典型粉砂地層盾構(gòu)選型及施工參數(shù)研究

周祥春

摘 ? ?要：當(dāng)今地下空間的開發(fā)成為解決城市地面空間資源日益匱乏的重要方法，而地鐵作為地下空間開發(fā)方面解決城市地面交通日益擁堵現(xiàn)象的良藥，近年來一直為以公共交通導(dǎo)向型開發(fā)（TOD發(fā)展模式）所推崇，使得城市交通功能得到加強。盾構(gòu)法作為作為地鐵區(qū)間隧道廣泛采用的工法，已廣泛的應(yīng)用到地鐵建設(shè)工程實踐中，鑒于地下工程地質(zhì)水文條件及工程周邊環(huán)境，盾構(gòu)選型、施工掘進參數(shù)合適與否將直接影響到工程安全、質(zhì)量。針對杭州8號線一期工程所處錢塘江兩岸所遇的特殊復(fù)雜工程條件，結(jié)合盾構(gòu)選型的原則與方法提出適用于砂層盾構(gòu)機型、配置特殊技術(shù)、施工掘進參數(shù)。

關(guān)鍵詞：選型，粉砂，參數(shù)

1 ? 前言

杭州地鐵8號線一期工程起于文海南路站，出站后沿2號大街鋪設(shè)，穿越錢塘江及其堤壩，上南岸線路通過規(guī)劃綠地折向河景路，沿道路東行，在大江東新城核心區(qū)西側(cè)偏離河景路，穿過核心區(qū)后再次折回河景路東行，至工程終點新灣路站。

2 ? 工程及水文地質(zhì)簡介

工程所在沿線地形平坦，屬典型的沖海積平原地貌單元，填土、砂質(zhì)粉土、粉砂、淤泥質(zhì)土，其中淤泥質(zhì)土層為儲氣層，富含沼氣。地鐵區(qū)間隧道底位于12m～27m之間，粉砂層底板深度約18～22m，其滲透系數(shù)為10-5m/s，盾構(gòu)隧道不可繞避的穿越粉砂性土層，地表主要分布有地表水和潛水，由于粉砂層較厚沿線河道較多，造成地下水補給較快，在該地質(zhì)條件下盾構(gòu)始發(fā)、接收、掘進過程均存在涌水涌砂的風(fēng)險，對盾構(gòu)施工較為不利。

3 ? 盾構(gòu)選型原則和步驟

3.1 ?選型原則

盾構(gòu)選型主要從安全性、對地層適應(yīng)性、經(jīng)濟性、技術(shù)先進性等幾個方面綜合考慮，

盡量減少輔助工法及工序，并確保開挖面穩(wěn)定和快速掘進，總原則是安全性第一，以確保盾構(gòu)法施工的安全性，適應(yīng)地層能提高盾構(gòu)設(shè)備較為穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，繼而在安全可靠又穩(wěn)定運行的前提下，在考慮盾構(gòu)機攤銷費用，即經(jīng)濟性的前提下采用先進技術(shù)。

沿線的地質(zhì)條件較為平緩起伏不大的情況下，在選則盾構(gòu)機型時應(yīng)兼顧具有特殊性的地層的影響，還要滿足區(qū)間隧道長度、外徑、埋深、施工場地、周圍環(huán)境等影響條件，同時后配套與主機匹配的前提下應(yīng)具有結(jié)構(gòu)形式簡單、布置合理和易于維護保養(yǎng)的特點。

3.2 ?盾構(gòu)選型步驟

盾構(gòu)機根據(jù)工作方式和出渣方法分為泥水氣壓平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)，地層的滲透系數(shù)小于10-7m/s時，通常選用土壓平衡盾構(gòu);當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)在10-7～10-4m/s之間，兩者均可選用;當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)大于10-4m/s時，應(yīng)優(yōu)先選用泥水盾構(gòu)。

土壓平衡盾構(gòu)刀盤切削下來的土體，經(jīng)過土倉底部通道，由螺旋輸送機旋轉(zhuǎn)輸出，在螺旋輸送機內(nèi)形成壓力梯降，來保持土倉壓力穩(wěn)定，使開挖面土層處于穩(wěn)定，控制地面沉降，故從地對地層適應(yīng)性角度，土壓平衡盾構(gòu)主要適用于粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)粉土、粉砂層等黏稠土壤的施工。結(jié)合大量的施工案例，當(dāng)?shù)貙臃秶哿?、黏粒的的總量達到40%及以上時，宜選用土壓平衡盾構(gòu)，而當(dāng)水壓大于0.3MPa時，螺旋輸送機難以形成有效的土壓下降，螺旋噴涌的風(fēng)險增大，為確保開挖面的穩(wěn)定，宜采用泥水盾構(gòu)，如因地質(zhì)原因需采用土壓平衡盾構(gòu)，需對盾構(gòu)機設(shè)備進行特殊改造，增大螺旋輸送機的長度或采用一級螺旋輸送機或采用保壓泵，同時后配套應(yīng)相應(yīng)的調(diào)整，整機費用將增加。

本工程盾構(gòu)隧道穿越區(qū)域主要為富水粉砂層及淤泥質(zhì)土層，滲透系數(shù)介于10-3～10—8m/s，其顆粒組成0.075～0.005之間占比為28.5～72.2%，受到周邊可用場地條件的限值，選用土壓平衡盾構(gòu)，需通過向土倉內(nèi)及刀盤面板注入膨潤土、泡沫劑并均勻攪拌改善渣土性能，使得改良后的土體具有較好和易性能較好的傳遞土壓在螺旋輸送機內(nèi)形成壓力梯度，同時降低涌水流砂和發(fā)生噴涌的風(fēng)險。工程區(qū)間隧道平均線路長度約1.7km，考慮到長距離掘進，刀盤和刀具易磨損區(qū)域應(yīng)采用耐磨材料，盾構(gòu)機設(shè)計時應(yīng)進行專項的耐磨設(shè)計，并配備磨損檢測裝置。

4 ? 施工參數(shù)

富水粉砂地層自穩(wěn)性差，盾構(gòu)掘進刀盤切削土體形成渣土，渣土充滿土倉，使得土倉維持一定壓力并與掌子面水土壓力平衡來穩(wěn)定開挖面，該掘進模式主要通過控制盾構(gòu)掘進速度、千斤頂推力和螺旋輸送機的出渣量共同產(chǎn)生壓力，并通過測量土倉壓力來隨時調(diào)整、控制推進速度、頂推力和螺旋機轉(zhuǎn)速，保持既定的掘進效率。

應(yīng)預(yù)估每環(huán)的出渣量，控制土倉內(nèi)的渣土量，保證土倉壓力值，同時改良土體，降低滲水量，實時監(jiān)測土倉壓力，避免土倉內(nèi)渣土過稀而發(fā)生噴涌。掘進中要嚴格控制出渣量，加強巡檢，如有異常應(yīng)停機保壓排查，同時要加大盾尾油脂的注入量并密切觀測壓力，避免堵管，并防止盾尾被擊穿或鉸接密封處滲水。

此地層掘進除受到隧道下穿范圍地層影響外，外圍高水壓的影響。應(yīng)采用土壓平衡模式掘進。下穿河道前，要對設(shè)備進行全面的檢查和保養(yǎng)，保證設(shè)備的完好，特別是盾尾密封、鉸接密封、刀具的完好。掘進時要盡量降低對地層的擾動，防止土倉與水系的直接連通，加泡沫或高分子聚合物增加對地層的止水性，確保盾尾密封效果，通過調(diào)整漿液配合比，提高漿液的凝固速度。

4.1 ?各掘進參數(shù)的相對關(guān)系

遵照選型原則選擇與地層相適應(yīng)的盾構(gòu)機型，不可忽視掘進參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，參數(shù)選擇得當(dāng)與否，關(guān)系到地表沉降的有效控制、盾構(gòu)機工作狀態(tài)可靠與否、刀具及配套機械設(shè)備的損耗大小。在掘進中起主要調(diào)節(jié)作用的參數(shù)為：油缸推力、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、土倉壓力、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速，刀盤轉(zhuǎn)速及油缸推力可以調(diào)節(jié)土倉壓力、切削速度，調(diào)節(jié)切削的渣土量，螺旋輸送機轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)出渣速度，同時又影響這刀盤扭矩、掘進速度。在掘進中，需要結(jié)合地質(zhì)情況對這些參數(shù)進行綜合觀測，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)確保工程的順利推進。

4.2 ?粉砂層中掘進參數(shù)參考表

5 ?結(jié)束語

盾構(gòu)機作為地下工程隧道施工高度自動化的專用機械設(shè)備，選型合理與否直接關(guān)系到工程風(fēng)險、質(zhì)量、成本，需綜合考慮，規(guī)避風(fēng)險。既涉及到工程所處的水文和地質(zhì)條件，又與地面環(huán)境條件、隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計、盾構(gòu)機本身的部件配置密切相關(guān)，本文通過對典型粉砂地層盾構(gòu)選型較重要的三方面滲透性、顆徑、水壓進行分析，同時結(jié)合施工過程中推力、扭矩、出土量、同步注漿量、土倉壓力等掘進參數(shù)的分析給出施工參數(shù)建議值，為盾構(gòu)選型和施工參數(shù)選擇提供參考建議。

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