摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，在盾构施工过程中土层的状态各不相同，而部分土层结构会极大地增加盾构施工难度，如在富水砂层盾构施工时就极易出现地层的沉降与塌陷，针对这一问题施工人员优化了富水砂层盾构施工技术并取得了良好的收效。
关键词：富水砂层;盾构施工;掘进参数;渣土改良
引言
盾构在富水砂层中施工，除存在较大的施工风险外，还会遇到众多的施工难点。文章以沈阳地铁为例，从盾构的选型与性能设计、掘进参数的合理选择、渣土改良方案比选与实施等方面介绍富水砂层中土压平衡盾构施工的一些关键技术，为类似施工提供参考。
1工程概况
沈阳地铁九号线一期工程土建施工第二十三合同段曹仲车辆段出入段线于2016年8月19日正式开工，本标段位于沈阳市和平区蓝海经济开发区曹仲屯村，沿民致街进入车辆段，出入段线全长1.985km。施工方法为明挖法+盾构法。 本工程正线区间设两处盾构井，一号盾构始发井结合轨排井修建，盾构井总长58m；二号盾构接收井位于民致街西侧曹仲屯村农用地内，盾构井长16.2m；出入段线盾构段区间左线起点里程为左CRK0+573.60,终点里程为左CRK2+137.67，左线长1566.611m；右线起点里程为右CRK0+573.60,终点里程为右CRK2+137.00，右线长1563.4m，在右CRK1+530处设置联络通道兼泵房；出入段线明挖段全长346.8m；出入段线出地面后采用U型槽区间，U型槽段全长260m。本盾构区间（CRK0+573.600～CRK2+137.000）从1#盾构井始发向南掘进，在CRK0+638.000处下穿新建直径2m砼排水管；在CRK0+600~CRK1+945段下穿多栋建构筑物。盾构区段下穿沈阳鑫汇特种纸业有限公司厂区、沈阳永兴化工厂、中国船舶重工集团公司沈阳辽海机械厂、北方实业工业园、沈阳国际（韩国）学校、宝仁食品厂等厂区，然后经过R800米右转曲线，沿着民治街方向掘进，最后到2#盾构井。盾构区间纵断面整体成“V”字坡，顶板覆土8.6～14.4m，隧道结构所处地层主要为圆砾土、中粗砂层，局部为细砂层。由于业主要求九号线于2018年6月底前全部洞通，主体结构全部完成，且我项目部目前两台盾构均已下井，无法停止施工，工期较紧，故盾构区间及明挖区间需要冬期施工。
2盾构选型
盾构机选型原则：主要在工程及水文地质、区间隧道设计及施工条件、环境条件的基础上，参考国内外已有的类似盾构工程经验，特别是同一地区盾构隧道工程的经验，遵循安全可靠、适用、经济、先进、环保的原则来选型。通常渗透系数大于10-7m/s时，选用泥水盾构；渗透系数小于10-4m/s时，选用土压平衡盾构。根据这种关系，若地层以各种级配富水的砂层、砾砂为主时，宜选择泥水平衡盾构，其他地层的组合宜选择土压平衡盾构。土压平衡技术（EPB盾构）适合在含有足够的细颗粒软土地层里开挖隧道，土仓和螺旋输送机里的混合土应呈现塑性，比较理想的颗粒尺寸的地层包括粘土、淤泥、砂以及砾石等，并且含有25%～30%的水分。在细颗粒较少的富水砂砾地层，配备必要的渣土改良系统，充分改良渣土使其具有良好的的流塑性，以满足土压平衡盾构施工的需要。
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3掘进问题及措施
在进行富砂层盾构施工时，掘进过程主要会引发地表的隆沉，这一过程随着盾构施工的进行也会出现一定的变化，在盾构机掘进前期，随着盾构机的靠近原始土层中富含的水分会出现流失从而导致地下水水位下降，而砂层自身结合并不紧密因此也会出现小幅的塌陷。当盾构机到达时由于盾构机的作用其切口附近的地表也会随着掘进工作出现状态的变化，变化类型与盾构机掘进参数有关，当设计土压值较小时地表会出现沉降，土压值较大时则会发生隆起。盾构掘进过程中，盾尾注浆状态也会影响富水砂层的状态，富水砂层自身结构较为松散且含水量大，掘进过程中一旦注浆不及时其内部水分发生流失从而引发大幅沉降，而当注浆量过大时也会导致砂层结构的变化从而出现隆起，因此注浆工作是保障富水砂层盾构施工稳定性的关键。本次施工中施工人员结合施工区段的地质条件状况及富水砂层盾构施工特点设定了盾构机的掘进参数。在盾构掘进施工过程中施工人员结合富水砂层结构不稳定易受外界因素波动干扰的特点严格控制盾构正面平衡压力，防比过量超挖、欠挖，尽量减少平衡压力的波动，同时严格控制盾构推进速度，尽量做到均衡施工，减少对周围土体的扰动并避免在途中有较长时间耽搁。而且在掘进时注意保持掘进参数的稳定，保持盾构推进总推力维持在1700-2000t，防止推力不适引起的地面沉降，另外刀盘转速为1r/min，扭矩则控制在2000-3000kN.m之间，保障施工过程不会对砂层造成过大的干扰。此外，土仓压力也是影响地表状态的关键，在本次施工中设计人员使用朗金理论计算主动土压力与被动土压力，在进行主动土压力计算时使用静压力计算方法，通常稍大于土压与水压之和，而在实际施工过程中施工人员需要结合地表状态变化及时调节土压参数，通过改变排土量、掘进速度等保持土压平衡。在富水砂层盾构施工中除了地表的隆沉问题外，由于富水砂层土体流动性强且渗透率高其容易出现喷涌问题。喷涌问题是指盾构机在进行排土时出现渣土的喷溅，这是因为富水砂层土体内部含水量较高且渗透率高，这样盾构机土仓难以完全平衡外部的水压，导致渣土在出土口位置仍具有一定的压力从而出现喷涌。而且在盾构机掘进过程中土体会通过刀盘上的渣槽结构进入土仓，而在富水砂层盾构施工时由于土体含水量过高其粘度较大，土体容易在刀盘中央的渣槽处聚集并压实，当刀盘中央渣槽出现泥饼堵塞时土体会向四周扩散，而随着土体流量的增加周边的渣槽也会出现粘土聚集的现象，同时，土仓内部的土体也会被压实。此时刀盘与土层间的摩擦力也会大幅提升，因此在掘进时刀盘处温度会显著升高，随着温度的升高原本压实的土体也会被烧结而形成坚固的泥饼，当泥饼形成后刀盘难以继续开掘土体，盾构机也会出现停滞。在富水砂层盾构施工中出现的泥饼固结及喷涌问题都是由于土体含水量高、流动性强且渗透率高所导致的，因此在本次施工中施工人员结合以上特性优化了渣土改良过程。盾构施工中渣土改良主要是为提升渣土的流塑型同时调节渣土的渗透率、稠度及阻力，便于盾构机保持土压的平衡同时改善渣土排出效果。目前在渣土改良中主要使用的有泡沫剂、膨润土及水，但是由于富水砂层中自身较高的含水量，因此，本次施工中在进行渣土改良时主要使用的是泡沫剂及膨润土。泡沫剂的使用主要是为了改善土体的流塑性，使用泡沫剂后土体便不易在刀盘的渣槽出聚集，且由于土体可顺畅地从排土器排出，其也不会在盾构机下方聚集，盾构机前进过程阻力也会随之降低。而且使用了泡沫剂之后可以部分降低富水砂层土体的渗透率，这样在土体开掘时土层地下水流失问题可以得到改善从而保证掘进过程中的土层稳定。
结语
富水砂层盾构施工中，由于土体高含水量、高渗透率的特征施工时极易出现喷涌、结块及地面沉降等问题。针对这一现状施工人员结合前期的地质水文勘察合理制订盾构机掘进参数并计算土仓压力，统计选用适宜的泡沫剂及膨润土进行渣土改良，保证了盾构掘进过程的顺利进行。与此同时施工人员还结合土体特性设计浆液配比，同时严格控制注浆操作，有效避免了地表沉降，满足地铁施工的需求。
参考文献：
[1]徐乐.富水砂层中土压平衡盾构施工的技术措施[J].工程技术:文摘版，2016(2):69.
[2]翟新文.富水砂层土压盾构始发技术[[J].江西建材，2017(3)165-166
论文作者:刘申
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/13
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