淺談土壓平衡盾構施工氣壓輔助推進工法

李豆，李騰飛

中交天和機械設備制造有限公司，江蘇南京，211800

0 引言

在城市地鐵建設中，盾構施工工藝技術日益成熟，從而在施工中演練出氣壓輔助推進工法。正常土壓平衡盾構掘進施工，經常采用常規土壓平衡倉內保實土壓推進，但在施工中，發現諸多困難，例如盾構掘進參數扭矩、推力較大，刀具磨損量大，螺旋機噴涌，降低施工效率等，這跟地層特性也有一定關系，為解決這一問題，結合現場施工經驗，分析其關鍵技術，本文提出采用氣壓輔助掘進工法盾構施工[1]。

1 盾構施工氣壓輔助工法機理和應用

1.1 氣壓輔助平衡機理

土壓平衡盾構掘進施工中，通過推進速度與螺旋機出土，實現土倉內壓力動態平衡[2]。其中倉內物質主要為開挖掘進地質土與渣土改良輔助添加劑。氣壓輔助平衡指利用空氣替代土倉內上部渣土，形成空氣壓力，保持開挖面穩定平衡。其空氣注入方式為空氣壓縮機產生壓縮空氣，通過泡沫管路從刀盤注入或通過samson系統土倉隔板注入，通常采用samson系統，在艙內形成氣壓輔助平衡。

1.2 氣壓輔助平衡應用工藝

氣壓輔助平衡在盾構施工應用中主要為帶壓進倉、輔助推進、停機保壓。其倉內壓力通過壓力傳感器檢測，一般六米級盾構機配備5個土倉壓力傳感器，其土壓計位置分別為上部P1、左中P2、右中P3、左下P4、右下P5。推進中可通過各區域土倉壓力值對比，判斷艙內為實土壓或氣壓，見圖1。

圖1 六米級盾構機土壓傳感器布置圖

1.3 氣壓輔助平衡推進判斷

盾構機土倉內主要由地質原狀土與輔助添加劑組成。其壓力建立以固態、液態、氣態綜合建立，掘進中可通過各介質特性來判斷土倉內實土壓力。根據各介質壓力特性，可以對倉內進行如下判斷：

（1）實土壓掘進艙內頂部部分氣壓，即P1＜P2=P3＜P4=P5；

（2）半倉掘進為艙內1/2實土壓，即P1=P2=P3＜P4=P5；

（3）氣壓掘進為艙內1/3實土壓，即P1=P2=P3=P4=P5。

氣壓輔助掘進需要注意的是充分考慮地層穩定性及氣密情況，在控制倉內壓力時，應保持倉內實土壓倉位始終高于螺旋機前端閘門，避免土倉與螺旋機形成氣流通道，造成螺旋機噴涌，或螺旋機出土噴氣，造成土壓力迅速下跌，不利于掌子開挖面穩定，造成地表沉降，嚴重時造成地面塌陷[3]。

2 盾構掘進氣壓輔助推進施工分析

2.1 工程概況

廣州市軌道交通十二號線某區間線路全長1.18km，采用盾構法施工。區間地層主要見表1。勘察范圍內地下水按賦存方式劃分為第四系松散層的孔隙水和塊狀基巖的裂隙水，多呈脈狀，含水層無明確界限，具有不均勻性，受裂隙發育程度和裂隙開放閉合程度影響，具有方向性，各部位地下水含水層埋深、厚度及透水性均很不穩定，裂隙發育地段地下水豐富，裂隙不發育的地段地下水貧乏。場地內塊狀基巖裂隙水水量變化大，水量為貧乏中等，透水性變化大。場地地下水水位總體埋藏相對較淺，局部較深，據勘察，穩定水位埋深0.00～15.00m（高程-2.37～11.00m）,初見水位埋深0.00～14.80m（高程-2.37～11.70m）。

表1 某區間0～120環主要工程地質參數

2.2 土倉壓力的建立與控制

常規土壓模式掘進，土倉壓力的控制是由開挖地層的渣土與改良添加劑充滿土倉建立，通過控制盾構機推進開挖的渣土量與螺旋機排土量實現動態平衡。隨著盾構工藝的演變，出現氣壓輔助推進這一方法理念，即用空氣壓力代替土倉內部分土壓力，實現動態平衡，土壓倉布置示意圖如圖2所示。

圖2 土壓倉布置示意圖

（1）推進過程中，通過采用samson系統穩定土倉壓力，使用壓縮空氣逐漸替代土倉內的渣土，形成氣壓輔助掘進，掘進過程中循序漸進，需注意土倉壓力波動，控制在±20kPa以內，該環掘進，因土倉實土壓力使用氣壓替換，因此會導致出土過多，此時應嚴格控制出土量，具體應參考土倉容積確保出土未超挖。該方法在實際應用中較為廣泛。

（2）用泡沫管路通過刀盤噴口或空壓機壓縮空氣直接通過土倉隔板預留口單獨注入壓縮空氣，螺旋機出土，控制壓縮空氣注入量和螺旋機出土量，通過觀察土倉壓力顯示進行壓力平衡。

（3）通過samson系統，進行保壓或進行壓力控制管理，調整samson設定壓力，使土倉壓力通過氣壓輔助始終保持平衡實現自動控制。需要注意的是該模式必須保證艙內samson系統空氣注入孔位置為氣壓，否則會破壞samson系統。此模式目前主要應用于帶壓進倉使用。

（4）盾構機停機期間，土倉壓力隨著時間的推移滲透至地層各個方向，壓力下降，開挖面穩定性易受影響，因此在盾構掘進一環停止前，應減少出土量，通過提高倉內實土壓力，來控制掌子面和土倉壓力穩定。停機期間根據土倉壓力下掉速率，通過samson系統，保障掌子面和土倉壓力相互平衡穩定，長時間停機應注入膨潤土建立泥膜保壓。

2.3 氣壓輔助掘進參數分析

氣壓輔助掘進參數分析如表2、圖3所示。

圖3 氣壓輔助掘進參數線性圖

表2 氣壓輔助掘進參數分析表

2.4 氣壓輔助掘進存在風險與應急措施

氣壓輔助掘進存在風險與應對措施如表3所示。

表3 氣壓輔助掘進存在風險與應對措施

3 氣壓輔助平衡的優缺點

3.1 采用氣壓輔助平衡的優點

（1）地層適應性：適合埋深大、裂隙水發育的巖土地層和富水氣密性較好的復合地層。通過氣壓輔助工法在裂隙水發育巖層，解決地下水大量匯聚到盾構內的風險。

（2）掘進參數：有效降低盾構機掘進推力、扭矩，減小盾構機推進負荷。

（3）保護刀具：通過氣壓降低土倉渣位，減輕刀盤背部與土倉之間的摩阻力，降低刀盤刀具磨損，節約成本。

（4）渣土改良：通過氣壓，阻止盾構機開挖面以外地層來水，穩定掌子面，使泡沫注入充分與土體結合，有效保證渣土改良的和易性，降低螺旋機噴涌風險，減少地下水流失。

（5）防止結泥餅：通過氣壓降低土倉渣位，防止土倉積倉、推力扭矩增大，導致渣溫升高、刀盤結泥餅。

（6）提高施工效率：掘進參數較好，渣土易改良，有效阻止地層來水，防止螺旋機噴涌，有效避免安裝時間清理盾尾耽誤時間，改善隧道環境，降低設備、材料、時間損耗。

3.2 采用氣壓輔助平衡的缺點

（1）地層適應性：對地層適應性要求較高，地質復雜多變，地質勘察多有不明確性，對于淺埋深、松散砂層、溶洞、氣密性較差等地層不適合采取該使用工法，風險較大。如埋深較淺松散地層容易擊穿，溶洞瞬間失壓掌子面易坍塌，氣密性較差地層空氣流通較快，損失較大，若不能及時補充，會造成掌子面失壓。

（2）盾構司機：對盾構司機要求較高，目前國內該工法應用較少，相關掘進經驗較少，對盾構司機氣壓輔助推進施工工藝及相關應急處置能力要求較高。如發生文中2.4章節使用該工法存在風險與應對措施，司機需熟知相關措施，快速應對解決。

（3）土壓控制：使用該工法，應嚴格控制土倉壓力穩定及艙內渣位，避免倉位過低，土倉內氣體與螺旋機形成通道，造成螺旋機噴涌，土壓力波動大，嚴重時會發生土壓力瞬間失壓，不利于掌子面穩定。

（4）停機保壓：倉內氣體滲透性較強，土壓力容易下掉，停機期間需時刻關注土倉壓力，若倉內氣體外泄，隨時或持續注入空氣，保障土倉壓力穩定。氣源壓力需源源不斷提供，做好應急措施，配備大功率發電機，滿足空壓機使用要求。長時間停機建議采取掌子面穩定措施。

4 結語

氣壓輔助掘進工法在盾構法施工應用中有著較大的優勢，但大多施工單位缺乏該方法施工經驗。該工法應用過程中風險不容小覷，通過總結施工經驗，根據實際工程案例分析，采用氣壓輔助平衡的基本條件需要滿足地層氣密性良好，地質勘測需提前對線路周邊可能存在的風險進行處理，掘進中做好土倉壓力和倉內渣位高度控制，盾構司機對掘進參數做好把控，密切關注土壓、推力、扭矩、掘進速度和輔助添加劑等掘進參數，對實際掘進地質的渣樣渣溫做好分析。