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摘要:在复杂地质施工中采用土压平衡盾构掘进施工，具有较大的风险和难度。文章结合工程实例，从盾构机适应性改制、同步注浆工艺以及土体改良工艺等方面，详细分析、介绍了土压平衡盾构穿越特殊砂层地质的施工技术，施工实践表明，该套施工技术有效控制了各项施工风险，确保了工程质量，可为此类地层盾构施工提供参考。
关键词:土压平衡盾构；土体改良；出土量；同步注浆
盾构法（Shield Method）是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，随着地下空间的开发与利用，在我国得到了越来越广泛的应用。根据保持开挖面土体稳定所采用的平衡方式不同，盾构法可分为土压平衡盾构和泥水加压盾构。相对于泥水式盾构，土压平衡式盾构具有地层适应性广、作业安全、掘进速度快、对环境影响小及工程造价较低等优点。某地铁隧道通过采用有效的土压平衡盾构施工工艺，成功解决了施工穿越土层内摩擦角大、渗透系数大、压缩系数小等施工难题，现将其施工土层条件以及关键性技术小结如下：
1 工程土层条件分析
从地质资料来看，盾构施工穿越土层的典型地层特征见表1。
地质资料显示，盾构区间隧道穿越土层具有内摩擦角大、渗透系数大、压缩系数小等特点，盾构在此土层掘进时在具有一定水头的动水压力作用下易产生管涌、流砂、涌水等现象，易产生开挖面失稳、地面沉降及塌陷，给盾构施工带来严重安全隐患。一旦盾构掘进施工出土量没有控制好，出现较大的超挖现象，或者直接发生螺旋机喷涌现象，就可能出现正面土体失稳、坍塌，所以此段施工，必须在土压平衡状态下进行盾构掘进，过程中需要通过土体改良、严格控制出土量、提高同步注浆施工质量等措施来确保盾构顺利推进。
2 盾构机适应性改制
在地质条件勘察和满足盾构施工质量的基础上，从盾构快速推进着手，对盾构机刀盘刀具、壳体、土仓、推进、注浆等各方面考虑，结合施工效果进行分析，确定合适的盾构机机型，确保盾构推进效率提高。根据综合考虑，为提高盾构机的工程地质适应性，对盾构机进行了如下改制与参数优化:
(1)刀盘适应性。从刀盘的刀具布置来适应该工程粉质黏土的特性，具体措施如下:
①刀盘开口率28%。
②盾构刀盘配备中心刀、切削刀、仿形刀、贝壳刀、羊角刀和周边刀；同时盾构配备人行闸，施工人员可进入土仓对不明物体进行探摸，然后实施后续措施。
③根据工程地质土层特性，在刀盘的防磨损设计中特别采取了一系列的保护措施，主要有:在刀盘盘面进行硬化处理并堆焊耐磨材料、在刀盘的中心和外缘进行硬化处理并堆焊耐磨材料、在刀盘外圈设有保护刀具，在刀盘面板上增焊耐磨层。
盾构机刀盘布置见图1。
(2)盾构机参数配置。从优化盾构机的扭矩、推力、注浆流量、泡沫压力及管片拼装系统等参数来满足本工程地质条件下盾构掘进的效率:
①盾构机扭矩校核。在软土地层推进，扭矩系数α取值为16，D为盾构机直径6.392m，则:
T=α×D3=16×261.16=4178.6kNm＜T额
②盾构机推力校核。在此标段地层推进，单位切削面推力取值1100kN，D为盾构机直径6.392m，则:
F=0.785×D2×1100=0.785×40.86×1100=35280.6kN
③注浆流量校核。目前盾构机使用ksp-12施维英泵，注浆最高压力为5MPa。
④泡沫压力校核。使用土压力:0.45MPa。
⑤适应管片拼装形式。盾构机推进千斤顶共16组(32个)，行程为2200mm，满足1.5m管片错缝拼装形式。
3 同步注浆工艺
根据盾构在砂层中进行同步注浆施工易出现的注浆量大、易劈裂、注浆压力偏大等问题，该工程从以下方面进行研究:
(1)同步注浆材料。选用新型抗剪型砂浆作为同步注浆液浆。该浆液具备稠度低、重度大、抗剪性能好等特点，能够很好地适应砂性土地层盾构同步注浆施工的要求。浆液性能指标见表2。
(2)同步注浆参数。盾构掘进过程中，采用同步、多点、均匀注浆，注入流量应同掘进速度相适应，使之既能达到有效填充建筑空隙，又不会对管片成环质量产生影响。该工程注浆量及注浆压力根据地层与隧道埋深情况不同，注浆量控制在150%～200%，注浆压力控制在0.3～0.4MPa，其中下部每孔的压力比上部每孔的压力略大(0.05～0.1)MPa。
4 土体改良工艺
土压平衡式盾构特点是用开挖出的土体作为支撑开挖面稳定的介质，因此要求作为支撑介质的土体具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小。由于一般土体不能完全满足这些特性，所以需要进行土体改良，土体改良工艺已成为盾构法施工的一个重要组成部分，土体改良技术应用的好坏，对降低工程造价、提高工程施工进度都有着决定性的作用。
土体改良是否到位，直接决定工程区间隧道所在的特殊砂性地层掘进中盾构施工的安全及效率。它能够很好解决如下问题:
(1)提高土仓内渣土的抗渗透能力，避免开挖面因排水固结而造成较大的地表沉降或坍塌事故发生。
(2)降低土仓内渣土以及开挖面土体的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨损，降低刀盘扭矩。
(3)提高土仓内渣土的可塑性，防止渣土粘附在刀盘上结成泥饼。
目前，土体改良措施常用的改良剂主要有2种，一种是泡沫剂，另一种是膨润土浆液。针对不同地层均有一定的土体改良效果。该工程通过对2种改良添加剂的比较分析，对不同改良工艺进行了比选与施工参数研究:
(1)不同改良工艺比较。采取分别向刀盘面和土仓内注入泡沫剂或膨润土的方法进行渣土改良。其中刀盘正面以泡沫为主，若正面地下水过于丰富，则可增加对土仓内及螺旋输送机内注入膨润土浆液，以利于开挖面稳定及螺旋机出土。
(2)泡沫改良施工参数。泡沫指标:选取3%～5％的浓度，发泡倍率为15倍，常压下泡沫稳定时间(半衰)需超过4min；使用注入率为30%～50%。
(3)膨润土浆液改良施工参数。膨润土浆液指标:水土(膨润土)比为14:1，密度为1.05～1.08g/cm3，黏度＞40s；注入率视地下水情况控制在0～30%。
5 施工效果分析
通过一系列的施工措施，在该地层条件下施工的地面沉降及各风险源沉降变形得到了有效的控制。图2、图3为盾构穿越风险源后管线沉降数据分析曲线图。
针对工程复杂地质条件，从盾构机选型、同步注浆、土体改良等方面采取了针对性措施。通过施工实施后取得了良好的效果，管线及构建物沉降变形最大值均小于设计值，管线及构建物的变形得到了有效控制。
6 结语
综上，文章系统总结和阐述了土压平衡盾构在该特殊砂层条件下施工的关键性技术，得出适应该工程土层特性的施工工艺和参数标准，确保了成环隧道的稳定和对地面沉降的控制，可对相近地层条件下的盾构安全施工提供参考和指导。同时，为适应各类复杂多变的地层条件，有必要参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数，辅助设备的配置等进行研究确定，以进一步提高土压平衡盾构技术复杂地质适应性，使此项施工技术在我国得到日臻的完善。
参考文献：
[1]邢宇.富水砂层土压平衡盾构关键施工技术[J].商品与质量•建筑与发展,2014(1)
[2]郭海.浅谈土压平衡盾构机在富水砂层下穿风险源的施工技术[J].施工技术, 2015(s1):251-255
论文作者:陈浩宏
论文发表刊物:《基层建设》2016年第33期
论文发表时间:2017/3/6
标签：盾构论文; 体改论文; 注浆论文; 地层论文; 土层论文; 渣土论文; 浆液论文; 《基层建设》2016年第33期论文;