土壓盾構在砂性土中的施工關鍵技術探討

摘要：盾構法在當前的隧道工程施工中應用廣泛，具備地層適應能力強的優(yōu)點，能夠提升軟土地層和高含水量地層的掘進速度，并且不易對施工環(huán)境造成太大的不良影響，從而極大地保護了地層的穩(wěn)定性。文章首先對土壓盾構進行了概述，然后結合案例分析了施工中的難點以及具體的改良方法。

關鍵詞：土壓盾構；砂性土；施工技術；隧道工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：U452 文章編號：1009-2374（2016）14-0117-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.059

目前常用的兩種盾構法分別是泥水盾構和土壓盾構，其中前者具有設備復雜、配置價格高、使用過程中占地面積大等特點。隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，土地面積越來越少，受到施工環(huán)境的限制，大體積的施工設備很難順利進入施工場地或者極大地影響施工的順利進行，必須進行施工工藝的改良。在這種情況下，技術人員研制出了更加方便快捷且占地面積小的土壓盾構技術。土壓盾構在形式上屬于封閉式盾構，當盾構在隧道中向前掘進時，前面的旋轉(zhuǎn)刀盤會把地層上的土壤削掉，并自動保存在土艙里面。當土艙中的土體充滿之后，其被動土壓會和倔削面上的土壓、水壓保持相同大小，這樣一來，削面就能夠保持在穩(wěn)定平衡的狀態(tài)下。

1 土壓盾構概述

土壓盾構系統(tǒng)的基本結構如圖1所示。從圖1中可以看出，這類盾構系統(tǒng)主要是靠螺旋輸送機把削掉的土壤排送到土箱里面，再運送到地表上。

土壓盾構的種類可主要可以分為如下四種：第一，削土加壓式盾構。適合用于粉土、黏土、砂質(zhì)粉土以及砂質(zhì)黏土中；第二，加水式土壓盾構。適合用于含水砂礫層以及亞黏土層中；第三，高濃度泥水加壓式土壓盾構。適合用于土質(zhì)松軟且滲透系數(shù)大含水量高的砂層土壤中；第四，加泥土壓盾構。適合用于軟弱性黏土層中以及容易出現(xiàn)坍塌的含水砂層和卵石層中。

根據(jù)施工條件的不同，土壓盾構穩(wěn)定掘削面的種類可以分為兩種機理類型：第一，黏性土層。因為土壓盾構的刀盤在旋轉(zhuǎn)過程中會破壞原有的土體結構，變得更加疏松，還增加了其流動性。即使有些土層的黏性比較大，可以很好地將周圍的土體顆粒聚在一起，但是渣土的塑流性也相應會增大，這種情況下可以調(diào)節(jié)螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速來控制排土量，將其維持在合理的范圍內(nèi)，既能夠滿足施工需求，又不會對土層的穩(wěn)定性造成較大的破壞。當土體的塑流性不足時，土艙內(nèi)部的土體就會出現(xiàn)固結情況，這樣削下來的土壤很難被排出來，盾構推進施工會被迫停止。為了解決這個問題，可以向土艙里面注入水或者空氣、泥漿等材料，并進行連續(xù)的攪拌，這樣就能夠提高土體的塑流性；第二，砂質(zhì)土層。在砂質(zhì)土層中，因為土質(zhì)顆粒之間的空隙較大，因此其滲透性也比較強，這樣當?shù)叵滤槐容^高且水壓較大時，僅僅依靠掘削土壓和排土機很難使掘削面上的土壓和水壓保持平衡。因此可以向掘削面上添加水、泥水或者泥漿等材料，并通過不斷攪拌來改變原來的土體性質(zhì)，從而提高削土面的流動性以及止水性，使掘削面保持在平衡狀態(tài)下。

2 土壓盾構在砂性土中施工關鍵技術分析

本文結合實際案例分析土壓盾構在砂性土壤中的關鍵施工技術。工程概況：在某大型城市地鐵1號線建設三路站到建設一路站區(qū)間長度大概是1000m，由1臺土壓盾構從建設三路站工作井開始出發(fā)，沿著市中心向北路推進，一直到建設一站工作井，然后進洞，再調(diào)頭進行反向推進，到建設三路站南段井，最終完成掘進施工。其中整個隧道結構的外徑長度為6.2m，內(nèi)徑長度是5.5m，主要采用C50的預制管片進行拼裝，然后制作而成的，隧道的深度為9.5～16m。

2.1 工程施工的水文地質(zhì)條件

上行線的土壓盾構是1～100環(huán)、655～809環(huán)全斷面都在砂性土中掘進，土層質(zhì)地主要為砂質(zhì)粉土加黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土加粉砂以及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。各項物理參數(shù)如表1所示。掘進土層的特征為：土質(zhì)呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，并且表面看起來較為粗糙，滲水性強，如果是在飽和狀態(tài)下，那么一旦受到振動荷載的影響就非常容易出現(xiàn)液化問題，并且由于其滲水性好，因此一旦含水量上升，那么就會出現(xiàn)流動現(xiàn)象，嚴重情況下還會導致塌方事故。施工環(huán)境周圍的地下水屬于松散巖類孔隙潛水，主要是在上部填土層的粉砂層中，水深大概在1～2m左右。

表1 盾構穿越土層的主要物理參數(shù)

2.2 施工難點分析

2.2.1 因為含水量比較大且土質(zhì)的密度不高，因此很難控制地面的沉降量，需要注入大量的漿液，提高土層的穩(wěn)定性。在砂土含量較多的土層結構中，沉降問題一般發(fā)生在土壓盾構系統(tǒng)穿越中以及穿越后的這兩個時間段。其中地面沉降可以分為以下四個部分：第一，在開挖土體之后，需要進行卸載，卸載過程中如果速度過快或者對方不均勻，很容易出現(xiàn)沉降問題，導致地層發(fā)生一定的變位移動；第二，在注漿過程中管片容易從盾尾脫出，這時就會在建筑內(nèi)部出現(xiàn)一定的空隙，如果該空隙不能及時被填充，就很容易引發(fā)地層沉降問題；第三，在隧道周圍的土體中，受到盾構施工的影響會產(chǎn)生超孔隙水壓力，在施工結束之后，如果這股壓力消散，就容易出現(xiàn)土壤固結，進而導致地面沉降；第四，隧道周圍的土體經(jīng)土壓盾構系統(tǒng)的擾動之后，內(nèi)部結構出現(xiàn)變化，變得不穩(wěn)定，可能導致固結沉降問題的發(fā)生。在利用土壓盾構進行穿越時，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗總結出造成沉降的主要因素是第一和第二部分，第三和第四部分主要是對成型之后的隧道產(chǎn)生影響，容易造成不同程度的沉降。土壓盾構在推進過程中，由于前進以及內(nèi)部設備振動所產(chǎn)生的荷載力會作用于周圍的土體結構中。但是因為砂層顆粒之間的引力作用比較小，粘結性幾乎沒有，再加上含水量很高，因此受到循環(huán)荷載作用力的影響，非常容易在瞬間出現(xiàn)變形。如果荷載作用時間不斷延長，砂層就會慢慢呈現(xiàn)出液化狀態(tài)，從而導致土體出現(xiàn)大面積的沉降。

2.2.2 土壓波動性大，不容易達到平衡狀態(tài)。對現(xiàn)場90～130環(huán)的土壓力進行匯總，發(fā)現(xiàn)在相鄰的兩環(huán)中，最大土壓差能夠達到0.19MPa。通過分析發(fā)現(xiàn)，導致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是刀盤開口率和砂性土本身的特質(zhì)。當土壓盾構的刀盤開口率達到75%以上時，受到砂性土壤流塑性較差的影響，就很難形成面板擋土支護效應。而砂性土層被切削之后，土體結構也失去了原本的穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)坍塌，還會倒向土艙，這樣一來，土壓的波動性就會變大，土艙內(nèi)部不容易達到平衡狀態(tài)，

2.2.3 推力和扭距比較高，導致推進速度慢。對現(xiàn)場施工進行研究，把實際的施工情況和淤泥土體的施工進行對比，發(fā)現(xiàn)砂性土的溫度要高出10℃～20℃左右，總推力也高出1倍以上，刀盤的扭矩大1.5倍左右。主要原因是土壓盾構受到砂性土性質(zhì)的影響，導致掘進過程中的阻力變大，進而其扭矩壓相應增大，推進速度自然降低。

2.3 提高施工質(zhì)量的措施

2.3.1 控制地面沉降的措施。對施工參數(shù)進行調(diào)整：第一，減緩推進速度，規(guī)定不超過5cm/min，這樣雖然暫時降低了施工進度，但是能夠大大減少對周圍土體的擾動，提高了施工質(zhì)量，避免后期引發(fā)沉降事故。同時還應該盡可能地減少停機時間，保持推進的連續(xù)性，能夠縮短盾構對土體的擾動時間；第二，對注漿環(huán)節(jié)的漿液材料進行改良，提高水泥和石灰的比例，并加入一定劑量的膨潤土，大概比例為1m?的漿液中加入20千克的水泥和90千克的膨脹土，這樣能夠減少漿液的固結時間。漿液中加入的砂料因為中粗砂，可以強化其填充性能。漿液的粘稠度需要控制在9～10cm的范圍內(nèi)，這樣可以避免在短時間內(nèi)出現(xiàn)稀釋現(xiàn)象。

2.3.2 平衡土壓，提高開挖面的穩(wěn)定性。第一，在刀盤前方注入水和比為7∶100的膨潤土漿液，每推進1環(huán)需要注入大概4m?，能夠起到改良土層質(zhì)量的效果，提高其保水性，并將流速率控制在比較理想的范圍內(nèi)，從而能夠增強出土器的排土能力，避免在施工過程中出現(xiàn)大面積的液化現(xiàn)象；第二，保持勻速推進，避免出現(xiàn)突然停止或者突然開始的推動操作行為，這會大大降低土體結構的穩(wěn)定性；第三，刀盤的前方進土量要和螺旋機的出土量保持在同一水平，這樣可以提高掘土壓力的動態(tài)平衡能力，避免出現(xiàn)超挖和欠挖問題。其中每推進9m?的土，土壓盾構需要進尺0.27m；第四，加裝泡沫發(fā)生裝置在土壓盾構機的內(nèi)部，具體配比濃度為2%，發(fā)泡率為20倍，泡沫注入率為40%，需要的發(fā)泡氣壓為0.7MPa，主要作用是在掘進過程中注入到工作面上起到改良土體的效果。

2.3.3 降低扭矩和推力。在刀盤前方以及土壓盾構系統(tǒng)的側面注入膨潤土潤滑漿液，這樣土粒之間的空隙就會被膨潤土填充，摩擦力減小，相應的刀盤扭矩就會降低，同時還能夠減小盾構殼體和周邊土層之間的摩

擦力。

3 結語

通過采取以上改良措施，較好地控制了土壓盾構系統(tǒng)在砂性土層掘進過程中遇到的施工難點，提高了對地面沉降的控制能力，沒有出現(xiàn)大面積的沉降現(xiàn)象，土壓的波動性也明顯減小，增強了工作面的平衡性。同時由于扭矩的減小，施工速度大大提升，縮短了施工進度，并有效減少了施工成本。在實際的施工過程中，需要結合現(xiàn)場的地質(zhì)條件和設備特點，制定針對性的工藝改良方案，既能夠保證盾構推進速度，又能夠提高其平穩(wěn)性，避免各種意外事故的出現(xiàn)。

參考文獻

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[3] 畢景佩，郭志濤.盾構在砂層中的施工技術探討[J].銅業(yè)工程，2011，（4）.

作者簡介：王衛(wèi)良（1981-），男，河北衡水人，供職于中鐵四局集團第五工程有限公司，研究方向：盾構施工與應用。

（責任編輯：小 燕）