加泥型土壓平衡盾構(gòu)在穿湖區(qū)間的運用

摘要：鄭州市4號線龍湖段市政配套工程盾構(gòu)區(qū)間三次穿越龍湖，龍湖湖水深度7.0m，盾構(gòu)區(qū)間最小覆土約6.0m。區(qū)間穿越土層主要為2-4細砂層、3-4細砂層與3-5中砂層，土層含水量高，滲透性高，采用常規(guī)的土壓平衡盾構(gòu)機施工存在較大風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工;富水砂層;盾構(gòu)穿湖

1工程概況

鄭州市軌道交通4號線龍湖段市政配套工程有3座區(qū)間下穿龍湖，分別為：龍湖內(nèi)環(huán)路站～龍湖島站區(qū)間、龍湖島站～副CBD內(nèi)環(huán)路站區(qū)間、副CBD內(nèi)環(huán)路站～鑫融路站區(qū)間。根據(jù)野外鉆探編錄資料，本盾構(gòu)區(qū)間穿越土層主要為：2-4細砂，3-4細砂，以及3-5中砂。

區(qū)間的主要參數(shù)見下表：

表1""區(qū)間參數(shù)表

序號

區(qū)間名稱

區(qū)間最小覆土（m）

區(qū)間穿湖長度（m）

1

龍湖內(nèi)環(huán)路站～龍湖島站區(qū)間

6

335

2

龍湖島站～副CBD內(nèi)環(huán)路站區(qū)間

6

450

3

副CBD內(nèi)環(huán)路站～鑫融路站區(qū)間

5.8

110

2土壓平衡盾構(gòu)在軟土、砂層掘進的風(fēng)險

土壓平衡盾構(gòu)機盾頭與刀盤間設(shè)有密封隔板，可與開挖面土層形成一個密封的泥土艙，并在掘進時通過調(diào)整推進油缸的頂進速度、控制開挖量及出土量等措施調(diào)控土艙壓力來平衡工作面的水土壓力，從而保持掌子面土層穩(wěn)定。

當(dāng)出土螺旋輸送器打開時，土倉的壓力會出現(xiàn)損失與下降。如果工作面的巖、土層性能較好自穩(wěn)能力又較強時，土倉壓力將出現(xiàn)短暫損失，但圍巖仍能維持穩(wěn)定，掌子面不會出現(xiàn)坍塌，地面也不會出現(xiàn)較大的沉陷。

即使工作面巖土層物理力學(xué)指標較差，如仍具有一定的粘結(jié)性能時，尚可通過調(diào)整螺旋輸送器排土量，盡量縮小排土?xí)r間，減少土倉壓力損失量及損失時間，工作面巖土層雖有一定變形但仍能維持穩(wěn)定，地面可能出現(xiàn)一定的沉降與變形，但不會出現(xiàn)坍塌。

但當(dāng)工作面是穩(wěn)定性較差的富水砂層、流塑狀的淤泥時，螺旋出土器出土，那么盾構(gòu)機土倉所剩余的壓力無法與工作面水土壓力平衡，掌子面的水土?xí)咳胪羵}，出現(xiàn)坍塌并引起地面較大的沉陷。因此采用適應(yīng)于塑態(tài)土層和軟質(zhì)巖石中掘進的土壓平衡盾構(gòu)在流塑狀淤泥、富水砂層中掘進，風(fēng)險是比較大的。

龍湖湖水深度為7.0m，盾構(gòu)區(qū)間最小覆土約6.0m。區(qū)間穿越土層主要為2-4細砂層、3-4細砂層與3-5中砂層，土層含水量高，滲透性高。當(dāng)螺旋出土器出土?xí)r，盾構(gòu)機土倉所剩余的壓力無法與工作面水土壓力平衡，掌子面的水土?xí)咳胪羵}，出現(xiàn)坍塌并引起地面較大的沉陷。盾構(gòu)下穿湖底的區(qū)間總長度為895m，長距離的下穿龍湖，給盾構(gòu)施工增添了風(fēng)險。

3盾構(gòu)機選型的依據(jù)

根據(jù)平衡開挖面土壓與水壓的不同原理，密閉式盾構(gòu)機可分為土壓平衡式盾構(gòu)和泥水加壓平衡式盾構(gòu)兩種。

根據(jù)國內(nèi)的施工經(jīng)驗及工程實例，土壓平衡式盾構(gòu)與泥水加壓平衡式盾構(gòu)的適用范圍一般從以下幾個方面分析：

1）滲透系數(shù)：

當(dāng)滲透系數(shù)小于1.0×10-7m/s時，宜選用土壓平衡盾構(gòu);

當(dāng)滲透系數(shù)大于1.0×10-4m/s時，宜選用泥水加壓平衡盾構(gòu);

當(dāng)滲透系數(shù)大于1.0×10-7m/s，小于1.0×10-4m/s時，可選用土壓平衡盾構(gòu)或泥水盾構(gòu)。

2）地下水壓：

當(dāng)水壓大于0.3MPa時，宜選用泥水加壓平衡盾構(gòu);

當(dāng)水壓小于0.3MPa時，宜選用土壓平衡盾構(gòu)。

3）顆粒級配：

一般來說，當(dāng)巖土中的粉粒、黏粒的總量小于40%時，通常采用泥水加壓平衡盾構(gòu)，相反采用土壓盾構(gòu)。

4）施工場地及環(huán)境影響

土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)場地一般為3000m2～5000m2，始發(fā)需求空間相對較小。對周邊環(huán)境影響較小。

泥水平衡盾構(gòu)機施工場地一般為8000m2～10000m2。施工過程會產(chǎn)生大量泥漿，對周邊環(huán)境影響較大。

4加泥型土壓平衡盾構(gòu)的工作特點

經(jīng)技術(shù)分析比較，龍湖區(qū)域的地層多為細砂、中砂等砂層。區(qū)域內(nèi)水位高且滲透系數(shù)大，3-5中砂層為高透水層，滲透系數(shù)達1.7×10-4m/s。全斷面穿越滲透性高、水壓力大的砂層，易發(fā)生噴涌、盾尾漏水等問題。采用泥水加壓平衡盾構(gòu)更易保證工程安全。

但龍湖段地質(zhì)又有自己的特點，3-4細砂與3-5中砂，其標貫值分別為47、54，為密實性固結(jié)砂層，具有一定的自穩(wěn)能力，可通過加強土壓平衡盾構(gòu)機的洞內(nèi)控制，以保證掌子面的穩(wěn)定。土壓平衡盾構(gòu)機通過添加高分子聚合物、膨潤土等材料，實現(xiàn)砂土改良，提高土體的止水性、流動性、可塑性;通過加強盾尾刷的檢修和盾尾油脂的注入，保證盾尾密封效果，防止盾尾冒漿、漏水。施工過程中，加強同步注漿、二次注漿，及時封閉管片與土體開挖面的空隙，防止形成水路和產(chǎn)生地面沉降。

近年來，隨著國內(nèi)外土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，土壓平衡盾構(gòu)的適應(yīng)地層越來越廣，過江、河、湖泊的工程實例越來越多。土壓平衡盾構(gòu)與泥水加壓平衡盾構(gòu)相比，具有占用施工場地小，污染小，對周邊環(huán)境影響較小，且工程造價低的優(yōu)勢。

“加泥土壓平衡盾構(gòu)機”就是為滿足在復(fù)雜地層條件下可調(diào)整盾構(gòu)機的掘進模式而構(gòu)思的。它采用兩種出土系統(tǒng)進行出土，使土倉可按工程地質(zhì)條件的變化而改變出土模式：當(dāng)線路中存在部分高水壓、高滲透性地層時，盾構(gòu)機的出土系統(tǒng)可由螺旋輸送機出渣改為由柱塞泵輸送開挖下來的渣土，以避免螺旋輸送器的噴涌和開挖面上方的坍方。這種“雙出土系統(tǒng)”可使加泥型土壓平衡盾構(gòu)機適用復(fù)雜的地質(zhì)條件。

加泥型土壓平衡盾構(gòu)機在施工過程中還可通過加強管片同步注漿與二次注漿防止后噴涌，通過注入碴土改良材料改善土倉碴土性能，控制前噴涌。鑒于加泥型土壓平衡盾構(gòu)機的特點，最終經(jīng)各地專家多方論證后認為在4號線龍湖區(qū)域可以采用加泥型土壓平衡盾構(gòu)機。

5結(jié)語

采用土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層中掘進時要滿足掌子面的水土壓力平衡，減少地面的沉降，最主要的措施是：根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件選擇合適的土倉壓力參數(shù)并嚴格控制壓力波動范圍，維持掌子面的穩(wěn)定性;嚴格控制出土量與掘進量相匹配，禁止超量出土。“加泥土壓平衡盾構(gòu)機”可在復(fù)雜地層條件下調(diào)整盾構(gòu)機的掘進模式，在鄭州4號線穿龍湖段區(qū)間富水砂層中可以使用。

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