡式盾构；
施工技术
中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）05-0022-03
0 引言
本文将某地铁工程作为研究对象，从土压平衡式盾构施工技术的实践角度，详细分析地铁工程施工问题解决方法，希望可以引起更多地铁工程施工单位的关注，提升土压平衡式盾构施工技术使用规模，输出高水平的地铁工程，推动地区经济健康发展。
1 土压平衡式盾构施工技术的优势
盾构法是一种机械施工方法，其利用盾构在土层中持续推进，借助盾构+管片支承的组合方式，预防隧道内部坍塌。通过切削装置开挖土体，借助千斤顶加压，同步拼装管片，以此形成稳定的隧道结构。
基于盾构法的土压平衡盾构，通过调整开挖量，维持土仓内部压力，以此达到与开挖面的地层水压力与土压力平衡状态。土压平衡盾构土仓内部泥土，也可以用于开挖面地层支护处理，保证隧道内部的稳定性。相比于常见的泥水加压盾构，土压平衡盾构拥有更强的适应性，掘进速度更高，可以保证作业全过程的安全性，不会产生过高的工程造价，更符合地铁工程大规模建设需求[1]。
2 工程案例
某工程全长约7 000 m，地形起伏相对较小，地面高程在6.9～8.4 m。本工程地理位置处于三水断陷盆地内，没有过于复杂的地质构造，不存在褶皱、断陷等情况，拥有较为稳定的场地条件。施工区域的地貌特征为冲积平原，呈现软土发育状态，拥有含水量较为丰富的砂土层。在施工区域地表位置，水系呈现不发育状态，拥有较为丰富的地下水条件，稳定水位在0.5～2 m。
本工程存在以下两个施工难点：①软弱地层容易出现失稳现象。本工程拥有填土层、淤泥层、粉细砂层等地层条件，没有更强的稳定性，这导致开挖面容易发生坍塌现象。在盾构施工当中，也难以有效控制地层沉降问题。②砂层拥有较强的富水性能。在施工区域内，拥有较厚的砂层，富水性能较强，饱和度超过90%，属于中等透水层范畴。本工程施工单位与设计单位详细分析后，决定采用土压平衡式盾构施工技术开展地铁工程施工建设作业。
3 地铁工程土压平衡式盾构施工技术实践
3.1 盾构土仓压力
在本工程的富水砂层区域进行盾构施工作业时，盾构土仓的内部土压力，要大于地层的水压力与土压力的数据之和。经过计算，前者要比后两者大20 kPa。此时，需要通过螺旋出土器，以无级调节转速的方式，将盾构土仓的压力波动保持在-15～15 kPa，实际控制数值则要以盾构隧道埋深进行调节。
在本工程正式开始盾构掘进作业之前，螺旋出土器的前方土压力数值约为196 kPa。在进行盾构排土作业期间，螺旋出土器的前方土压力数值波动约在8～20 kPa。想要维持盾构土仓内部压力与外部压力的平衡状态，就需要确保土仓内部的土压超过开挖面的水压力与土压力之和，数值超过部分一般为20 kPa。为确保土压平衡盾构在掘进作业中，达到稳定的土压平衡效果，避免在螺旋出土器排土过程中，盾构土仓内部出现负压情况，需要确保盾构土仓的内部土压大于停机压力+20 kPa的数值。比如在进行盾构掘进作业之前，盾构土仓压力保持在220 kPa左右，在掘进排土期间，盾构土仓压力波动处于8～15 kPa。此时，盾构土仓内部压力不会产生过大幅度的波动，盾构土仓内部压力也会持续超过开挖面的水压力与土压力之和，以此达到开挖面的稳定性，维持拱顶砂层的作业安全[2]。
3.2 微扰动
在盾构掘进过程中，刀盘转速会直接影响地层扰动情况，需要在设置盾构掘进速度的基础上，采用合适方法，降低刀盘对砂层造成的扰动。需要注意，不能仅考虑盾构掘进速度，还需要综合刀盘扭矩、推进速度等指标，才能达到预期微扰动效果。
在本工程的富水砂层中，使用土压平衡式盾构进行掘进作业时，将刀盘转速控制在1.8 r/min，产生的刀盘扭矩偏小，拥有较快的盾构掘进速度，富水砂层也会受到较大的扰动影响。
在实践中，如果将刀盘转速保持在1.85 r/min左右，会产生970 kN·m的刀盘扭矩，盾构掘进速度约为51 mm/min。在这种情况下，富水砂层沉降值将超过17 mm。如果将刀盘转速下调至1 r/min，虽然也拥有较大的刀盘扭矩不会对富水砂层产生过大的扰动。但是盾构掘进速度相对偏慢，并不能达到预期的渣土改良效果。如果将刀盘转速保持在0.9～1 r/min，会产生1 850 kN·m的刀盘扭矩，盾构掘进速度会下降至16 mm/min。在这种情况下，富水砂层沉降值约为11 mm。经过大量数据分析，可以确认当刀盘的转速保持在1.4 r/min左右，刀盘扭矩数值相对较小，土压平衡式盾构也可以保持较为平稳的掘进速度，不会对富水砂层产生过大的扰动。
在实践中，以1.4 r/min作为刀盘转速设置标准，刀盘扭矩约为1 100 kN·m。此时的土压平衡式盾构掘进速度为40 mm/min，富水砂层的沉降值小于8 mm。为此，本文在设计富水砂层区域的盾构掘进方案时，以1.4 r/min作为土压平衡式盾构的刀盘转速设置标准[3]。
在本工程中，存在使用摩擦桩基础结构的建筑物。建筑物范围内的地层中部、拱顶是中粗砂层，地层底部是强中风化泥质粉砂岩。经过现场监测，确认该区域的岩石抗压强度处于6～8.5 MPa。在使用土压平衡式盾构进行掘进作业时，需要将推力控制在14 000 kN左右，设定刀盘转速4.5 r/min刀盘保持在扭矩值11 00 kN·m。此时盾构掘进速度约为40mm/min。对于该建筑物，设计允许最大沉降值为9.6 m。在土压平衡式盾构通过该建筑物后，经过检测，地面沉降值约为4.5 mm，符合该建筑物的沉降标准，没有产生过大的地层扰动现象。
3.3 同步注浆
在盾构掘进过程中，需要做好同步注浆作业，确保地层与管片的空隙可以被砂浆及时填充，以此降低土层沉降量，保障开挖面的安全性。在本工程的同步注浆作业中，需要将注浆压力保持在0.35 MPa。使用土压平衡式盾构配置的液压注浆泵，利用注浆管道将砂浆注入预先设定的注浆点位。可以通过监测系统，确认当前注浆压力，配合相应的注浆泵调节作业，完成同步注浆的连续调整。在地铁工程施工建设中提升土仓内部渣土的不透水性与流塑性，才能有效抵御开挖面的地层水压力与土压力，避免出现砂层喷涌、结饼等情况，需要将渣土改良作为土压平衡盾构的重点内容对待。在本文设计的地铁工程土压平衡式盾构施工方案中，通过加入外加剂完成渣土改良任务，稳定提升软弱地层的稳定性，有效解决砂层富水性强引起的衍生性问题[4]。
3.4 出渣量
在本工程中，使用土压平衡式盾构掘进1环，可以产生约46.7 m3的渣土。通过实践分析，可以确认从开挖面切削的渣土，如果保持松散状态，1环可以产生65 m3的渣土。土压平衡式盾构的出渣，可以达到15 m3/节的运送标准。为保障盾构施工的安全性，每环最大出土量为4斗，即开挖面每进行375 mm的盾构掘进作业，就需要通过出渣斗进行渣土运输。可通过控制盾构掘进速度的方式，合理调整出渣量，达到匀速送出渣土的效果。在土压平衡式盾构掘进期间，如果盾构掘进距离小于330～375 mm的标准，已经产生满出渣斗的渣土，需要对螺旋出土器转动速度进行降低，减小闸门开度，在单位盾构掘进距离中，降低渣土产生量[5]。
3.5 渣土改良
在富水砂层中，应用土压平衡盾构进行掘进作业，需要做好渣土改良工作，确保土仓内部渣土的流塑性能。这样才能合理控制出渣量，避免出现严重的土仓压力波动情况，实现稳定控制地层沉降的效果。在土压平衡式盾构掘进过程中，切削的土体实际埋深偏大，会在切削+搅拌的物理处理下，产生体积膨胀现象。
不同地层拥有不同的土体性质，在进入土仓后，可能会出现以下两种情况：①结饼。黏性土地层具有易流动特性，渗透系数相对小，没有过大的内摩擦角。在进入土仓内部，这类土体强度要低于原土体强度，会表现出塑性流动性。虽然具有符合标准的止水性能，但是这类土体的黏性偏大，容易在刀盘位置产生土体粘附现象，造成土体被不断压密、固化，即为结饼。②喷涌。砂层具有较大的渗透系数与内摩擦角，但是不具有更强的流动特性。这类土体在进入土仓、螺旋排土器内部后，会增加刀盘、螺旋排土器的工作扭矩，降低盾构掘进效率，影响后续的排土作业。土仓与螺旋出土器产生的压缩环境，无法实现完全止水效果。如果开挖面拥有较大的水压，会在排土口的闸门位置，发生地下水喷涌情况。对于土仓与螺旋排土器内部的渣土，需要拥有一定的塑性流动性能，确保千斤顶可以向隔板提供均匀推力，顺利排出渣土，避免出现渣土堆积现象。对于刀盘前部，需要设置一定数量的泡沫注入孔，通过注入泡沫的方式，合理控制土体的渗透性能，维持开挖面掘进的稳定性。
在本工程中，土体需要保证不容易出现固结排水情况，保持一定的流塑状态，方便传递压力与土体搅拌处理，并要求具有一定的不透水性能。在本工程中，富水砂层区域存在多种地层组合模式，这意味着需要使用不同的渣土改良外加剂，才能达到预期的渣土改良效果。在含有5%～10%粘粒的中粗砂层全断面中，可以考虑使用5‰～7‰的TAC高分子材料，提高富水砂层的塑性流动性能，强化其止水性能。对于组合地层中，需要在使用TAC高分子材料的基础上，注入足够量的水，配合5‰～7‰的分散剂与3%的泡沫，综合改良渣土。在实际应用中，需要将渣土改良外加剂注入土仓内部，让土仓中的渣土转化成糊状，完成渣土改良任务[6]。
3.6 富水砂层沉降控制
对于本工程的富水砂层区域，在没有确认渣土改良方案，设置土压平衡式盾构掘进参数之前，富水砂层的沉降值大于15 mm，部分区域的沉降值超过90 mm。
对本工程的富水砂层区域进行分析，可以确认实践条件下的富水砂层沉降规律：当隧道埋深超过14 m，在进行土压平衡式盾构掘进作业时，会产生一定的地层沉降。在结束施工任务的4～7 h，地层沉降则会反应至地面范围。在纵向角度，从土压平衡式盾构的盾尾到刀盘位置，地面沉降变化幅度最大。在横向角度，以隧道中心线为基准，在左右侧3～5 m，地面沉降变化幅度最大。这个沉降规律基本符合前期现场勘探结果。为此，地铁工程施工单位针对沉降幅度偏大的区域，通过地面补偿注浆技术进行处理，以此遏制路面沉降问题。
在确认富水砂层的沉降问题，总结相关控制经验后，施工单位决定对土压平衡盾构进行改造。对于刀盘开口率，使用厚度为25 mm的耐磨钢板，通过焊接工艺，针对刀盘的侧向开口位置做封堵处理，确保刀盘的侧向开口率接近0，保持全封闭状态。螺旋出土器设计长度为12 m，工作半径为40 cm，倾角为22°。螺旋出土器的长度不仅受到自身倾角的影响，还与盾体内径设计相关，这意味着无法实现无限延长的目标。过长的螺旋出土器需要更大的扭矩，容易出现驱动马达无法提供工作负荷的情况。对螺旋出土器的多项指标进行综合分析后，决定将螺旋出土器设计长度调整至13 m。对于土压平衡盾构掘进参数进行控制，基本保持土压平衡状态，极大降低地层沉降产生概率。在实践中对施工区域进行监测，确认在富水砂层区域，地面平均沉降量约为3.1 mm，最大沉降量为4.2 mm，符合施工设计方案的安全施工标准[7]。
4 结束语
在开展地铁工程盾构施工时，需要根据地层条件，选择合适的施工技术，设计内容完善的施工方案。在方案执行过程中，需要做好渣土改良、地层沉降等处理工作，合理解决软弱地层稳定性偏差问题。
参考文献
[1] 吉力此且，路军富，王国义.大粒径卵石地层土压平衡盾构施工的渣土改良[J].城市轨道交通研究，2022，25（8）：126-131.
[2] 赵宏达.土压平衡式盾构施工技术在地铁工程建设中的应用[J].中华建设，2022（8）：130-132.
[3] 刘峰，李豆，李腾飞.气压辅助推进工法在土压平衡盾构施工中的应用研究[J].建筑机械，2022（7）：113-117.
[4] 李东阳.富水砂层条件下双螺旋土压平衡盾构施工技术[J].工程机械与维修，2021（5）：54-55.
[5] 张浩.海域段采用土压平衡盾构施工的可行性分析[J].现代隧道技术，2020，57（S1）：568-574.
[6] 李友良.市政工程中土压平衡盾构施工设备选型方法[J].设备管理与维修，2021（10）：117-118.
[7] 陆云.地铁工程土压平衡式盾构施工技术分析[J].工程技术研究，2021，6（6）：135-136.
猜你喜欢 土仓土压砂层 土仓压力与掘进参数相关性分析及预测模型福建工程学院学报(2022年1期)2022-03-17土压平衡盾构土仓内黏性渣土堵塞的模拟判别与分析同济大学学报（自然科学版）(2022年1期)2022-02-22第四系胶结砂层水文地质钻进技术研究初探河北地质(2021年3期)2021-11-05基于模糊PID的盾构土仓压力控制研究石家庄铁道大学学报(自然科学版)(2019年3期)2019-09-24土压平衡式盾构机土仓可视化系统研究现代制造技术与装备(2018年9期)2018-10-17浅谈土压平衡盾构下穿密集建筑群施工技术中国工程咨询(2017年7期)2017-01-31西安主城区砂层工程地质特征分析水科学与工程技术(2016年2期)2016-07-10南昌地铁土压平衡盾构机刀具设计及改进凿岩机械气动工具(2015年3期)2015-11-11汽车制动检验台滚筒粘砂层脱落的原因及维护方法汽车维护与修理(2015年1期)2015-02-28土压平衡盾构泡沫剂性能与改良效能评价筑路机械与施工机械化(2014年5期)2014-03-01