淺析土壓平衡盾構(gòu)保持掘進(jìn)面穩(wěn)定的措施

宮學(xué)軍

土壓平衡盾構(gòu)是在機械式盾構(gòu)的前部設(shè)置隔板,使土倉和排土用的螺旋輸送機內(nèi)切削下來的泥土進(jìn)行改良后,依靠推進(jìn)油缸的推力給土倉內(nèi)的開挖土碴加壓,使土倉作用于開挖面以使其穩(wěn)定的一類盾構(gòu)。其工作原理見圖 1。

盾構(gòu)推進(jìn)時,前端刀盤切削土層,切削下來的土體進(jìn)入密封土倉,當(dāng)土倉內(nèi)的土體足夠多時,可與開挖面上的土、水壓力相抗衡,使開挖面地層保持平衡。盾構(gòu)設(shè)有螺旋輸送機,由其將碴土排送到土箱,運至地面。螺旋輸送機的排土口上裝有滑動閘門或螺旋式漏斗,以控制出土量。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中向開挖面加壓灌注水、粘土、膨潤土、高濃度泥水、泥漿和泡沫等,同時靠刀盤和攪拌翼混合攪拌切削下來的土體,使之具有止水性、流動性。使得切削下來的土體能夠順利排出,又能提供壓力,與開挖面的水、土壓保持平衡,使開挖面保持穩(wěn)定。

為有效的控制地面沉降,必須保持盾構(gòu)掘進(jìn)面的穩(wěn)定。土壓平衡盾構(gòu)機是通過調(diào)節(jié)推進(jìn)速度、螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速來控制土倉內(nèi)泥土形成的壓力,以平衡掘進(jìn)面地層的水土壓力,同時一邊掘進(jìn)一邊出土,詳見圖 2。

當(dāng)出土量大于盾構(gòu)切削泥量時,控制土壓的最小值 Pmin小于切削面泥水壓力F,地面出現(xiàn)沉降;當(dāng)出土量小于切削泥量時,控制土壓的最大值Pmax大于切削面泥水壓力F,地面將出現(xiàn)隆起;當(dāng)出土量等于盾構(gòu)切削泥量時,控制土壓值P等于切削面泥水壓力F,地面不會出現(xiàn)沉降和隆起。因此,保證掘進(jìn)面土體的穩(wěn)定,主要有以下幾項措施,詳見表 1。

表1 開挖面穩(wěn)定控制項目表

向土倉內(nèi)加入改良土體的塑流化材料泥漿,加泥控制壓力為0.35MPa,加入的泥漿必須能使土倉內(nèi)土體具有適當(dāng)?shù)牧魉苄院洼^低的透水性,盡量減少土倉周邊土體顆粒的滲透損失。

在實際施工中常用螺旋輸送機的排土率 K來判定土體的塑流性:

其中,Vs為螺旋輸送機每轉(zhuǎn)一周的排土體積;N為螺旋輸送機轉(zhuǎn)速;A為切削斷面積;V為推進(jìn)速度。

1)當(dāng)土體處于良好塑流狀態(tài)時,K為 1.0左右。若土體處于干硬狀態(tài)時,土體摩阻力增大并產(chǎn)生拱效應(yīng),螺旋輸送機的效率會明顯下降,必須提高螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速來維持土倉的土壓,K值將大大超過 1.0。若土體柔軟而富有流動性時,螺旋輸送機只能以較低的轉(zhuǎn)速排土,甚至在排土口還會產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象,K值可以接近零;2)加入適量的泡沫劑。泡沫劑可在土體內(nèi)形成大量的泡沫,使土顆粒分得均勻,從而降低了土體的內(nèi)摩擦角和滲透性,又因其比重小,攪拌負(fù)荷輕,容易將土體攪拌均勻,從而提高土體的流動性和不透水性;3)控制土壓?？刂仆翂涸O(shè)定值應(yīng)滿足平衡掘進(jìn)面地層的水土壓力,同時又不會引起過大的地面隆起。一般采用靜止土壓和被動土壓進(jìn)行計算,取值:被動土壓 +地下水壓力＞土壓設(shè)定值(P)＞主動土壓+地下水壓力,一般比主動土壓大 20%～30%進(jìn)行設(shè)定;4)控制每環(huán)出土量。根據(jù)理論計算量和正常掘進(jìn)每環(huán)出土統(tǒng)計量來確定每環(huán)控制出土量,盡量做到:環(huán)出土量=環(huán)掘進(jìn)切削泥量;5)控制推進(jìn)速度。以設(shè)備能力的 40%～50%速度勻速、連續(xù)掘進(jìn);6)控制螺旋輸送機轉(zhuǎn)速。推進(jìn)過程中做到:螺旋輸送機單位時間的排土量 =刀盤單位時間的切削泥量。

另外,制定各種停機情況下保證掘進(jìn)面土體穩(wěn)定的措施:

1)管片拼裝時,禁止千斤頂全伸全縮。拼裝哪片回縮哪片處的千斤頂,拼裝完后立即回伸千斤頂,再回縮下一片處的千斤頂并拼裝該片。保證拼裝時千斤頂推力,最大限度的減少管片拼裝時土倉壓力的損失。2)長時間停止掘進(jìn)時,土倉內(nèi)預(yù)先保持較高的土壓,千斤頂全伸,為防止油壓損失造成千斤頂泄力,需在后續(xù)管片與盾構(gòu)機之間加設(shè)人工支撐。

綜合結(jié)論:

保證掘進(jìn)面土體穩(wěn)定是盾構(gòu)掘進(jìn)控制的一項基本內(nèi)容,必須根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)的地層情況、路線情況及地面建筑物和地下障礙物情況,制定相應(yīng)的掘進(jìn)參數(shù)及控制措施,加強設(shè)備的日常維修和保養(yǎng),保證盾構(gòu)掘進(jìn)施工連續(xù)進(jìn)行。

[1] 沈 婕.盾構(gòu)土壓平衡技術(shù)透析[J].山西建筑,2009,35 (13):321-322.