摘要：由于圆砾层具有强透水性，土压平衡盾构在地下水丰富的华南地区进行施工作业时，若掘进区域存在富水圆砾地层将增加土压平衡难度并导致其它风险。通过采取渣土改良、双螺旋输送、壁后注浆等措施，可有效控制撑子面平衡和降低施工风险，本文简单介绍了富水圆砾地层中的土压平衡盾构施工技术，以期对类似工程提供一定的借鉴。
关键词：土压平衡盾构；富水层；圆砾层；渣土改良；壁后注浆
前言
经济发展与技术进步，越来越多的城市加入了地铁建设行列，土压平衡盾构机被广泛用于全国数十个地铁项目施工之中。目前土压平衡盾构施工虽已经比较成熟，但不同地区的地质差异大且各有特点，本文结合华南地区某市地铁区间土压平衡盾构施工实际，针对富水圆砾地层中的土压平衡施工技术进行了简单阐述。
1. 施工特点
（1）在富水圆砾地层中通过对渣土改良、双螺旋输送机应用、管片壁后同步注浆与补充注浆、盾构掘进参数控制等措施，降低了富水圆砾地层中土压平衡盾构施工可能出现喷涌和地面沉降大等问题的风险[1]；
（2）解决了富水圆砾地层中土压平衡盾构施工进度慢、效率低的难点，大大缩短工期，加快施工进度。
2. 工艺原理
土压平衡盾构机在富水圆砾地层中掘进时，采用针对性强的多元化渣土改良技术、双螺旋输送机应用技术、管片壁后同步注浆与补充注浆技术并通过盾构掘进参数控制技术确保盾构施工安全[2]。
图1 土压平衡盾构施工工艺流程图
3. 施工操作要点
3.1多元化渣土改良技术
1）泡沫改良
盾构在圆砾层中掘进加入适量泡沫剂，可以有效的改良渣土，使改良后的渣土具有较好的流动性和塑性，便于螺旋机出渣，还可以有效的润滑刀盘刀具，减少刀具的磨损。
泡沫发生系统有3种操作模式：手动、半自动和全自动。掘进期间可根据掘进速度、扭矩选择不同的操作模式，不同的模式还可以根据实际施工情况需要对配方、速度进行调整。
每个泡沫喷嘴尾端有一个螺栓固定的通路板。发生堵塞时，通路板将被移开，被堵塞的喷嘴从刀盘后面拔出，代替以新的喷嘴。注射喷嘴前面的橡胶盖能够有效防止浆液进入堵塞喷嘴。
2）加泥/膨润土改良
通过试验确定往碴土中添加流朔状（牙膏状）泥浆/膨润土的含量，经充分搅拌后，将碴土改良成流朔状，以利于盾构掘进。
3）聚合物改良
高分子聚合物具有较强的吸水作用，可以增加渣土的凝聚力。在盾构掘进过程中，加入高分子聚合物，改良土仓内的渣土，防止螺旋机出土喷涌，确保盾构掘进顺利，高分子聚合物按55～60kg/环的量注入。
3.2双螺旋输送机应用技术
1）排水、出渣
当开挖物料中含水量较大，无法通过土体改良以及调整1#螺旋输送机系统的出渣口来获得较好的出渣效果时，采用两个螺旋输送机系统：为达到合理的降压，安装2#螺旋输送机以延伸螺旋机的长度。1#螺旋输送机连接在开挖区域的压力墙上的法兰上，2#螺旋输送机安装在1#螺旋输送机的卸渣口处。2#螺旋输送机配备有出渣口紧急关闭功能，由于2#螺旋输送机将出土口的位置抬高，倾斜皮带机的角度变缓，也降低水从皮带机上溢出的风险。系统通过使用一个位于2#螺旋输送机底部的排水管对开挖物料进行排水。排水可以和出渣同时进行。
2）防喷涌
在掘进过程中，一旦发现螺旋输送机出土口有少量的泥浆、泥砂涌出并有喷涌发生的征兆时，可以调节2#螺旋输送机的转速，使2#螺旋输送机转速小于1#螺旋输送机，这样由于于1#螺旋输送机输出的渣土多于2#螺旋输送机输出的渣土，使渣土很快在2#螺旋输送机内积聚而形成土塞，从而可以有效地防止喷涌的发生。
在掘进过程中突遇停电，立即将螺旋输送机前、后两个闸门关闭，并检查闸门是否关严实，如闸门未关严实应采用手动进行关闭，确保土仓内水和渣土不通过螺旋输送机涌入隧道；如遇特殊情况出现闸门无法关闭出现涌水、涌砂，隧道作业人员应沉着冷静，及时通过注聚氨脂等材料进行封堵。
3.3管片壁后注浆技术
1）同步注浆系统
同步注浆与盾构掘进同时进行，通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管，在盾构向前推进盾尾形成空隙的同时，采用同步注浆。注浆通过总量进行控制，确保其填充量。同步注浆系统采用3台注浆泵，盾尾内设置6条同步注浆管，6条备用同步注浆管。
（1）浆液配合比
材料选用：水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用F类Ⅱ型，膨润土采用钠级膨润土，砂采用Ⅱ级细砂，水采用自来水。
通过试验确定采用同步注浆配合比（重量比） 水泥：粉煤灰：膨润土：砂：水=200：300：75：475：570。
（2）注浆压力
注浆压力控制在0.15～0.20MPa范围内。
考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力将不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。
（3）注浆量
根据刀盘开挖直径和管片外径，可以按下式计算出一环管片的注浆量，注浆量取环形间隙理论体积的1.5～1.8倍[3]。
V=π/4×L×（D2-d2）
（4）注浆时间和速度
在不同的地层中需根据不同凝结时间的浆液及掘进速度来具体控制注浆时间的长短。做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间。
注浆量和注浆压力达到设定值后才停止注浆，否则仍需补浆。
同步注浆速度与掘进速度匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。
（5）注浆结束标准
采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值，注浆量达到设计值的85%以上时，即可认为达到了质量要求[4]。
2）补充注浆系统
根据工程实际情况（如管片渗漏、隧道沉降等），可采取在盾尾数环后的管片注浆孔进行补充注浆，注浆通过压力进行控制，减少后续沉降。补充注浆系统设置A液泵、B液泵、A液储浆罐、B液储浆罐；A液泵采用AE4H100，工作能力为3.5m3/h，B液泵采用AEB4H123，工作能力为1m3/h。
双液浆采用水玻璃和水泥浆，水玻璃和水泥浆的比例为1：1，水玻璃为23～26°Bé，水泥浆水灰比1：1，浆液初凝时间设计为20～40S，注浆压力控制在0.45～0.55MPa范围内。
3.4盾构掘进参数控制技术
富水圆砾地层在受盾构机掘进扰动后其稳定性较差，易产生沉降，如果盾构掘进参数控制不当，将造成地面沉降过大，将有可能导致沿线管路或建构筑物破裂或损坏。如果在道路下方掘进施工一旦造成道路沉陷、坍塌，将可能造成重大人员伤亡或财产损失。
1）掘进参数控制
（1）土仓压力（刀盘中心）
盾构掘进期间土压控制在0.8～1.1bar，平均0.9bar。
（2）出土量
出土量控制在60～65 m3。
（3）掘进速度
始发掘进时，掘进速度较低在10～30mm/min，之后掘进速度稳定在30～35mm/min。
（4）推力
始发段严格控制推力，保证反力架稳定，盾构机在20环掘进前，推力控制在9000KN以内，20环之后，推力逐渐增加到9000-11000KN。
（5）同步注浆压力
同步注浆，注浆压力稳定在0.15～0.2Mpa之间。
（6）同步注浆量
同步注浆，注浆量稳定在6～7m3之间（隧道结构外径6m）。
2）沉降控制
（1）渣土改良
采用泡沫注入、加泥浆、加膨润土等多元化碴土改良方式，尽可能实现满仓掘进，保持土仓压力，防止隧道拱顶和撑子面变形过大。
（2）通过中盾体隋性浆液注入口对开挖间隙在同步注浆前进行提前填充。
（3）保证注浆量
①采用两套注浆系统，同步注浆和补浆系统，补充注浆可进行双液注浆，确保注浆量满足要求。
②根据理论计算，管片和围岩间的施工空隙体积为4.05m3，根据以往类似工程施工经验，要达到较好的填充效果，含圆砾地层中至少应保证注浆量在150%以上，并按注浆量和注浆压力进行双控。
（4）避免超挖
①综合考虑各地层松散系数和地下水等因素，事先计算出每一环理论出土量。掘进时，做好实际出土量统计，并与理论值对比。根据对比情况实时调整掘进参数。
②根据统计超挖位置和超挖量，通过盾尾注浆及时将超挖量回补，必要时在超挖部位进行二次注浆或采用双液浆补注。盾尾注浆孔口的注浆压力应大于隧道埋深处的水土压力。
（5）加强施工监测
在盾构施工及相关辅助工程（比如地基加固、跟踪注浆等）的施工过程中，针对相应范围内的隧道结构、地层地表、建（构）筑物及地下管线，进行系统全面的监控测量，实行信息法施工。根据监测反馈信息，调整、优化各项施工参数，以确保盾构施工安全和建（构）筑物、地下管线的正常使用，必要时采取应急措施。
（6）沉降控制效果检查
①中线点累计沉降
通过观测记录，主要沉降规律为：盾尾通过一次沉降1～2mm，之后稳定。
②建构筑物累计沉降
周边建构筑物累计沉降在5mm以内，盾构施工未对周边建构筑物造成不良影响。
③管线累计沉降
周边管线累计沉降在10mm以内，盾构施工未对周边管线造成不良影响。
4. 施工安全要求
1）施工前做好技术交底工作，使施工人员了解施工过程的内容、注意事项和准备工作，同时明确组织机构，成立吊装指挥小组，负责整个过程的指挥工作；
2）施工应对参加施工的机械、工机具进行认真检查，确认其性能及状况，防止施工意外；
3）注意盾构机内的管线保护，不得踩踏和撞击；
4）听从指令，作业人员要有对讲机以确保发出的指令准确传递；
5）及时清理积水和垃圾。千斤顶的推杆不得受硬物伤害，要保持洁净，按规定涂润滑脂。要保持机器的洁净。要注意作业面滑行现象，不得穿带钉易滑的鞋；
6）不得擅自调整原有设备的状态，发现异常要及时向值班工程师报告；
7）掘进时发现异常现象要及时离开并通知作业面附近的员工。
5. 结论
（1）富水圆砾地层中渣土一般以泡沫改良为主，以膨润土改良、聚合物改良为辅。
（2）相对于普遍使用的单螺旋输送机，双螺旋输送机技术可以有效降低喷涌对土压平衡盾构施工的影响。
（3）多元化渣土改良、双螺旋输送、管片壁后注浆、盾构掘进参数控制等措施，虽然需要增加大量投入，但可以有效减少盾构机在富水圆砾地层掘进过程中对周围土体的扰动、有效控制地表沉降，社会效益和环境效益远远大于施工投入。
参考文献：
[1] 杨书江.富水砂卵石地层盾构施工技术.人民交通出版社.2011.
[2] 王建伟.富水圆砾地层中复合式土压平衡盾构施工技术.福建建设科技.2014.
[3] 胡长明、张延杰、谭博、穆世旭、梅源.富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道渣土改良试验研究. 现代隧道技术.2017.
[4] 胡明达.富水砂砾石地层盾构施工风险分析及控制 工程科技.2014.
论文作者:陈博
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/9/18
标签：盾构论文; 注浆论文; 渣土论文; 管片论文; 双螺旋论文; 地层论文; 压力论文; 《基层建设》2018年第27期论文;