大直径土压平衡盾构全土压模式掘进探析

张佳兴，刘金祥

ZHANG Jia-xing, LIU Jin-xiang

（中铁隧道集团有限公司 专用设备中心，河南 洛阳 471009）

采用泥水盾构开挖过江隧道已不是单一选择，土压平衡以其施工所用空间小，工程造价相对低更具有竞争性。但采用土压平衡盾构开挖过江隧道在技术层面而言，特别是大直径的土压平衡盾构要比泥水盾构要求更高。比如长株潭城际铁路综合I标开福寺-滨江新城区间盾构过建筑物、过江时，为保证工程安全性采用全土压掘进就是一种要求相对较高的掘进模式。

1 工程情况

长株潭城际铁路综合Ⅰ标盾构段位于长沙市岳麓区和开福区。在银杉路以盾构工作井开始，沿开福寺路西行，设开福寺站并下穿过湘江后，沿杜鹃路向西，止于银杉路与杜鹃路交叉口的滨江新城站。盾构在滨江新城站下井，沿杜鹃路向东，并下穿湘江后到开福寺站。开福寺站-滨江新城站区间具体起止里程为WDK8+550～WDK5+839.3。

根据钻探结果，区间内WDK6+860～WDK7+100段分布有K2砾岩与Ptln板岩的不整合接触带。先期沉积、抬升、受剥蚀的元古界冷家溪群板岩与后期沉积的白垩系上统砾岩、泥质粉砂岩呈角度不整合接触关系。

开滨盾构区间左、右线地质情况相近，主要存在白垩系上统泥质砂岩、砾岩，元古界冷家西群砂质板岩(9)4-1全风化砂质板岩、(9)4-2强风化砂质板岩和(9)4-3弱风化砂质板岩。区间隧道各地层所占比例详如图1所示。

图1 开滨区间盾构隧道各地层所占比例饼图

2 工程施工掘进情况（全土压模式）

长株潭城际铁路综合Ⅰ标开福寺站－滨江新城站区间第一台盾构（左线）S657从第9环开始建立土压，第15环起逐步建立起全土压模式。全土压掘进模式下土仓压力保持在2.2bar左右。9～100环掘进速度一般维持在20～25mm/min（24、25、29、30环糊刀盘速度降至6～13mm/min），刀盘转速维持在1.8rpm，扭矩3000～9000kNm，扭矩逐渐增大，70环后主要集中在7000kNm左右。

期间掘进至第24、25、29、30环时参数发生异常主要体现在碴土为褐黄色（根据地质图分析为强风化板岩），碴温超过40℃，刀盘扭矩上升至8000kNm，掘进速度下降至3～5mm/min，开仓发现刀盘中心区域已全部糊住。考虑前3次开仓后地层的自稳能力，项目组织开会分析后采用半土仓掘进模式。

半仓掘进至第63环时发现异常有憋仓情况，为改善掘进状态以及防止憋仓开始出碴量大于掘进速度模式掘进，出现地表沉降问题，且对地面建筑造成影响。之后掘进严格采用全土压平衡模式。

1）土压 为防止螺旋输送机喷碴，同时为保证掌子面的稳定性，在掘进过程中，土仓内压力应保持在1.8bar左右，停机时，将压力升至2.0bar。

2）推进速度 掘进速度可控制在20～25mm/min。

3）刀盘转速 随着掘进速度的提高，为避免贯入度过大，刀盘转速提高至2.0rpm，且较高的刀盘转速可加速刀盘内碴土与水及泡沫剂的混合，改善碴土性状。

4）贯入度 S657盾构边滚刀仅比边缘刮刀高出15mm，考虑到边滚刀磨损量，因此贯入度不宜超过15mm，避免切刀、刮刀参与破岩。

5）推力 有效推力控制在1000t以下，即总推力∑F=FM(盾壳与地层摩擦力)+FS(尾刷与管片摩擦力)+FNL(拖车拉力)+FSP(反力)+FEPB(有效 推 力 )=850t×0.5+23t+70t+4.672×3.14×15+1000t=2545t以下。

6）扭矩 根据盾构刀盘扭矩曲线图，刀盘转速在2.0rpm时，最大扭矩可达12000kNm，但是为防止刀盘结泥饼现象，掘进扭矩不宜过高，应控制在5000kNm以下。

7）加强碴土改良与出碴量控制 根据碴土改良情况及碴土粘量来确定泡沫剂用量，每环尽量控制在400L，每环出碴量控制在220m3左右。碴温控制在40℃以下。

8）加强同步注浆控制，每环注浆量控制在13m3以上。同步注浆保持其与掘进的同步性，保证管片背后空隙的即时填充。掘进2环后，对脱出盾尾管片立即进行二次补强注浆。

3 全土压掘进遇到的问题及应对措施

全土压掘进因满仓的碴土，仓内压力增大泡沫等用于碴土改良的添加剂的注入会变的困难。因仓内压力增大螺旋输送机经常性喷涌，喷涌使的出碴量不好控制的同时，刀盘因碴土置换不及时也容易结泥饼。特别是中心区域，因局部线速度较小且相对开口率较小更易结泥饼。经研究采用全土压满仓掘进模式主要会有以下的问题出现：①推力增大，扭矩增大且掘进速度变慢；②仓内压力大，泡沫注入困难，泡沫管路容易堵塞；③正常刀盘加水无法满足掘进需求，碴温较高且容易喷碴；④碴土改良不佳，刀盘容易结泥饼（特别是中心区域）。

针对工程施工过程中出现的问题和遇到的困难，在长时间掘进过程中总结出以下应对措施，以缓解全土压掘进带来的问题：①适当的减小推力和刀盘的贯入度，放慢掘进速度以确保刀盘扭矩控制到一个合理的范围内（根据实际情况掘进速度一般控制在20～25mm/min）；②针对泡沫注入困难容易堵泡沫管路造成碴水改良不好的问题，增加注入量的同时选择性的进行泡沫注入。以刀盘中心为主（防止中心区域结泥饼），周边辅助的方式；③还是以土压平衡原有的理念加水、加气与出碴量达到压力动态平衡，增加刀盘加水量（以S657为例正常掘进一环加水35～40m3左右，全土压时80m3左右）；④保证碴土的及时置换和动态平衡，刀盘切削下的新碴置换原土仓的旧碴，螺旋输送机的出碴量和刀盘切削下的碴土量达到动态平衡。

4 全土压掘进辅助措施

针对全土压掘进施工中突出的喷涌、结泥饼等问题，经长期的施工作业总结出较为有效的对应措施。

1）喷涌预防措施 ①保持盾构连续快速作业，在水量较大的地段掘进时采用螺旋输送机双闸门点动控制；②利用二次注浆设备及时注浆，在管片外周形成连续的封闭环，防止管片周围的地下水串通，避免喷涌；③若出现喷涌现象，立即关闭螺旋输送机的后门，适当向前掘进，使土仓内建立平衡，通过刀盘的转动，将土仓内的土体搅拌均匀。然后才将螺旋输送机的后门慢慢打开，一边掘进一边出土，始终保持土仓内压力稳定。

2）防结泥饼措施 ①在施工过程中，根据出碴情况，及时添加适量的碴土改良剂—泡沫剂，进行土体改良，以减小土体粘性度和粘着力。②根据实际操作作调整。在施工过程中观测分析盾构穿越地层的特性。控制好推进速度，减少“泥饼 ”产生的机率。③快速均衡施工，盾构施工要求“连续、快速、稳定”，长时间的停机会导致土舱内土压逐步升高、流动性减弱、刀盘及刀具面板结泥饼的可能性增加；掘进速度太慢，通常掘进一环(1800mm)需要3h以上，生成泥饼的可能性也就增加了。④定期开舱、清舱。盾构施工中的开舱检查好比人的体检一样，要定期进行。定期的开舱可以较准确地掌握前方地层的地质状况和刀具的磨损情况，对刀盘结泥饼可起到预防作用，当检查出刀盘有泥饼粘着的情况时应及时、彻底清理。

5 结论与讨论

1）大直径土压盾构掘进过江中，当地下水较大，且富含承压性时，宜采用全土压平衡模式。这种模式可以有效控制掘进过程中的喷涌，即使地下水与土仓贯通，满仓土能减少地下水涌入仓内，从而控制喷涌。但全土压平衡模式最大的弊端是易造成刀盘被糊，刀具损坏较大，如何更好的应用全土压模式掘进还需进一步探索。

2）大直径盾构掘进碴土管理是洞内参数控制的重点，也是保证施工安全的重中之重，本工程在掘进前应建立严格的出碴管理制度、严格执行质量守恒原则，掘进中通过实时测试碴土比重方法来计算出碴量，但由于碴土比重的试验存在误差，且大直径盾构出碴量，体积统计不精确，碴土比重如相差0.1t/m3，则最终出碴量体积就能相差5m3以上，所以该方法只能大概判断出碴量是否正常。如何精确判断出碴量还需进一步研究。

3）大直径土压平衡盾构的总掘进理念依然是借助土仓压力来平衡开挖面水土压力的，为了使土仓压力波动较小，必须使挖土量和排土量保持平衡。即人们常讲的“新土”置换“旧土”，达到动态平衡。

4）采用全土压模式掘进理念仍没有变，只是在很多细节方面如掘进速度、碴土改良、出碴量等细节方面要求更为精细，更为合理。

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