土压平衡盾构法在地铁暗挖隧道工程中的应用研讨

张利华

摘要：借助盾构法修建地铁隧道工程，对施工技术的自动化和机械化要求比较高，再加上地铁隧道工程本身施工环境的复杂多变，正面要求我们进一步对地铁隧道工程中盾构法应用的研究。文章将以某地铁隧道工程为例，在了解该工程施工背景概况的基础上，深入研讨土压平衡盾构法在该工程中的应用方法。

关键词：地铁隧道，暗挖施工，土压平衡盾构

1.某地铁修建工程盾构法施工背景概况

某地铁工程，全长40km，沿线6个车站和车库，均采用明挖法施工，而车站的区间隧道，则借助土压平衡盾构法进行暗挖掘进施工。地铁盾构推进始于A车站，纵坡-1.8%，直至E车站，全长1240m，沿线经过密集居民区和遇到很多水井。另外据地质勘察报告显示，沿线地质中普遍含有平均粒径65mm的砾石，砾石最大粒径为300mm-400mm，而且地层含水量极为丰富，含水层的透水系数在 之间。

工程使用盾构掘进机的前端刀盘，为轮辐式，共8根辐射条，且带有面板和切削刀，其中面板的作用是保证掘进过程中，有效地将开挖面土体推开，减少掘进的阻力，相关施工经验证明，即便粒径350mm的卵石土体，也能达到43%左右的正面开口率。另外盾构机的螺旋输送装置，用于排除粒径350mm-400mm大小的卵石，至于掘进量与排土量的平衡，需要利用排土口旁边的土压力设定好土压值。同时在排土口位置上，设置了螺旋料斗器，目的是平衡土压和控制土砂的喷发量。

2.案例地铁修建工程土压平衡盾构施工的技术建议

2.1土压控制

地铁隧道的开挖，必须保持开挖面的稳定，尤其是泥土压平衡的保持，是开挖质量前提。本工程盾构机在设定管理土压值的时候，根据静止土压力和水压力的和值，确定开挖面的土压理论值，同时结合开挖面地层的具体情况，在该理论值弹性范围内，选择最为合理的土压值，并围绕施工实情适时调整。在盾构机开始推进的时候，考虑到辐射刀盘里面的泥土处于密压状态，刀盘与搅拌器的扭矩均呈增大趋势，因此需要假设排土量 和理论值 一致，将土压值设定为 ；初始段掘进完工后，将土压值修改为 ；掘进到 位置时，将土压值修改为 ；掘进到550m位置时，发现土层为硬粘状，将土压值重新调整为 。在控制调整土压值的同时，需要同步分析土压与扭矩、推力等之间的关系，测量出密封土仓内泥土压的大小。

2.2材料添加

盾構掘进期间，为改良地层的土体，需按照一定的配比标准，将NP石灰、膨润土、水混合添加，其中每立方米添加 NP石灰、 膨胀土、 水，添加材料比重为1.19，但具体配比，还需视掘进详情予以适当调整，譬如某区域改良后地层比重1.37，排土坍落度增加了0.22，但在掘进约60m后，发现浓度太高，于是将比重下调到1.17；当掘进深度到达660m时，发现地层粘性土增多，于是将比重下调到1.09；当掘进深度到达760m时，发现地层粘性土数量更多，于是加入继续下调比重；当掘进深度到达900m时，发现地层恢复砂层和砂砾层地质，于是将比重上调到1.18。按照以上方法添加材料，在很大程度上改良了地层土体，将注入率控制在合理范围内，相应的排土坍落度也保持在合理范围内，保证了掘进施工的稳定性，将掘进事故发生率控制在0状态。

2.3压浆和掘进

考虑到盾构掘进期间地层容易出现间隙，并造成土体损失，而压入在强度、塑流性等较佳的双液型压浆材料，将地层间隙填充满。本工程压浆时，将注浆压力控制在 范围内，并保持 的实际注入率。至于盾构掘进，工程要求保持施工的持续性，期间除了盾构检修耽搁掘进作业，其余时间均能够正常掘进。盾构机在推进到 和 时，检查发现开挖面气压异常，施工人员利用二重注浆方式加固开挖面周围地层后，发现切削刀头严重受损，进行了多次更换处理。本工程盾构掘进施工，主要参照以下掘进推力和土压的标准施工，具体如下表2-1所示：

按照以上掘进实际推力和土压标准范围施工，初始段平均日掘进量为 ，最大掘进量为 ；正常掘进时平均日掘进量为 ，最大掘进量为 。

在出洞初推段，发现刀盘扭矩为 ，与设计标准不符，现场进行泥量和泥土浓度的调整，将扭矩下调至 ，排土量保持与设计值的一致。盾构机推力为 ，推力由四个部分组成，一是盾壳与土层摩阻力，数值 ；二是盾尾与管片的摩阻力，数值 ；三是开挖面与切削抵抗，数值 ；四是开挖面与土压抵抗，数值 。

2.4构筑物保护

工程盾构掘进施工范围内，沿线经过密集居民区和遇到很多水井，盾构推进时难免扰动周围的土体，进而波及周围的建筑物和埋设物等。为保护这些建筑物和埋设物，一方面采用双液注浆法，注浆加固隧道上方的地层，期间将注浆加固地段分为3个区域，每个区域包含3个部分，注浆时暂停盾构机掘进作业，其中横断面上盾构上半部分注浆厚度2m，而地层一次性压浆注入率仅为35%，因此分为两次注浆，首次是利用注浆设备在地面压浆，第二次是借助运输车于隧道内运载注浆设备，在隧道内向上压浆，总共耗费50天注浆加固后，将隧道上方建筑物的扰动影响控制到最小状态；另一方面是考虑到施工区域周围水井比较多，为避免污染地下水源，工程选用无机溶液型瞬结材料，即采用特殊水玻璃、稀硫酸和水配比掺入注浆材料中，将浆液凝结时间缩短至7s-10s。通过这两种压浆方式，基本解决周围建筑物和埋设物的扰动问题，同时避免对地下水源的污染，施工成效明显。

2.5地层沉降监测

除了以上的施工方法，施工期间还必须以始发井195m的位置作为监测点，密切监测地层的沉降状态。其监测情况如下图2-1所示：

通常情况下，盾构推进施工的地表沉降，出现在盾构两边与垂线呈45°的斜线范围内，但上图所显示的数据，表明深层土体与地表土体的沉降量基本持平，其中在盾构掘进前期，没有出现沉降情况；盾构机到达开挖面时，地表沉降量为1.7mm；盾尾到达时，地表沉降量为1mm，而盾构间隙诱发的沉降量为0.4m；盾构掘进后期沉降量为1.9m，即整个掘进施工期间，地表累计沉降量仅为5mm，说明本工程盾构掘进施工质量过关。

3.结束语

文章通过研究，基本明确了以上案例工程盾构掘进施工技术的应用方法，其主要的施工技术涵盖土压控制、材料添加、压浆、掘进、构筑物保护、地表沉降监测几个方面。但考虑到不同地铁工程盾构掘进施工要求和条件的差异性，以上方法在其他工程中应用时，还需结合具体工程的实际施工情况，予以灵活地参考借鉴。

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