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土压盾构在砂性土中的施工关键技术
王卫良
（中铁四局集团第五工程有限公司,江西 九江 332000）
摘 要：盾构法在当前的隧道工程施工中应用广泛,具备地层适应能力强的优点,能够提升软土地层和高含水量地层的掘进速度,并且不易对施工环境造成太大的不良影响,从而极大地保护了地层的稳定性.文章首先对土压盾构进行了概述,然后结合案例分析了施工中的难点以及具体的改良方法.
关键词：土压盾构；砂性土；施工技术；隧道工程 文献标识码：A
中图分类号：U452 文章编号：1009-2374（2016）14-0117-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.059
目前常用的两种盾构法分别是泥水盾构和土压盾构,其中前者具有设备复杂、配置高、使用过程中占地面积大等特点.随着城市经济的快速发展,土地面积越来越少,受到施工环境的限制,大体积的施工设备很难顺利进入施工场地或者极大地影响施工的顺利进行,必须进行施工工艺的改良.在这种情况下,技术人员研制出了更加方便快捷且占地面积小的土压盾构技术.土压盾构在形式上属于封闭式盾构,当盾构在隧道中向前掘进时,前面的旋转刀盘会把地层上的土壤削掉,并自动保存在土舱里面.当土舱中的土体充满之后,其被动土压会和倔削面上的土压、水压保持相同大小,这样一来,削面就能够保持在稳定平衡的状态下.
1 土压盾构概述
土压盾构系统的基本结构如图1所示.从图1中可以看出,这类盾构系统主要是靠螺旋输送机把削掉的土壤排送到土箱里面,再运送到地表上.
土压盾构的种类可主要可以分为如下四种：第一,削土加压式盾构.适合用于粉土、黏土、砂质粉土以及砂质黏土中；第二,加水式土压盾构.适合用于含水砂砾层以及亚黏土层中；第三,高浓度泥水加压式土压盾构.适合用于土质松软且渗透系数大含水量高的砂层土壤中；第四,加泥土压盾构.适合用于软弱性黏土层中以及容易出现坍塌的含水砂层和卵石层中.
根据施工条件的不同,土压盾构稳定掘削面的种类可以分为两种机理类型：第一,黏性土层.因为土压盾构的刀盘在旋转过程中会破坏原有的土体结构,变得更加疏松,还增加了其流动性.即使有些土层的黏性比较大,可以很好地将周围的土体颗粒聚在一起,但是渣土的塑流性也相应会增大,这种情况下可以调节螺旋输送机的转速来控制排土量,将其维持在合理的范围内,既能够满足施工需求,又不会对土层的稳定性造成较大的破坏.当土体的塑流性不足时,土舱内部的土体就会出现固结情况,这样削下来的土壤很难被排出来,盾构推进施工会被迫停止.为了解决这个问题,可以向土舱里面注入水或者空气、泥浆等材料,并进行连续的搅拌,这样就能够提高土体的塑流性；第二,砂质土层.在砂质土层中,因为土质颗粒之间的空隙较大,因此其渗透性也比较强,这样当地下水位比较高且水压较大时,仅仅依靠掘削土压和排土机很难使掘削面上的土压和水压保持平衡.因此可以向掘削面上添加水、泥水或者泥浆等材料,并通过不断搅拌来改变原来的土体性质,从而提高削土面的流动性以及止水性,使掘削面保持在平衡状态下.
2 土压盾构在砂性土中施工关键技术分析
本文结合实际案例分析土压盾构在砂性土壤中的关键施工技术.工程概况：在某大型城市地铁1号线建设三路站到建设一路站区间长度大概是1000m,由1台土压盾构从建设三路站工作井开始出发,沿着市中心向北路推进,一直到建设一站工作井,然后进洞,再调头进行反向推进,到建设三路站南段井,最终完成掘进施工.其中整个隧道结构的外径长度为6.2m,内径长度是5.5m,主要采用C50的预制管片进行拼装,然后制作而成的,隧道的深度为9.5～16m.
2.1 工程施工的水文地质条件
上行线的土压盾构是1～100环、655～809环全断面都在砂性土中掘进,土层质地主要为砂质粉土加黏质粉土、砂质粉土加粉砂以及淤泥质粉质黏土.各项物理参数如表1所示.掘进土层的特征为：土质呈现不均匀状态,并且表面看起来较为粗糙,渗水性强,如果是在饱和状态下,那么一旦受到振动荷载的影响就非常容易出现液化问题,并且由于其渗水性好,因此一旦含水量上升,那么就会出现流动现象,严重情况下还会导致塌方事故.施工环境周围的地下水属于松散岩类孔隙潜水,主要是在上部填土层的粉砂层中,水深大概在1～2m左右.
2.2 施工难点分析
2.2.1 因为含水量比较大且土质的密度不高,因此很难控制地面的沉降量,需要注入大量的浆液,提高土层的稳定性.在砂土含量较多的土层结构中,沉降问题一般发生在土压盾构系统穿越中以及穿越后的这两个时间段.其中地面沉降可以分为以下四个部分：第一,在开挖土体之后,需要进行卸载,卸载过程中如果速度过快或者对方不均匀,很容易出现沉降问题,导致地层发生一定的变位移动；第二,在注浆过程中管片容易从盾尾脱出,这时就会在建筑内部出现一定的空隙,如果该空隙不能及时被填充,就很容易引发地层沉降问题；第三,在隧道周围的土体中,受到盾构施工的影响会产生超孔隙水压力,在施工结束之后,如果这股压力消散,就容易出现土壤固结,进而导致地面沉降；第四,隧道周围的土体经土压盾构系统的扰动之后,内部结构出现变化,变得不稳定,可能导致固结沉降问题的发生.在利用土压盾构进行穿越时,根据以往的施工经验总结出造成沉降的主要因素是第一和第二部分,第三和第四部分主要是对成型之后的隧道产生影响,容易造成不同程度的沉降.土压盾构在推进过程中,由于前进以及内部设备振动所产生的荷载力会作用于周围的土体结构中.但是因为砂层颗粒之间的引力作用比较小,粘结性几乎没有,再加上含水量很高,因此受到循环荷载作用力的影响,非常容易在瞬间出现变形.如果荷载作用时间不断延长,砂层就会慢慢呈现出液化状态,从而导致土体出现大面积的沉降.
2.2.2 土压波动性大,不容易达到平衡状态.对现场90～130环的土压力进行汇总,发现在相邻的两环中,最大土压差能够达到0.19MPa.通过分析发现,导致这种现象出现的主要原因是刀盘开口率和砂性土本身的特质.当土压盾构的刀盘开口率达到75%以上时,受到砂性土壤流塑性较差的影响,就很难形成面板挡土支护效应.而砂性土层被切削之后,土体结构也失去了原本的稳定性,容易出现坍塌,还会倒向土舱,这样一来,土压的波动性就会变大,土舱内部不容易达到平衡状态,
2.2.3 推力和扭距比较高,导致推进速度慢.对现场施工进行研究,把实际的施工情况和淤泥土体的施工进行对比,发现砂性土的温度要高出10℃～20℃左右,总推力也高出1倍以上,刀盘的扭矩大1.5倍左右.主要原因是土压盾构受到砂性土性质的影响,导致掘进过程中的阻力变大,进而其扭矩压相应增大,推进速度自然降低.
2.3 提高施工质量的措施
2.3.1 控制地面沉降的措施.对施工参数进行调整：第一,减缓推进速度,规定不超过5cm/min,这样虽然暂时降低了施工进度,但是能够大大减少对周围土体的扰动,提高了施工质量,避免后期引发沉降事故.同时还应该尽可能地减少停机时间,保持推进的连续性,能够缩短盾构对土体的扰动时间；第二,对注浆环节的浆液材料进行改良,提高水泥和石灰的比例,并加入一定剂量的膨润土,大概比例为1m3的浆液中加入20千克的水泥和90千克的膨胀土,这样能够减少浆液的固结时间.浆液中加入的砂料因为中粗砂,可以强化其填充性能.浆液的粘稠度需要控制在9～10cm的范围内,这样可以避免在短时间内出现稀释现象.
2.3.2 平衡土压,提高开挖面的稳定性.第一,在刀盘前方注入水和比为7∶100的膨润土浆液,每推进1环需要注入大概4m3,能够起到改良土层质量的效果,提高其保水性,并将流速率控制在比较理想的范围内,从而能够增强出土器的排土能力,避免在施工过程中出现大面积的液化现象；第二,保持匀速推进,避免出现突然停止或者突然开始的推动操作行为,这会大大降低土体结构的稳定性；第三,刀盘的前方进土量要和螺旋机的出土量保持在同一水平,这样可以提高掘土压力的动态平衡能力,避免出现超挖和欠挖问题.其中每推进9m3的土,土压盾构需要进尺0.27m；第四,加装泡沫发生装置在土压盾构机的内部,具体配比浓度为2%,发泡率为20倍,泡沫注入率为40%,需要的发泡气压为0.7MPa,主要作用是在掘进过程中注入到工作面上起到改良土体的效果.
2.3.3 降低扭矩和推力.在刀盘前方以及土压盾构系统的侧面注入膨润土润滑浆液,这样土粒之间的空隙就会被膨润土填充,摩擦力减小,相应的刀盘扭矩就会降低,同时还能够减小盾构壳体和周边土层之间的摩
擦力.
3 结语
通过采取以上改良措施,较好地控制了土压盾构系统在砂性土层掘进过程中遇到的施工难点,提高了对地面沉降的控制能力,没有出现大面积的沉降现象,土压的波动性也明显减小,增强了工作面的平衡性.同时由于扭矩的减小,施工速度大大提升,缩短了施工进度,并有效减少了施工成本.在实际的施工过程中,需要结合现场的地质条件和设备特点,制定针对性的工艺改良方案,既能够保证盾构推进速度,又能够提高其平稳性,避免各种意外事故的出现.
参考文献
[1] 王新,沈奇．土压盾构在砂性土中施工关键技术研究[J]．施工技术,2013,（2）．
[2] 王洪新．土压平衡盾构刀盘开口率选型及对地层适应性研究[J]．土木工程学报,2010,43（3）．
[3] 毕景佩,郭志涛．盾构在砂层中的施工技术探讨[J]．铜业工程,2011,（4）．
作者简介：王卫良（1981-）,男,河北衡水人,供职于中铁四局集团第五工程有限公司,研究方向：盾构施工与应用.
（责任编辑：小 燕）
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