土壓平衡盾構(gòu)在粘土地層中的掘進(jìn)控制

謝胡明

摘要：土壓平衡盾構(gòu)在粘土地層施工中容易受到眾多因素的影響，從而降低掘進(jìn)的速度和施工質(zhì)量。本文結(jié)合合肥地鐵3號(hào)線(xiàn)土建14標(biāo)工程實(shí)例，在分析土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析了影響土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工的因素，并提出相應(yīng)的控制措施，在實(shí)際施工取得了良好效果，值得大力推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu);粘土地層;掘進(jìn)控制;注漿方法

土壓平衡盾構(gòu)在粘土地層施工中，容易受到地層滲透系數(shù)、漿液浮力、盾構(gòu)反向推力等因素的限制，從而影響掘進(jìn)控制的效果。需要采用選擇合理的注漿方法、控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、管片螺栓三環(huán)復(fù)緊等措施進(jìn)行處理，才能促使掘進(jìn)工作保質(zhì)保量的完成。基于此，本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)土壓平衡盾構(gòu)在粘土地層中的掘進(jìn)控制做了如下分析，希望對(duì)同類(lèi)工程施工有一定的參考和借鑒。

1工程概述

1.1地質(zhì)條件

合肥市軌道交通3號(hào)線(xiàn)TJ14標(biāo)盾構(gòu)區(qū)間工程，雙線(xiàn)總長(zhǎng)度為2673m，隧道區(qū)間土層主要包括：素填土、粉質(zhì)粘土、泥質(zhì)砂巖等，隧道埋深在10.02-21.5m之間。區(qū)間下穿2座市政道路橋、1座人行天橋及一小區(qū)普通地下室、人防地下室，側(cè)穿一小區(qū)臨街商鋪。隧道管片外徑為6m，內(nèi)徑5.4m，環(huán)寬1.5m，通過(guò)3塊標(biāo)準(zhǔn)塊，2塊鄰接塊以及1塊封頂塊共同組成。地下水位在地面以下3-5m之間，地下水主要賦存于人工填土中，以上層滯水為主。

1.2設(shè)備選型

本工程施工中，采用的是兩臺(tái)北方重工土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，屬于典型的被動(dòng)鉸接平衡盾構(gòu)機(jī)。刀盤(pán)開(kāi)挖直徑為6280mm，盾體直徑：前盾6262mm，中盾6250mm，尾盾6240mm。本機(jī)總推力為3400t，推進(jìn)功率為55kW，刀盤(pán)最大扭矩為5520kN·m，刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)電功率為660kW。

2土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)要點(diǎn)

在土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，常用的施工方式有兩種，一種是化學(xué)注漿，高壓噴射法，直接對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖完成的地層進(jìn)行加固和處理，并對(duì)開(kāi)挖面的地下水壓進(jìn)行平衡和處理，盾構(gòu)機(jī)可直接貫入開(kāi)挖面;第二種是根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)斷面尺寸的大小，一邊掘進(jìn)一邊通過(guò)注漿進(jìn)行加固和處理。

在土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，常用的施工模式有三種，一種是土壓平衡;一種是敞開(kāi)式;另一種是半敞開(kāi)式。就案例工程而言，土質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于典型的粘土地層，圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較差，因此，在具體施工中，采用了土壓平衡施工模式。此項(xiàng)模式在具體施工中，填充刀具在切削下來(lái)的土直接進(jìn)入腔室，以保證倉(cāng)室和作業(yè)面水壓和土壓的均衡性，可保障施工的穩(wěn)定性和安全性。如果圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性比較差，則可以根據(jù)實(shí)際情況，注入適量的壓縮空氣，進(jìn)一步提升機(jī)艙室內(nèi)壓力，促使機(jī)艙中的壓力略大于水土壓力，從而避免發(fā)生塌方事故。總而言之，選擇合理的盾構(gòu)掘進(jìn)方式，既能保證施工質(zhì)量和安全性，又能提升施工效率。

3影響土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的主要因素

盾構(gòu)掘進(jìn)施工，管片上浮是影響掘進(jìn)施工質(zhì)量和效率的主要因素，研究和施工實(shí)例表明，直徑在6m左右的盾構(gòu)隧道管片上浮量在10-60mm之間，某些特殊地段管片上浮量可能超過(guò)100mm。在本工程施工中，在始發(fā)段發(fā)生了大規(guī)模管片上浮現(xiàn)象。土壓平衡盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程，盾構(gòu)姿態(tài)和設(shè)計(jì)軸線(xiàn)比較，低于控制軸線(xiàn)10-30mm。管片上浮現(xiàn)象嚴(yán)重制約土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)速度。為獲知管片上浮的原因，從地下水浮力、盾構(gòu)姿態(tài)、漿液性能、管片螺栓復(fù)緊等方面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致管片發(fā)生上浮現(xiàn)象的主要原因包括以下幾個(gè)方面：

3.1地下水滲漏系數(shù)過(guò)大

就案例工程而言，為粘土地層，地下水的滲透系數(shù)比較大，盾構(gòu)掘進(jìn)完成以后，管片外側(cè)建筑間隙中充滿(mǎn)了地下水或者水泥漿液，從而導(dǎo)致管片一直處于懸浮狀態(tài)。本工程選擇的盾構(gòu)管片，管片是外徑6m，內(nèi)徑5.4m，環(huán)寬1.5m，混凝土密度以2.5t/m3進(jìn)行計(jì)算，則一環(huán)管片的自重應(yīng)當(dāng)為161kN，而一環(huán)管的排水體積大約為33.9m3，浮力為339kN。從這兩組數(shù)據(jù)中可以看出，管片所受的浮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管片的自重，從而發(fā)生了管片上浮現(xiàn)象。

3.2管片所受的浮力大于重力

盾構(gòu)管片在未凝固的漿液中，如果浮力大于重力，就必然會(huì)發(fā)生管片上浮現(xiàn)象。此外，土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，管片壁后注漿時(shí)漿液的性能對(duì)粘土地層變形、管片上浮等現(xiàn)象均有非常大影響。從本工程特性而言，在進(jìn)行同步注漿時(shí)漿液的性能需要滿(mǎn)足以下性能：

（1）要具有充填性和和易性并且不會(huì)發(fā)生離析現(xiàn)象;（2）要具有早凝固的特性，并且越早凝固施工效果越好;（3）稠度要適中，避免被地下水稀釋。但在具體施工中，受到多種因素的影響，漿液質(zhì)量幾乎不可能同時(shí)滿(mǎn)足這三點(diǎn)要求，一旦泥漿發(fā)生離析，在沉淀的砂會(huì)進(jìn)入管片背后間隙，推動(dòng)管片線(xiàn)上移動(dòng)，從而發(fā)生管片上浮現(xiàn)象。

3.3盾構(gòu)的反向推理

盾構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)形成反向推力，導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)、盾尾姿態(tài)、管片姿態(tài)無(wú)法良好的重合，存在一定的夾角。而土壓平衡盾構(gòu)施工的始發(fā)段為下坡地段，在掘進(jìn)過(guò)程中，推進(jìn)系統(tǒng)中上部壓力會(huì)大于下部分組壓力。而土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)在運(yùn)行中推力方向?yàn)樾焙蠓较蛏?，可分解為一個(gè)水平方向和一個(gè)豎直方向上的分力，豎直方向上的分力，也是導(dǎo)致管片上浮的主要原因。在土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，管片多采用螺栓連接，在注漿漿液凝固之前，主要是通過(guò)螺栓來(lái)固定，一旦螺栓發(fā)生松動(dòng)問(wèn)題，就會(huì)到站時(shí)管片發(fā)生錯(cuò)臺(tái)和上浮現(xiàn)象。

4土壓平衡盾構(gòu)在粘土地層掘進(jìn)中的控制措施

4.1選擇合理的注漿方法

選擇合理的注漿方法是解決管片上浮現(xiàn)象的主要措施之一，大量工程實(shí)例表明，在土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，只要盾構(gòu)管片浸泡在地下水或者漿液中，管片就存在上浮的趨勢(shì)。在盾構(gòu)管片連接過(guò)程中，主要為螺栓連接法，屬于一種剛性固定法，在長(zhǎng)時(shí)間緊固作用下，會(huì)發(fā)生機(jī)械疲勞，從而降低緊固的效果。盾構(gòu)管片在施工2-3環(huán)以后，會(huì)受到盾尾約束力的影響，并會(huì)發(fā)生上浮問(wèn)題，在此階段，只要漿液完成凝固，則管片上浮的現(xiàn)象就會(huì)被抑制。因此，通過(guò)調(diào)整注漿方式，提升漿液凝固的速度可有效解決管片上浮現(xiàn)象，在本工程施工中，主要是通過(guò)同步雙注漿的方法遏制管片上浮，此種注漿方法可促使?jié){液盡快凝固。

我國(guó)目前土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工中多采用水泥砂漿進(jìn)行注漿，從注漿設(shè)備性能的角度而言，并不能滿(mǎn)足這一要求，此時(shí)就只能通過(guò)改變水泥砂漿的性能和注入方式進(jìn)行解決，具體而言，可以從以下兩個(gè)方面人手：其一，調(diào)整水泥砂漿的配合比，提升漿液的和易性，降低離析效率，控制砂漿的初凝時(shí)間在4-6h之間;其二，在土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，要及時(shí)在盾構(gòu)尾部5-10管片的上面進(jìn)行二次雙漿液注漿。

4.2科學(xué)控制掘進(jìn)參數(shù)

漿液的凝固時(shí)間和土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)速度之間有非常緊密的聯(lián)系，掘進(jìn)速度越快，砂漿就無(wú)法及時(shí)凝固，從而引發(fā)管片上浮現(xiàn)象。因此，在具體施工中，必須嚴(yán)格控制土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的速度。特別是同步注漿水泥砂漿的盾構(gòu)設(shè)備，需要對(duì)掘進(jìn)的速度進(jìn)行嚴(yán)格控制才能保證施工質(zhì)量，每天施工量控制在10-12環(huán)為最佳。如果掘進(jìn)速度過(guò)快，在需要進(jìn)行頻繁糾偏，不利于施工速度和施工質(zhì)量的提升，從而影響盾構(gòu)管片受力的均勻性，致使土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)姿態(tài)、盾尾姿態(tài)、管片姿態(tài)之間的角度過(guò)大，使得管片豎向分力增加，進(jìn)而引發(fā)管片上浮現(xiàn)象。此外，在土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，還要嚴(yán)格控制盾構(gòu)的姿態(tài)，促使盾構(gòu)機(jī)在設(shè)定的軸線(xiàn)上前進(jìn)，如果發(fā)生偏差，及時(shí)糾正，避免猛糾或急糾，以保證管片環(huán)面受力均勻性。

4.3采用管片螺栓三環(huán)復(fù)緊措施

在土壓平衡盾構(gòu)管片螺栓復(fù)緊中，人為影響因素比較大，任何環(huán)節(jié)控制不當(dāng)，都會(huì)對(duì)盾構(gòu)管片的施工質(zhì)量和穩(wěn)定性造成影響。因此，在土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，需要定期檢查螺栓連接情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，避免因?yàn)槁菟ㄟB接緊度不足，而導(dǎo)致管片發(fā)生上浮現(xiàn)象。在具體施工過(guò)程中，為最大限度上保證螺栓連接的緊固性，要求現(xiàn)場(chǎng)從剛拼裝成環(huán)管片到拖車(chē)操作室中進(jìn)行復(fù)緊。此外，在具體施工中還要高度重視盾構(gòu)管片的直徑問(wèn)題。如果螺栓的直徑小于設(shè)計(jì)直徑，則螺栓穿過(guò)管片中預(yù)留的螺栓孔以后，間隙會(huì)比較大，緊固以后就會(huì)容易發(fā)生松動(dòng)，從而引發(fā)管片上浮問(wèn)題，因此，在盾構(gòu)管片安裝前需要對(duì)管片的直徑進(jìn)行全面復(fù)核，確認(rèn)達(dá)到施工質(zhì)量要求后，才能應(yīng)用到施工中，從根本上保證施工質(zhì)量。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合工程實(shí)例，分析了土壓平衡盾構(gòu)在粘土地層中的掘進(jìn)控制，分析結(jié)果表明，在粘土地層掘進(jìn)施工中，受到土質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，極易發(fā)生盾構(gòu)管片上浮現(xiàn)象，從而影響土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的效率和質(zhì)量。通過(guò)分析可知，引發(fā)盾構(gòu)管片上浮的原因主要包括：地下水滲漏系數(shù)過(guò)大、管片所受的浮力大于重力、盾構(gòu)的反向推理、管片螺栓復(fù)緊等。為保證施工質(zhì)量，可以從選擇合理的注漿方法、科學(xué)控制掘進(jìn)參數(shù)、采用管片螺栓三環(huán)復(fù)緊措施等方面入手，在提升施工速度的基礎(chǔ)上，保證施工質(zhì)量。