探讨地下工程施工中土压平衡盾构机穿越富水砂层的技术要点

探讨地下工程施工中土压平衡盾构机穿越富水砂层的技术要点
来荣国
摘要：土压平衡盾构机在富水砂层中的施工极具挑战性，施工中须采取一定的技术措施，避免盾构机在富水砂层作业中出现地层沉降、隧道喷涌、盾构姿态难控制等问题。本文就土压平衡盾构机的工作原理、工艺流程、操作要点及关键材料的配合比等施工技术要点进行探讨。
关键词：土压平衡盾构机施工技术富水砂层

1 概况
珠江三角洲城际快速轨道交通广州某地铁站盾构区间盾构工程需穿过富水砂层，区间地层含淤泥质粉细砂层、海陆交互中粗砂层、粉细砂层、中粗砂层。隧道埋深1.8～14.3m，隧道范围这几种砂层为良好的富水和透水地层，饱含地下水，渗透系数为8.62～29.11m3/日。
土压平衡盾构机的工作原理是通过在支撑环前面装置隔板的泥水舱中注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支撑正面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土体表面泥膜，与泥水混合后，形成高密度泥浆，然后由泥浆泵及管道把泥浆输送到地面处理。因此，在土压平衡盾构机通过富水砂层的地层时，须采取一定的技术措施，避免出现地层沉降、隧道喷涌、盾构姿态难控制等问题，否则影响施工进度和导致管片出现错台、漏水等问题。

2 施工工艺流程及操作要点
2.1 工艺流程
本次土压平衡盾构机过富水砂层施工中采用的施工工艺流程见图1 。

图1 施工工艺流程
2.2 操作要点
（1）采用土压平衡模式掘进，进行开挖面稳定计算，设定合理的掘进参数，控制盾构机姿态，控制土压力以稳定开作面，控制地表沉降，将施工对地层的影响减到最小。掘进过程土仓顶部压力控制在1.0bar，掘进速度控制在30mm/min以上，出土量不得大于50m3；盾构机姿态保持向上，趋势控制在范围±4mm。掘进的过程必须尽可能的快，中间尽量减少停滞时间。在掘进接近1600mm时根据土仓顶部压力减少或不出土，以使掘进至1800mm时土仓顶部压力达到0.2～0.3MPa范围。
（2）盾构掘进过程中向土仓内及刀盘面注入泡沫等添加材料, 改善渣土性能, 提高渣土的流动性和止水性, 防止涌水流砂和发生喷涌现象, 以利于螺旋输送机排土。出现喷涌时的解决措施：①关闭出土闸门，关掉螺旋机，在顶部土压不超限的情况下继续往前掘进，使土仓基本满土后（此时刀盘油压较高，扭矩较大）停止。然后，稍开出土闸门，不启动螺旋机，让土压把砂土挤出，待砂土挤出速度较慢甚至不自动流出时再启动刀盘往前掘进；②关闭出土闸门，螺旋机正转转速调至2.0r/min 左右，继续往前掘进，到顶部土压达2.8 bar时停止，待土压降低到2.0bar以下时再按前面方法掘进，到刀盘扭矩较大（约3200kN·m ）时，关闭刀盘及螺旋机，稍开出土闸门，让土压把砂土挤出，待砂土挤出速度较慢甚至不自动流出时再启动刀盘往前掘进。
（3）保持连续掘进，减少盾构机停顿时间。适当缩短浆液胶凝时间，保证注浆质量。盾尾同步注浆的量与地面沉降有较大关系，过少会造成地面较大的沉降，过多会窜浆至地面，污染环境。富水砂层注砂浆极易往外扩散，在掘进过程需根据注浆压力（＜2.0bar）和地面情况及时调整注浆量。注浆的标准是确保脱出盾尾的管片背后的空隙能填满，这不仅可降低后期地面的沉降，也对管片防水起到一定有利作用。对于砂浆胶凝时间的控制，经多次试验，确定砂浆配比见表1。
表1砂浆配比
材料名称水水泥粉煤灰砂膨润土
重量比例 250 80 250 550 80
（4）运用导向系统和分区操控推进油缸, 控制盾构姿态, 防止盾构抬升。富水砂层的承重能力较低，加上盾构机在掘进过程中的振动，姿态较易往下沉。因此，在地层中盾构机的姿态宜保持向上，但趋势宜控制在±4mm。若出现机头往下掉的情况，需及时通过千斤顶行程调节姿态。调节不可过急，宜通过千斤顶行程及选取最优管片两者结合来调节，不然会使得盾尾间隙过小，造成管片错台。

3 材料、设备及质量控制
3.1 盾构掘进中主要材料
盾构掘进中主要材料包括盾尾油脂、水泥砂浆、膨润土、发泡剂等；主要施工设备有导向系统、同步注浆机、发泡剂泵等。本施工中采用的材料、设备见表2。
表2材料、设备表
材料设备名称型号（规格）用量
盾尾油脂 TSG7(200L/桶) 6m/桶
砂浆 ------ 3.2 M3/m
膨润土 ------ 65kg/m
发泡剂 GZSL1100(1M3/桶) 15m/桶
导向系统 VMT 1台
同步注浆机盾构机自带 1台
发泡剂泵盾构机自带 1台
3.2 质量控制
3.2.1 质量控制标准
盾构机掘进通过富水砂层区域时的地面沉降监测值以及盾构机通过后所形成隧道的净空、结构和防水达到盾构法隧道的质量标准。按照GB50446-2008《盾
构法隧道施工与验收规范》中管片拼装及成型隧道验收的主控项目作为性能控制指标，其主要性能指标控制如下：
（1）盾构施工过程中隧道轴线平面位置允许偏差为±50mm，隧道轴线高程允许偏差为±50mm；
（2）管片在盾尾内拼装完成时，相邻管片的径向错台允许偏差为5mm，相邻环管片环面错台允许偏差为6mm，衬砌环直径椭圆度为±5‰D（D 为隧道的外直径）；
（3）成型隧道轴线平面位置允许偏差为±100mm，隧道轴线高程允许偏差为±100 mm；
（4）成型隧道相邻管片的径向错台允许偏差为10mm，相邻环管片环面错台允许偏差为15mm，衬砌环直径椭圆度为±0.6‰D。
3.2.2 质量保证措施
（1）同步注浆必须严格控制砂浆的质量，在砂浆站打浆时需严格按照配比下料，在砂浆运输过程中保持搅拌，遇到特殊情况无法运到盾构机台车，砂浆搅拌时间超过4h不能使用。及时跟进、检查同步注浆效果，保证注浆质量。
（2）通过分区操控油缸调节盾构机姿态时，切勿操之过急，纠偏过猛容易引起管片错台、崩角。
（3）掘进过程严格控制出土量，切勿多出土，避免地面沉降过大。
（4）盾构掘进过程中向土舱内及刀盘面注入泡沫等添加材料，改善渣土性能，提高渣土的流动性和止水性。添加材料的用量是关键，用量少了，达不到效果，多了浪费材料，增加施工成本，在施工中应及时跟进、检查出土效果，调整添加材料用量。

4 安全及环保措施
4.1 安全措施
（1）严格按项目安全管理制度和施工方案组织施工，严格制定和执行相关设备的安全操作规程。
（2）加强隧道内的通风和照明工作，提高洞内作业环境条件，确保人员和设备安全。
（3）加强洞内用电控制，确保施工安全。
（4）加强易燃易爆气体垂直运输及洞内水平运输系统的控制，防止意外爆炸事故及车辆伤害事故的发生。
（5）盾构掘进严禁多出土，遇到特殊情况多出土后需立即向当班领导汇报，盾构施工过程中加强地面监测，防止地面坍塌引起事故。
（6）盾构隧道内施工时，由于隧道狭窄，场地空间小，在吊运施工材料时需特别注意安全。
5.2 环保措施
(1) 工地应落实门前三包责任制，不得在工地门前、围墙外侧公用场地堆放材料、淤泥、垃圾等。临时占用人行道及道路，必须严格执行申报审批的规定。在经批准占用的区域，必须严格按照批准占用的范围、占用期限及使用性质堆放建筑
材料或机具设备。
(2) 污水处理和排放应符合国家和地方（行业）有关环境保护法规中环保指标的要求，场地内应设沉淀池、过滤池和冲洗池，并做到：所有的生活或其他污水必须分别处理后方可经排水渠排入市政排水管网，油污等则需经过滤处理后方可
经排水渠排入市政排水管网，废浆和淤泥应使用封闭的专用车辆进行运输。
(3) 粉尘控制，要定时清理地面和洒水，减少灰尘对周围环境的污染。禁止在施工现场烧有毒、有害和有恶臭气味的物质。装卸有粉尘的材料时，应洒水湿润和在仓库内进行。严禁向围墙外抛掷垃圾。
(4) 工程施工时采取降低噪声措施。应急发电机、通风机和压风机应选择低噪声型号，同时安装消声装置或做屏蔽装置，以降低噪声。
(5) 严禁向隧道内排放注浆所剩浆液，需排到土斗内运出地面，经过处理后进行排放。
(6) 盾构掘进时所用的各种油脂容易造成污染，因此，废油脂需统一收集后进行处理。
(7) 保护好盾构机各种油管，漏油后容易污染。
(8) 项目部成立环境保护部，由项目部组织实施环保措施，并配备环保专业技术人员，定期聘请环保专家担任技术顾问，定期检测施工噪声、现场粉尘、污水污
染等各项指标。若检测结果超出有关规定，则及时进行环保措施调整。

5 结束语
本次土压平衡盾构施工成功解决了土压平衡盾构机过富水砂层的技术难题，克服了掘进过程中引起的地面沉降、隧道喷涌、盾构姿态难控制等问题，加快了施工进度，节约了施工成本，为整个工程的顺利完工奠定了基础。同时，也为土压平衡盾构机在富水砂层特殊地质条件的施工积累了经验，拓展了土压平衡盾构机在城市地铁施工中的使用范围，具有较好的推广意义。

参考文献
[1] GB50446-2008 盾构法隧道施工与验收规范[S].
[2] 谢群，杨佳庆，高伟贤.土压平衡盾构机液压推进系统的设计[J].机床与液压，200（96）.