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摘要：伴随人们经济活动的日益频繁和生活水平的提高，有限的地表空间资源越来越显得捉襟见肘，于是，人们把视线转移到地下空间的开发，地下工程的施工建设越来越多。特别是在交通领域，地铁、管廊、饮水等工程的施工建设在地下工程施工建设中占重要地位，也使得盾构工法得以广泛应用。土压平衡式盾构机是我国地下工程开挖施工的主要机械设备，但是面对富水砂层这样的不利地质，除了要严格按照规范要求进行施工外，还要根据地质条件所带来的问题采取有效的方法予以解决，这样才能使施工顺利进行，同时保证工程质量。
关键词：盾构机；下穿富水砂层；风险源；施工技术
1 工程概况
1.1工程简介
本文以哈尔滨地铁2号线人民广场站～中央大街站区间为模型，对盾构机下穿富水砂层及风险源施工技术进行研究。人民广场站～中央大街站区间为双单洞单线隧道，区间线路起自人民广场站大里程端，然后沿经纬街敷设，终至中央大街站小里程端。
区间左线线路自人民广场站大里程端出发，前行至XK16+166.342处进入圆曲线半径为1500m的曲线段，后至XK16+320.487处转直线前行，再至XK16+491.345处进入圆曲线半径为3000m曲线段，最后至XK16+557.489处转直线进入中央大街站小里程端。
区间主要临近建筑物如商住楼等与区间结构最小净距为5.5m，区间上方存在燃气管线和给水管线，埋深不足2m，距离隧道顶约8m
1.2 工程地质描述
根据本线路所处地貌单元勘探揭示的地层结构，勘探深度内场地地下水可分为上层滞水、孔隙潜水、孔隙承压水。本区间位于松花江漫滩区，主要为第四系全新统孔隙潜水与下更新统砂砾石层孔隙承压水。
人中区间地质自上而下分布为：①杂填土、<2-1-1>粉质粘土、<2-2>粉砂、<2-3>细砂、<2-3-1>中砂、<2-4>中砂、<2-4-1>砾砂及<2-4-2>粉质粘土层，本区间盾构洞身穿过地层主要为<2-3-1>中砂、<2-4>粉质粘土、<2-4-1>砾砂及<2-4-2>粉质粘土层。
区间盾构均在地下水位线以下掘进，其中区间右线在中砂中掘进225.69m，在中砂及粉质黏土复合地层中掘进533.76m。
2 面临技术难题
2.1 防止地面塌陷
砂层段含水率高，具有微承压性，盾构掘进时涌水将砂层中的细沙冲出，极易造成地层形成空洞，进而反射到地面，造成地面塌陷。
2.2 风险源地面沉降
区间存在7栋临近建筑和两条压力管线（燃气和给水），距离区间结构最小水平净距5.5m。当盾构施工到此处时，由于盾构在砂层中施工造成的刀盘扭矩、总推力过大，盾构往前掘进相对困难等各种因素，导致盾构施工时盾构刀盘对地层的扰动加大，盾构出渣总量控制困难等使得建筑物或管线基础出现不均匀沉降，导致建筑开裂或者管线破损。
2.3 螺旋机喷涌
螺旋机喷涌的原因主要有富水地层开挖面富水、盾构不能连续掘进、已成型盾构隧道同步注浆液没有完全充实衬背空隙以致留下流水通道等。喷涌-停机-喷涌，如此恶性循环，盾构掘进缓慢。
3盾构机操作关键点
盾构机在掘进的过程中，会遇到多种问题，特别是在富水砂层的施工中，因富水砂层的地质特点常常会带来地表沉降、流砂、喷涌等多方面的问题。为了对这些问题进行有效的预防和控制，盾构机的操作技术就显得尤为重要。笔者结合工程概况、地质条件和实际工作经验，对于盾构机在操作过程中的技术关键点进行归纳和总结，得出以下几点结论，以供参考：
盾构机在采取土压平衡模式进行掘进施工的过程中，需要对开挖面土体的稳定性进行准确的计算，以此为参考条件来进行各项参数的设定，并对盾构机的掘进姿态、土压力进行控制，从而达到预防地表沉降的目的。盾构机在富水砂层的掘进施工，保持向上的掘进姿态，速度保持高于30mm/min的状态，严格控制出土量。在掘进的过程中尽量保持较高的、均匀的速度持续向前掘进。注意土仓顶部压力的控制，特别是当油缸行程在1600～1700mm之间时，要注意尽量控制出土量，土仓顶部压力保持在0.18～0.20MPa的范围内为宜。
盾构机在掘进的同时向仓内注入高分子聚合物或膨润土，这样做的目的在于使掘进产生的渣土流动性提高，同时使渣土具有一定的止水性，这对于预防流砂和喷涌具有重要的意义，也利于渣土的顺利排出。一旦发生喷涌，要采取有效措施应对，迅速将排渣门关闭同时螺旋机停转，如果顶部土压在合理范围内可继续掘进。然后排渣门呈半开状态利用土压挤出砂土，待砂土不再自动流出重新启动螺旋正常出土。
尽可能的使盾构机保持连续掘进的状态，掘进期间减少停顿。地面沉降的发生与注浆量有着密切的联系，注浆量过少会加大地表沉降的发生机率，注浆过多又容易发生窜浆。特别是在富水砂层，注浆控制难度加大，要时刻根据地面情况对注浆量进行调整，保证能填满空隙即可。砂浆胶凝时间与砂浆配比有直接的关系，要对胶凝时间进行良好的控制，就一定要按照配比标准来进行砂浆的配制，切不可根据经验粗略估计来进行配比。
盾构机的掘进姿态对于掘进质量有很大的影响，富水砂层本身在承重方面就很弱，盾构机在运行中本身又会产生振动，姿态很容易就发生下沉或者抬升的变化。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在实际掘进中，要始终保持盾构机呈向上的姿态，以4mm左右为宜，如果机头出现下沉则需要立即对姿态采用千斤顶进行调节，在调节过程中要注意防止管片错台。
4关键技术及实施
4.1掘进参数优化
（1）把每环1.2m分成4段，严格控制每段30cm的出土量，砂层总出土量控制在39～42m3/环，粉质黏土层总出土量控制在44～48m3/环。（2）降低刀盘转速，控制在1.2～1.5rpm/min。尽量小扭矩小推力掘进，尽量减少对地层的扰动。（3）盾构机掘进时尽量避免停机，保证匀速推进，刀盘转速和掘进速度不宜过大，尽量减小地面扰动具体掘进参数控制如下：推进平均速度30～60mm/min，峰值≤80mm/min。刀盘扭矩控制在3500N·m以内。总推力控制在15000kN以内。（4）隧道上部覆土埋深在10m左右时，在不纠偏的情况下，上部土压宜控制在0.08～0.12MPa之间，纠偏情况下根据当时情况而定。注意观察上土压与左右土压的差，如果差异较大，考虑土体的和易性，检查渣土改良的效果。在过砂层阶段，中左和中右差异大时，按最小值≥0.10MPa；上左和上右差异小时，按最小值≥0.08MPa（可根据实际情况作适当地调整）。在过风险源时，如果推力和扭矩在可控范围内，可适当提高土仓压力，最高≤0.15MPa。盾构机短时间停机时，上土压≥0.08MPa；盾构机长时间停机时，上土压≥0.1MPa，同时往土仓和同步注浆管路注入膨润土。
4.2 土体改良
有必要时，采取添加化学药剂以改变渣土的和易性和流塑性降低刀盘扭矩。每环推进前要提前注入泡沫，推进过程要严格控制泡沫和水的注入量，转动刀盘，保证盾构机推进过程泡沫注入口的通顺；也可采用专门针对砂层配置的泡沫（聚合型）对渣土进行改良；在过风险源处添加膨润土对渣土进行改良。
4.3 洞内注浆
4.3.1 同步注浆
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4根注浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行。同步注浆与盾尾空隙形成在瞬间产生，从而使周围土体获得及时的支撑，可有效地防止土体的坍陷，控制地表的沉降。
同步注浆材料为水泥砂浆，由水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水和外加剂等组成。注浆可根据需要采用自动控制或手动控制方式，自动控制方式即预先设定注浆压力，由控制程序自动调整注浆速度，当注浆压力达到设定值时，自行停止注浆。手动控制方式则由人工根据掘进情况随时调整注浆流量，以防注浆速度过快，而影响注浆效果。一般不从预留注浆孔注浆，以降低从管片渗漏水的可能。
4.3.2 管片壁后注浆
根据同步注浆填充量不足、地面变形过大、过建筑物等地段须进行二次注浆。二次注浆材料通过吊装孔进行，可选用水泥-水玻璃双液浆、水泥砂浆或二者混合使用，在管片出台架后进行，注浆压力为0.2～0.6Mpa。
注浆前需在起吊孔内装入单向逆止阀并凿穿外侧保护层。在一台砂浆泵的输浆管上装有一个分支接口，通过该接口即可实施管片注浆。二次注浆一般采用手动控制。
4.4 加强监控量测
4.4.1 地表沉降监测
沿结构的中线的正上方地表布置监测点，监测点纵向间距10m；结合原盾构隧道监测点选择3个横向监测断面，严密监控风险源处地表沉降。地表沉降值≤30mm，地表隆起值≤10mm。
4.4.2 风险源变形监测
用光学测微法进行观测。测前应对仪器、标尺进行检定，每次测前应对仪器I角进行检测，I＜15〃。首次观测可采用单程双测站观测，其后可采用单程单测站观测，监测点必须构成闭合环。监测频率：距掘进面＜20m时，1～2次/d；距掘进面＜50m时，1次/2d；距掘进面＞50m时，1次/周。沉降值≤20mm。
4.4.3 管线沉降监测
监测点的布设采用直径18mm的螺纹钢，长度超过道路面层，与地下管线相衔接，管线点布置方法与地表沉降点布设一样，其余的主要布设在管线工作井内，直接布设在管线本身。沉降值：+10～-20mm（无压）、+10～-10mm（有压）。
5 施工效果
5.1 地面沉降效果
通过采取各种措施，在过砂层地段掘进过程中，地面最大沉降累计量＜10.0mm，保证了路面和房屋的沉降量在设计允许范围内（设计值≤30mm），对路面环境的影响较小，而且有效保证了临近建筑物和上方管线的安全，未发生任何建筑物开裂或管线破损事故。
5.2 土体改良效果
通过室内试验，并结合实际应用及监测结果表明：泡沫和膨润土同时使用不仅可改良全断面粉细砂层的流动性，而且降低了渗透性，既有利于防止喷涌、防止闭塞，通过大量膨润土的注入又降低了地层的空隙，减少了泡沫的消散和损失，保证了仓压的稳定，很好地控制了地面沉降。
6质量、安全、环保的控制要点
6.1质量控制要点
因为是同步注浆，砂浆的质量尤其重要，砂浆要严格按照要求进行配比，切忌不可偷工减料，不可盲目配比，一定要搅拌充分。在通过控制油缸来对盾构机进行姿态调整的过程中，不可过急过猛，避免造成管片错台。在盾构机向前掘进的过程中要注意对出土量加以控制，过多的出土容易造成地面沉降。
6.2安全控制要点
树立安全意识，遵守项目施工安全相关的各项管理制度，严格按照规范要求和标准进行操作，施工有序，将安全施工放在首位。地下工程的通风和照明对于施工尤其重要，要做好施工现场的照明工作，尽可能的创设通风、明亮、安全的施工环境。加强用电安全管理，保证施工用电的安全管理。对于易燃易爆其它的运输要严格进行管理，加强垂直运输的监管，对于水平运输也不能掉以轻心，谨防运输事故和意外火灾和爆炸事故。盾构机出土量要严格控制，切不可多出土，如果需要增加出土量需要向上级领导汇报，对安全状况评估后再进行施工。对地面情况适时检测，严防出现地面坍塌、沉降事故。因为场地空间十分有限，在对施工材料进行吊运的过程中要尤其加以注意。
6.3环保控制要点
在工地内要建立专门的物资堆放场所，严谨占用人行通道，对于材料和机械设备要严格按照规则制度进行管理和存放。树立环保意识，做好污水的排放和处理工作，设计必备的污水处理池，污水必须经过必要的处理后才可向市政排水管网排放，施工过程中产生的废浆和淤泥要用专车进行运输。施工现场要采取必要的措施控制粉尘，严禁乱焚乱烧现象。对于掘进过程中产生的油脂污染，要统一进行收集在进行有效的处理。成立专门的项目安全部和环保部，配备专门的管理人员和技术人员，做好安全和环保管理。
结论
从实践应用的效果来看，土压平衡盾构机在富水砂层施工的过程中，把握施工工艺和技术要点，可有效的控制掘进造成的地面沉降、喷涌，更好地解决了盾构机姿态问题，不仅有利于施工的顺利进行，对于保证工程质量和稳定性也具有重要意义。随着地下工程建设数量的不断增加，建设规模的不断扩大，盾构机会发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1]谢群，杨佳庆，高伟贤，等.土压平衡盾构机液压推进系统的设计[J].机床与液压，2013，1（6）：6.
[2]汪茂样.海瑞克土压平衡式盾构机[J].工程机械与维修，2014，2（1）：15.
论文作者:沙涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/8
标签：盾构论文; 注浆论文; 管线论文; 区间论文; 地表论文; 渣土论文; 地面论文; 《建筑学研究前沿》2018年第19期论文;