隧道施工土壓平衡式盾構方案探討

楊 穎

（廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 511431）

我國地鐵隧道施工已開始使用盾構法。隨著技術進步、認識提高、綜合國力的增強，特別是隨著該施工技術所顯現(xiàn)的優(yōu)勢，由于其能較好地控制地表沉降，利于環(huán)境保護，適應在市區(qū)和建筑密集處的施工，在全國地鐵建設中得到了廣泛應用，土壓平衡盾構法施工在國內(nèi)地鐵工程中得到了廣泛的應用。雖然土壓平衡盾構施工技術已日臻成熟，但仍有很多問題尚需解決，如盾構在隧道內(nèi)只能前進，不可后退，一旦盾構本身出現(xiàn)致命的故障，可能就會產(chǎn)生災難性的后果。而且使用盾構在對洞口進行加固處理的始發(fā)時階段出問題的概率很高，即使是非常有經(jīng)驗的承包商也常會發(fā)生類似事故。本文重點介紹盾構施工中常用現(xiàn)象的防治對策。

1.噴涌

1.1 噴涌成因分析

盾構在通過江底地段時，如果對地層了解不夠，施工處理不當，以及不可預測的因素，都可能發(fā)生噴涌事故。所謂的噴涌是指盾構掘進打開螺旋輸送器閘門出土時，以水為主，水和砂混合從出土口噴涌而出，散落在隧道內(nèi)，皮帶運輸無法帶走土體。噴涌的原因主要有：在水底淺覆地段施工時河床底塌方、開挖面充水裂隙發(fā)育或已成盾構隧道同步注漿液沒有完全充實襯背空隙以致留下流水通道等，形成開挖面富水壓力大，由此造成盾構不能連續(xù)掘進，出現(xiàn)噴涌。引發(fā)噴涌的機理是:打開螺旋輸送器即發(fā)生噴涌，接著土倉內(nèi)土壓力很快回落。在這種情況下，為了防止隧道淹沒并減輕清渣土的工作量(否則無法安裝管片)，操作者通常會通過手動或自動關閉螺旋輸送器出土閘門。在停止出土的這一階段，地層中的水又很快會充滿土倉內(nèi)，土倉內(nèi)的土壓力又迅速上升到設定極限(主要是水壓力)，之后，打開螺旋輸送器又是噴涌，噴涌-停機-噴涌-停機……，如此惡性循環(huán)，盾構無法連續(xù)掘進。

1.2 采取的對策

(1)關閉螺旋輸送器情況下繼續(xù)掘進，讓切削下的土體擠出土倉內(nèi)的水。采取這種措施時，要預防倉內(nèi)壓力過高，造成盾構前方隆起、冒漿以及盾尾被擊穿等。

(2)提前采用氣壓平衡模式掘進，但要預防漏氣事件的發(fā)生。

(3)加入高濃度泥漿或泡沫，改善土體的和易性，使土體中的顆粒和泥漿成為一整體。

(4)盾構選型方面，螺旋輸送機選擇具有土塞效應的中軸式螺桿和間斷式螺桿。

(5)在盾構刀盤設計時，優(yōu)化設計好刀盤的開口率和刀具，使切削進倉的顆粒較小且均勻。

(6)如果施工特別困難的情況下，在螺旋輸送器某一位置安裝連接管道，改成泥水盾構出土模式。

2.盾尾擊穿

土壓平衡盾構通過高水頭地段時，盾尾被擊穿的現(xiàn)象也是較多發(fā)生的，地下水通過管片與盾殼之間的空隙大量流入。其不僅造成工作面拼裝管片困難，而且造成注漿液受沖洗流失，繼而造成環(huán)與環(huán)之間錯臺和螺栓孔硅崩裂等質量事故(如果在軟土地層中掘進，還將造成地面下沉和隧道下沉等事故)。引發(fā)盾尾密封刷被擊穿的直接原因有兩方面:其一是密封刷本身損壞脫落;其二是盾尾油脂失效或流失。依據(jù)經(jīng)驗，密封刷損壞脫落的可能性較少，最可能的是盾尾油脂流失。由于水頭壓力可達2一3kg/cm3，注入的油脂很快被沖走。因此先要確定水的來源，然后堵住高壓水流。如果水質清澈冷爽，可以判斷水主要來自已成隧道的底部。可在盾構后10m范圍內(nèi)，對已注過漿、已形成的隧道的地段進行補嘗性二次注漿，可以起到十分明顯的效果。補嘗性二次注漿后擊穿盾尾的流水減弱直至停止，則及時對盾尾補注油脂。

3.泥餅

3.1 泥餅成因

盾構施工時，有時會發(fā)現(xiàn)刀盤空轉的情況下，扭矩很大，且一掘進扭矩就超過設定額定扭矩而跳閘，并且土倉壓力上升很快。其原因是:盾構在通過粘性土地層時，粘性土本身附著力、粘著力和消散力共同作用，易形成泥餅。另外，盾構在通過粉砂質泥巖地層時，刀盤的刀具無法將易軟化，易變形的粉砂質泥巖破碎成碎塊狀，而大多是輾磨成粉沫。這些粉沫大多為膨潤土礦物的集合體，而刀盤內(nèi)泥漿水溫大多情況下超過50℃，促使這類礦物吸水膨脹并顯示出很強的粘結性，越積越多，越積越硬，形成泥餅。泥餅可在刀盤前和土倉內(nèi)兩個部位形成，土倉內(nèi)泥餅一旦形成后，土倉的可供進土的儲有量僅剩下實際容積的1/2甚至更少。其后果是增加了盾構掘進的荷載，增大了噴涌的可能性，繼而造成出土困難。同樣，刀盤前泥餅形成后，造成刀盤開口堵塞，掘進困難等等。

3.2 技術措施

(1)掘進時注泡沫劑，改善土體的和易性，預防粘土結塊。

(2)盾構刀盤在設計上應考慮了對泥巖的切削功能，使刀盤盡少出現(xiàn)粘結堵塞，如果施工時對切削的土體進行適當處理，改善其特性，則粘結堵塞現(xiàn)象則會很少產(chǎn)生。處理土體可以防止土壓倉內(nèi)土碴粘結纏連在一起。如果土壓倉確實發(fā)生堵塞纏連則需要人工清理。在開挖面穩(wěn)定的前提下，如果圍巖隔水性較好，則可采用氣壓平衡模式掘進，人工進倉清除泥餅。一般人工清理可以用鐵鍬，高壓水等。基本上隨手工具都可以采用，能清理即可。

(3)也可以在刀盤背面和土倉胸板上增設空心攪動棒，增加攪拌強度和范圍，并且空心棒內(nèi)還可預留注水孔，以便清洗刀盤和土倉。

(4)空轉刀盤，使泥餅在離心力的作用下脫落。

4.地表沉降

在盾構施工中根據(jù)地質情況和需保護的建筑物采取不同的掘進模式，能夠保證沉降要求。如遇特殊情況，發(fā)生較大的沉降后，必須采取快速穩(wěn)定沉降的措施:

(1)在發(fā)生沉降的地點，在沉陷范圍派專人值班，負責人員、交通、建筑物的安全;

(2)盾構關閉進土閘門，建立土壓，所設的土壓比所處位置的水土壓力高0.2kg/cm3，盾構停止掘進，用盾構上的超前注漿設備和注漿孔向地層注漿加固。不停地向管片背后注漿，并調整漿液配合比，使其具有足夠的強度和快速凝結

(3)在沉陷范圍采用鉆機進行地表注漿加固方法，增加地基的強度

（4）增加沉降觀測，及時反饋信息。

5.注漿管堵塞

注漿管堵塞其主要原因是水泥漿液從拌料到注漿過程的時間太長，以致漿液達凝固時間而易沉淀附著在注漿管內(nèi)壁，最終造成管路堵塞。解決注漿管堵塞問題的關鍵就是要縮短從拌料到注漿的時間。

（1）漿液運輸管路的鋪設要避免管路彎曲造成漿液流速緩慢而沉淀。地面儲料罐至井下漿液車中途下料要采用大口徑輸送管放漿，縮短放漿時間，同時將漿管口盡可能靠近漿液車底部，打開閘門即可依靠漿液自重放漿。

（2）緊湊安排工序，縮短漿液在隧道內(nèi)的運輸時間。在洞口和砂漿車位置設置電源插座，專供砂漿車攪拌電機用，保證砂漿車攪拌器正常連續(xù)工作，避免因施工停頓時間過長而引起漿液離析。

（3）砂漿車向盾構機儲漿罐泵漿時，降低出漿管高度，同時開啟攪拌機攪拌漿液。

（4）在不影響其他管路及運作空間的前提下，適當改善同步注漿管路，減少彎頭、增大管徑，避免漿液在管路中沉積、堵塞。

（5）保證盾構機及后配套設備的正常連續(xù)運行，堅決避免盾構機在推進過程中人為的停機造成同步注漿工序中斷而漿液凝固堵塞。

結語

由上述可知，盾構機的始發(fā)成功主要由始發(fā)條件及始發(fā)施工技術中每一環(huán)節(jié)的處理決定。在前期的地質勘探、始發(fā)區(qū)域的建筑物及管線情況進行調查，特別是對端頭土體的液限、塑限、滲透系數(shù)、含水量等各種物理力學指標進行全面的調查及評估是相當有必要的；同時應對始發(fā)技術施工中的每一個環(huán)節(jié)加強全面、細致的控制，以確保各種處理措施達到預期效果。

[1]周小文，濮家騮.砂土中隧洞開挖引起的地面沉降試驗研究[期刊論文].巖土力學，2002.

[2]曾華波.復合地層土壓平衡盾構施工應用技術研究[D].河海大學，2006.