隧道施工土压平衡式盾构方案探讨

杨 颖

（广东省长大公路工程有限公司，广东 广州 511431）

我国地铁隧道施工已开始使用盾构法。随着技术进步、认识提高、综合国力的增强，特别是随着该施工技术所显现的优势，由于其能较好地控制地表沉降，利于环境保护，适应在市区和建筑密集处的施工，在全国地铁建设中得到了广泛应用，土压平衡盾构法施工在国内地铁工程中得到了广泛的应用。虽然土压平衡盾构施工技术已日臻成熟，但仍有很多问题尚需解决，如盾构在隧道内只能前进，不可后退，一旦盾构本身出现致命的故障，可能就会产生灾难性的后果。而且使用盾构在对洞口进行加固处理的始发时阶段出问题的概率很高，即使是非常有经验的承包商也常会发生类似事故。本文重点介绍盾构施工中常用现象的防治对策。

1.喷涌

1.1 喷涌成因分析

盾构在通过江底地段时，如果对地层了解不够，施工处理不当，以及不可预测的因素，都可能发生喷涌事故。所谓的喷涌是指盾构掘进打开螺旋输送器闸门出土时，以水为主，水和砂混合从出土口喷涌而出，散落在隧道内，皮带运输无法带走土体。喷涌的原因主要有：在水底浅覆地段施工时河床底塌方、开挖面充水裂隙发育或已成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，形成开挖面富水压力大，由此造成盾构不能连续掘进，出现喷涌。引发喷涌的机理是:打开螺旋输送器即发生喷涌，接着土仓内土压力很快回落。在这种情况下，为了防止隧道淹没并减轻清渣土的工作量(否则无法安装管片)，操作者通常会通过手动或自动关闭螺旋输送器出土闸门。在停止出土的这一阶段，地层中的水又很快会充满土仓内，土仓内的土压力又迅速上升到设定极限(主要是水压力)，之后，打开螺旋输送器又是喷涌，喷涌-停机-喷涌-停机……，如此恶性循环，盾构无法连续掘进。

1.2 采取的对策

(1)关闭螺旋输送器情况下继续掘进，让切削下的土体挤出土仓内的水。采取这种措施时，要预防仓内压力过高，造成盾构前方隆起、冒浆以及盾尾被击穿等。

(2)提前采用气压平衡模式掘进，但要预防漏气事件的发生。

(3)加入高浓度泥浆或泡沫，改善土体的和易性，使土体中的颗粒和泥浆成为一整体。

(4)盾构选型方面，螺旋输送机选择具有土塞效应的中轴式螺杆和间断式螺杆。

(5)在盾构刀盘设计时，优化设计好刀盘的开口率和刀具，使切削进仓的颗粒较小且均匀。

(6)如果施工特别困难的情况下，在螺旋输送器某一位置安装连接管道，改成泥水盾构出土模式。

2.盾尾击穿

土压平衡盾构通过高水头地段时，盾尾被击穿的现象也是较多发生的，地下水通过管片与盾壳之间的空隙大量流入。其不仅造成工作面拼装管片困难，而且造成注浆液受冲洗流失，继而造成环与环之间错台和螺栓孔硅崩裂等质量事故(如果在软土地层中掘进，还将造成地面下沉和隧道下沉等事故)。引发盾尾密封刷被击穿的直接原因有两方面:其一是密封刷本身损坏脱落;其二是盾尾油脂失效或流失。依据经验，密封刷损坏脱落的可能性较少，最可能的是盾尾油脂流失。由于水头压力可达2一3kg/cm3，注入的油脂很快被冲走。因此先要确定水的来源，然后堵住高压水流。如果水质清澈冷爽，可以判断水主要来自已成隧道的底部。可在盾构后10m范围内，对已注过浆、已形成的隧道的地段进行补尝性二次注浆，可以起到十分明显的效果。补尝性二次注浆后击穿盾尾的流水减弱直至停止，则及时对盾尾补注油脂。

3.泥饼

3.1 泥饼成因

盾构施工时，有时会发现刀盘空转的情况下，扭矩很大，且一掘进扭矩就超过设定额定扭矩而跳闸，并且土仓压力上升很快。其原因是:盾构在通过粘性土地层时，粘性土本身附着力、粘着力和消散力共同作用，易形成泥饼。另外，盾构在通过粉砂质泥岩地层时，刀盘的刀具无法将易软化，易变形的粉砂质泥岩破碎成碎块状，而大多是辗磨成粉沫。这些粉沫大多为膨润土矿物的集合体，而刀盘内泥浆水温大多情况下超过50℃，促使这类矿物吸水膨胀并显示出很强的粘结性，越积越多，越积越硬，形成泥饼。泥饼可在刀盘前和土仓内两个部位形成，土仓内泥饼一旦形成后，土仓的可供进土的储有量仅剩下实际容积的1/2甚至更少。其后果是增加了盾构掘进的荷载，增大了喷涌的可能性，继而造成出土困难。同样，刀盘前泥饼形成后，造成刀盘开口堵塞，掘进困难等等。

3.2 技术措施

(1)掘进时注泡沫剂，改善土体的和易性，预防粘土结块。

(2)盾构刀盘在设计上应考虑了对泥岩的切削功能，使刀盘尽少出现粘结堵塞，如果施工时对切削的土体进行适当处理，改善其特性，则粘结堵塞现象则会很少产生。处理土体可以防止土压仓内土碴粘结缠连在一起。如果土压仓确实发生堵塞缠连则需要人工清理。在开挖面稳定的前提下，如果围岩隔水性较好，则可采用气压平衡模式掘进，人工进仓清除泥饼。一般人工清理可以用铁锹，高压水等。基本上随手工具都可以采用，能清理即可。

(3)也可以在刀盘背面和土仓胸板上增设空心搅动棒，增加搅拌强度和范围，并且空心棒内还可预留注水孔，以便清洗刀盘和土仓。

(4)空转刀盘，使泥饼在离心力的作用下脱落。

4.地表沉降

在盾构施工中根据地质情况和需保护的建筑物采取不同的掘进模式，能够保证沉降要求。如遇特殊情况，发生较大的沉降后，必须采取快速稳定沉降的措施:

(1)在发生沉降的地点，在沉陷范围派专人值班，负责人员、交通、建筑物的安全;

(2)盾构关闭进土闸门，建立土压，所设的土压比所处位置的水土压力高0.2kg/cm3，盾构停止掘进，用盾构上的超前注浆设备和注浆孔向地层注浆加固。不停地向管片背后注浆，并调整浆液配合比，使其具有足够的强度和快速凝结

(3)在沉陷范围采用钻机进行地表注浆加固方法，增加地基的强度

（4）增加沉降观测，及时反馈信息。

5.注浆管堵塞

注浆管堵塞其主要原因是水泥浆液从拌料到注浆过程的时间太长，以致浆液达凝固时间而易沉淀附着在注浆管内壁，最终造成管路堵塞。解决注浆管堵塞问题的关键就是要缩短从拌料到注浆的时间。

（1）浆液运输管路的铺设要避免管路弯曲造成浆液流速缓慢而沉淀。地面储料罐至井下浆液车中途下料要采用大口径输送管放浆，缩短放浆时间，同时将浆管口尽可能靠近浆液车底部，打开闸门即可依靠浆液自重放浆。

（2）紧凑安排工序，缩短浆液在隧道内的运输时间。在洞口和砂浆车位置设置电源插座，专供砂浆车搅拌电机用，保证砂浆车搅拌器正常连续工作，避免因施工停顿时间过长而引起浆液离析。

（3）砂浆车向盾构机储浆罐泵浆时，降低出浆管高度，同时开启搅拌机搅拌浆液。

（4）在不影响其他管路及运作空间的前提下，适当改善同步注浆管路，减少弯头、增大管径，避免浆液在管路中沉积、堵塞。

（5）保证盾构机及后配套设备的正常连续运行，坚决避免盾构机在推进过程中人为的停机造成同步注浆工序中断而浆液凝固堵塞。

结语

由上述可知，盾构机的始发成功主要由始发条件及始发施工技术中每一环节的处理决定。在前期的地质勘探、始发区域的建筑物及管线情况进行调查，特别是对端头土体的液限、塑限、渗透系数、含水量等各种物理力学指标进行全面的调查及评估是相当有必要的；同时应对始发技术施工中的每一个环节加强全面、细致的控制，以确保各种处理措施达到预期效果。

[1]周小文，濮家骝.砂土中隧洞开挖引起的地面沉降试验研究[期刊论文].岩土力学，2002.

[2]曾华波.复合地层土压平衡盾构施工应用技术研究[D].河海大学，2006.