土壓平衡盾構機穿越富水基巖掘進技術

李福濤

盾構法施工是城市地下鐵路隧道施工的關鍵施工方法，這種施工方法雖然擁有較多優點，但是也存在一定的局限，若施工不當會產生地表沉降，還會給周圍環境造成一定的負擔。針對盾構施工而引發的地表沉降問題已經被學術界及施工單位所重視，并且取得了一定的研究成果，但是因為我國地質環境變化大，施工參數的設置和調整也較為復雜，所以地表沉降的相關研究還有巨大的開拓余地。

一、工程概況

洪林區間左線長為593.11m，右線長為592.45m，盾構施工所選擇的是型號φ6450復合式土壓平衡式盾構機，數量為兩臺，盾構機從翔安西路下穿進行施工，沿著東界路進行敷設，與林前站終結。隧道管片所選擇的管片為楔形管片，管片的具體尺寸為，外徑為6200mm，內徑為5500mm，環寬為1200mm，壁厚為350mm。現階段，掘進工作正進行到區間右線215環，正在盾構穿越第4段基巖段，總計盾構穿越基巖82m，與77環位置完成右線第一次帶壓開倉換刀。

二、水文地質情況

1.水文情況

（1）淺層水補給方式：本隧道工程距離海洋近，下穿過宋洋水庫，淺層地表水的來源于海水、水庫水以及降水，其中地下水位的高度約為3m；

（2）深層水補給方式：本隧道工程的深層地下水補給量較大，主要來源于裂隙潛水補給，屬于富水基巖層。

2.地質情況

本隧道工程盾構穿越的區域的地層多為風化巖（全、中風化巖、砂礫狀強風化巖等）和孤石及孤石群等地質。本標段隧道的盾構區間，基巖多且強度軟硬差異大，孤石及孤石群分布廣，基巖及孤石長度占隧道長度60%。

三、土壓平衡掘進

保持土倉壓力與作業面壓力平衡是保證盾構掘進施工穩定進行的關鍵，也是避免出現地表沉降的核心因素。土倉壓力與作業面壓力平衡的保持需要從以下因素控制入手：（1）保證土倉內地層壓力與水壓力處于平衡狀態；（2）使螺旋輸送機正常運行，并保證排土量達到施工要求；（3）重視渣土的處理，保持渣土的流動性，結合施工需求來改良渣土，注入適當的改良添加劑。

1.土壓設定

為了保證土倉壓力設定與控制的科學性與合理性，需要立足盾構掘進區間的地質條件，分析環位置處的盾構埋深與地下水分布情況，綜合多個因素進行考慮。通常情況下，土倉壓力的設定值可以直接參考地下靜止水土壓力，土倉壓力P分情況計算，即分深埋隧道與淺埋隧道兩種，當隧道埋深H＜2D（D為隧道直徑）時，為淺埋隧道；反之則為深埋隧道。

在土倉壓力P分情況計算中，淺埋隧道和深埋隧道計算結果應用有所不同，在淺埋隧道中，上覆水土產生的壓力將全部作用于開挖面，而深埋隧道的壓力不會作用于開挖面。通常來說，土倉壓力的基準點是刀盤中心處的水土壓力，計算公式為：在式（1）中，p為側向靜止土壓力，單位kN/m；k0為側向向靜止土的土壓系數，不同土質中k0對取值有所不同，一般砂性土k0的取值范圍為0.25～0.33，而黏性土的取值范圍為取0.33～0.70，也可以按照半經驗公式（a為土的有效內摩擦角，單位°）；γ為水土的容重，單位m3；h為地表到盾構機中心深度，單位m。

2.土壓控制

保持開挖土量與排土量的平衡能夠使得土倉壓力更加穩定，因而可以從調整掘進速度、設定與控制排土量入手，以此來實現對土壓的控制。

排土量的設定與控制在土壓盾構施工中十分重要，因此在實際的盾構掘進施工時，調整螺旋輸送機的轉速參數就能夠實現對排水量的控制和保證土壓平衡。盾構掘進一環時理論排土量Qp，具體計算公式為：

在式（2）中，n0為松散系數；r為刀盤半徑，單位cm；l為管片寬度，單位cm。

當施工人員明確盾構掘進速度與土壓值后，即可輸入相關參數，盾構機就可以自動計算設置理論轉速N，計算公式為：

在式（3）中，QS與掘進速度決定的理論出渣量Q0相同，單位m3，而掘進速度決定的理論出渣量Q0的公式為。其中A為刀盤切削斷面面積（單位m2），n0為松散系數，V為盾構推進速度，單位m/s；Vs為設定的每轉一周的理論排土量，單位m3。

3.渣土改良

進行渣土改良也是保持土壓平衡的關鍵技術要點之一，渣土改良能夠使得土倉壓力與開挖面水土壓力相協調。渣土改良的原理是先注入改良添加劑，常見的添加劑有泡沫、膨潤土等，接著利用旋轉攪拌裝置來對刀盤面、土倉等內部的渣土和添加劑進行攪拌，使其充分混合，從而得到性能良好的渣土。在進行盾構穿越富水基巖掘進施工過程中，進行渣土改良效果顯著，具體包括以下效果：

（1）使得渣土土壓更加平衡，開挖面的穩定性更高，地表沉降出現的概率大大降低；

（2）降低渣土的透水性，地下水的流失速度變慢；

（3）使得渣土具備較好的流塑性，為排土作業奠定良好基礎；

（4）使得刀盤更加順暢進行作業，避免渣土過多的粘結在刀盤上；

（5）保證螺旋輸送機的穩定性，避免在排土過程中發生噴涌；

（6）保護設備的扭矩，控制刀具與螺旋輸送機的磨損情況，保證盾構穿越施工的效率。

四、地質風險控制措施

依托洪林區間的地質勘察報告，總結1號線穿越基巖及孤石的經驗，并吸收借鑒其他類似工程施工的優秀經驗，完善改進本區間施工措施。

1.開展地面預爆破處理

在正式開始盾構穿越施工前，要做好對基巖及孤石的處理，開展地面預爆破處理，在結束一次爆破后要做好爆破效果的檢驗，有需要可安排二次加密補爆。由于本區間基巖多且強度軟硬差異大，孤石及孤石群分布廣，因此預爆破方案為爆破孔加密和加深優化。

2.編制科學的刀具配置方案

鑒于本區間的基巖多，孤石分布廣這一情況，就需要重視刀具配置方案的編制，優化升級刀箱，科學調整刀圈直徑。根據試驗，最后選18寸滾刀刀圈，這一尺寸的刀圈有效磨損量最大可以達到35mm，與之前的17寸滾刀刀圈相比，穿越長度增加了30m，能夠保證施工效率，減少因為磨損而頻繁換刀。

3.掘進過程控制

主控推進參數：主控推進參數主要包括主控總推力、刀盤轉速以及刀盤扭矩等，這些參數的設置要根據實際的施工情況來進行調整，如果出現異常，要對出渣情況、溫度等因素進行全面詳細的檢查，找準原因，并及時解決，按照計劃來開倉。不同巖層制定不同推進參數具體如表1所示。

渣土改良：渣土改良的重點在于注入適當的改良添加劑，而因為本區間的巖層較多，在注入泡沫和水進行渣土改良時就要以嚴謹的態度來進行渣土改良，避免砂礫狀強風化巖板結現象的出現。

表1 不同巖層制定不同推進參數

五、結語

在富水基巖掘進施工中應用盾構土壓平衡技術，能夠保證盾構施工的穩定性，減少地表沉降出現的概率，保證整體施工安全順利進行。在土壓平衡掘進作業時，要保證土倉壓力的穩定性，保證土壓設定與控制的科學性，重視渣土改良，加強地質風險控制，從而為后續施工奠定良好基礎，實現對地表沉降的控制。