1、土压平衡盾构机下穿流溪河施工技术摘要:土压平衡盾构机在复合地层过江河，在国内类似工程实例并不多见，盾构下穿江河施工的工程实例很多，但多为泥水盾构下穿江河施工，本工程复合地层条件下下穿 190m 宽较大江河，合理利用现有土压平衡盾构机，优化工艺，加强施工管理，取得很好的成效。 关键词: 土压平衡;盾构;下穿 Abstract: The earth pressure balance shield machine in rivers in the complex formation, does not see more in the domestic similar projects, many p
2、rojects under construction in the river shield, but mostly in rivers and construction of slurry shield, the engineering complex formation conditions in 190m wide rivers, rational use of existing earth pressure balance shield optimization process machine, strengthening construction management, achiev
3、ed good results. Key words: earth pressure balance shield; wear; 中图分类号：TU432 文献标识码：A 文章编码： 1.前言 复合地层条件下土压平衡盾构机下穿 190m 宽较大江河，合理利用现有土压平衡盾构机，通过优化工艺，加强管理，取得很好的成效，为类似工程提供参考。 2. 工程概况 广州市轨道交通三号线北延段施工 9 标【龙归站人和站盾构区间（三） 】隧道采用土压平衡盾构法施工，在区间北端中间风井始发，向人和站方向掘进，下穿流溪河（该范围 190 米段设计采用加强管片，管片长度 1.5m） ，到达人和站后吊出。本工程使用的
4、2 台盾构机是德国海瑞克公司生产的 6280mm 土压平衡式盾构机，刀盘外径为 6280mm。 3.难点分析与掘进方法 下穿隧道流溪河段洞身上部大部分是、 、 、等软层地质。洞身位于泥质粉砂岩强风化带、泥质粉砂岩中等风化带、红层岩石微风化带地层中，围岩的力学性质较好。过河段隧道顶覆土厚度 6.68.5 m，其中隧道顶部层最薄的地方只有 2.2 m，隔水层厚度不均，隧道底部为层，局部地段突入隧道范围较大，过河段为典型的复合地层，且岩层裂隙发育，破碎带多。 图 1 过流溪河段地质断面图 经分析并原则采用以下措施： 3.1 掘进方法 对于河底段，盾构掘进控制难度较大，为稳定河底，尽量减小对隧道顶部地
5、层的扰动，适当控制刀盘转速，推力适中，减小土仓气体含量，使土仓压力变化维持相对稳定，尽量接近真正土压平衡进行掘进。土压控制在 110130Kpa，通过调整各个施工参数，使盾构掘进处于理想状态。3.2 优化工序 加强岗位培训，做好交班任务分配，将每道工序技术要求和时间控制细化到位并交底到每个岗位，保证“掘进同步注浆出碴安装管片掘进”各个环节环环相扣，使盾构掘进快速稳定地通过。 3.3 减少停机次数和时间 由于洞顶岩面破碎，粘土层厚度不均，尽量减少停机次数和停机时间。 3.4 加强设备保障 切实做好盾构机、电瓶车、龙门吊、拌合站等配套设备日常保养和检修工作，及时排查各类设备故障隐患，保障各系统设备
6、正常高效的运转。 4.过河掘进施工 针对盾构机掘进过河过程中可能出现的问题和困难，结合投入本工程盾构机的实际情况，为使盾构机快速、顺利通过，必须从设备保障、刀具适应性、碴土改良、掘进参数控制、管片安装速度、施工监测、施工管理等方面进行控制。因此，从刀盘对地层的适应性、泡沫使用的合理性、操作手的熟练程度、机械设备的功能、完好保证等方面必须做认真的准备与研究。 4.1 设备保障 设备保障主要从设备的性能与维护方面出发。成立 2 个设备保障小组，白班和晚班进行现场检查和维护。 本工程所用盾构机主要部位的性能及指标在过河之前进行细致的检测，并对易故障的系统进行维修和配件备份，确保正常生产。在盾构机过河
7、掘进过程中，加强对盾构机、龙门吊、拌合站等设备的检查频率(每班不少于 2 次)，将故障隐患处理在萌芽中。 4.2 刀具适应性 过流溪河段隧道基本全部位处、 、岩层中。整个刀盘目前配置了 4 把双刃中心滚刀、31 把单刃滚刀，64 把刮刀，8 把边缘刀，能有效应对过流溪河段岩层，在过流溪河前河堤外侧空旷处开仓对整个刀盘进行检查，磨损的刀具全部更新。 4.3 碴土改良 良好的碴土改良方法能使碴土不粘结刀具、刀盘、顺利出仓，取得较快掘进速度，从而减少对流溪河底软弱土层的扰动，有利于稳定地层、顺利通过。因此，必须制定有效的碴土改良措施，合理的泡沫和水的注入就成为改良效果好坏的关键因素。泡沫的功效主要在
8、于分离或中和粘性土中的阴阳离子，降低其吸附性能，从而起到改善碴土的流动性、润滑刀具等作用。对于软岩和粘性土，合理的泡沫注入尤为重要。 根据使用的 TWL39 泡沫剂的性能指标和试验检测结果，结合前面掘进过程使用发泡剂的经验，泡沫剂比例：FIR=3.5-4.0%，FER=8-10%比较适中。对于流溪河段，泡沫浓度控制在 35，发泡率 1：501：65，注入率 2030，提高渣土和易性，效果会比较好。 在过河前，将其中两个泡沫孔道进行改造，使其兼具注膨润土的功能，在有渣土和易性不好，或出现喷涌的情况时，可让这个泡沫孔道注膨润土到刀盘前方。 对于水的注入，根据过河前的施工情况，在正常注入泡沫的情况下
9、，使碴土有比较好的流动性，注入率按照地层的干湿情况达到理论出土量的 2030即可，也就是每环的注入量控制在 8.513m3。 4.4 掘进参数控制 过流溪河段采用土压平衡掘进模式。除有效的碴土改良外，掘进过程中对其它掘进参数的控制也是保证盾构机顺利掘进的关键因素，尤其是对土仓压力、千斤顶推力与刀盘转速、出土量控制、同步注浆等的控制。 4.4.1.土仓压力的控制 根据前阶段的施工经验，合理的土仓压力对掘进速度的影响是很大的，对于7 、 8号地层，在正常出土的情况下，确保土层中的地下水稳定，也即是土仓内流动碴土的压力略大于显示点水柱的压力，pwh，则掌子面稳定，掘进速度较快。对于洞顶以上为软土的情
10、况，土压的计算则应用太沙基公式比较合理。则在河中对于洞顶为软弱土的部位，土压的确定根据以下公式计算： 土仓压力设定按下式计算： P= k0h+P 水= tg2（45-/2）h+P 水 主动土压力系数 k0 = tg2（45-/2） 为土的饱和重度， 为土的内摩擦角，h 为隧道中心埋深。以右线为例，对河中和河堤位置土压计算如下： 在右线河中 DK-22+250 处，隧道中心埋深最小埋深约为 9.6m，最高水深约 4 米， 取各种平均值约 23KN/m3， 为土的内摩擦角取各种平均值 30。 P 水为河底水压力 40 KN/m2 P= tg2（45-30/2）239.6+40 =114KN/m2
11、=1.14kg/cm2 因此土仓压力设定为 1.2kg/cm21.4 kg/cm2 为宜，土仓上部的 1 号传感器显示土压控制在 1.1kg/cm21.3 kg/cm2 为宜。 4.4.2. 千斤顶推力与刀盘转速 千斤顶推力与刀盘转速是否合理是关系到刀具能否顺利切削岩层，推力过小，岩层得不到充分的压裂和切削，掘进效果差，推力过大时，由于管片断面不平整或千斤顶受力不均，容易产生管片破裂、渗水等现象，均不能保证隧道快速、保质通过流溪河。对于流溪河段的地层，换成以单刃滚刀为主，切削刀为辅的刀具布置后，从前面的施工经验，推力控制在 700010000KN，最大推力应根据分组千斤顶的压力来确定，根据管片
12、混凝土标号，综合洞内混凝土管片的受力情况，取管片混凝土强度的一半即 25Mpa 作为分组千斤顶所受压力的上限是安全的，对管片不会产生挤裂、破损等问题。 至于刀盘转速，对于挖岩刀具，在8 、 9号地层，转速在 1.5以上破岩效率比较高，但在较软的6 、 7号地层，转速应控制在1.5rpm 以下，以便地层能给刀具提供足够的摩阻力，使刀具能转动破岩。无论何种速度，均应与其它参数如刀盘扭矩、泡沫注入、推进速度等有机结合起来，才能取得理想的结果。 4.4.3.出土量控制 出土量是前方地层稳定与否的直观反映，在泡沫与水注入正常的情况下，每环的出土量一般为 5257m3，遇到发生容易坍塌的地层，出土量往往偏
13、大。因此，在掘进过程中对出土量的控制十分必要。 本工程渣土车每箱容量为 17 m3，根据前面掘进情况，出土量控制在4 箱4.5 箱之间（对每斗盛土方量进行测量，以方量计数） ，能确保不超挖，每箱土推进油缸合理行程应为 320380mm 之间。因此，掘进过程中做好每斗土前后油缸行程差的记录，对每箱土进行检查和做好渣土取样，结合渣土情况进行分析判断，如有异常情况，及时采取合理措施，确保出土量的控制。 4.4.4.同步注浆 同步注浆的及时进行可以稳定隧道管片，控制隧道管片的变形，防止隧道管片在脱出盾尾后发生错台现象，从而避免管片破损现象发生，保证盾构隧道姿态的正确，加快掘进速度。 同步注浆量要控制适
14、中，严格控制注浆压力，既不能因过少而造成地面大量沉降也不能因过多而击穿砂层，造成涌砂、涌水等事故的发生。从前面施工的情况看，在掘进过程中，一定要随时对同步注浆量进行控制，事实证明，当出土量不超过理论出土量的 120时，只要注浆及时、足量（一般宜大于理论注入量的 120） ，地面沉降会得到较好的控制。为确保注浆量及注浆效果，一般情况下，注浆压力可以控制在0.20.3Mpa，对于已经发生喷涌、沉陷的地段，注浆的压力应适当提高，上限可以提高到 0.4Mpa，一般会取得比较好的效果。若发现河底沉降量较大（5cm）时，则适当的增加同步注浆量，必要时更要进行衬砌（管片）壁后补注浆。注浆量争取达到理论建筑空
15、隙的 130%以上。当隧道变形比较大，常用的浆液不能满足尽快固结的要求时，应调整同步注浆浆液配比，缩短浆液凝胶时间。 4.4.5.加强二次注浆 在过河期间，坚持在离盾尾第 5 环二次注浆，按照每隔 5 环进行二次注浆，注浆浆液用双液浆，及时在已成型隧道间隔性形成止水环，防止隧道壁后水汇向盾构机。 双液浆性能指标： 水玻璃比重控制在 1921 度之间。 A、B 液凝胶时间控制在 20 秒左右。 A、B 液配比 A 液（主要采用水泥浆） B 液 浆液体积比例：A 液 90%，B 液 10%。 注浆量和压力：每孔位的双液注浆量理论上应不小于 0.8m3，如出现以下情况，可停止注浆：显示的注浆压力下限
16、不再低于 0.12MPa；显示的注浆压力上限持续超过 0.40MPa；管片出现裂纹、错台或接缝出现渗漏水等异常情况。 4.6 防喷涌措施 为防止喷涌现象，拟采用以下措施： a、坚持在离盾尾第 5 环二次注双液浆，并按照每隔 5 环进行二次注浆，及时在成型隧道四周形成隔水环，防止管片壁后水向刀盘部位汇入形成喷涌。 b、土仓建立土压平衡，土压力波动幅度控制 0.2bar 以内，避免土压力失衡导致土体扰动使河水和地下水流向土仓。同时减少停机时间，避免地下水向土仓汇集。 c、做好渣土改良，在发现有喷涌苗头时，及时注入膨润土进行改良，必要时注入高分子聚合物。 d、在螺旋输送机出口安装防溅设施，螺旋输送机
17、下随时放置 2 台工作性能良好的泥浆泵，对喷出的渣土和泥水及时通过污水管排出。 4.7 施工监测 流溪河宽度约 190m，退潮时河底过水段宽度约 120150m，深度为1.02.5m 之间，南岸较为空旷、北岸临近房屋。因此，对于过流溪河的河床监测，仍采用水准测量的方式监测流溪河段盾构掘进施工中的河底变形（图 2） 。 图 2 流溪河监测点平面布置示意图 图 3 监测点断面示意图 图 4 监测点大样图 4.7.1.监测点、线布设 水下监测段长度 150180m，沿中心线布设点位，间距 10m。 隧道中线过流溪河水面以上部分沿中心线每 10m 设一监测点，每 20m布设一监测剖面。水面以上布点采用
18、 d18、L=500800?螺纹钢稳定埋于河底，并系上联接绳及漂浮物，以利于找寻。 河底的淤泥约为 400500?，退潮时用硬杆将测点件插入河底泥中。用绳与水平漂浮物联接。监测时，利用小船浮载测量人员，由联接绳寻得测点进行测量。水下测点布设见示意图 3，测点件做法见图 4。 4.7.2.误差及监测频率 考虑到河底的泥性及各种因素的影响，水下监测测量误差30?，应能满足河底变形监测的施工要求100?。 退潮后出露部分监测频率计划为 2 次/天，水下部位为 1 次/天。 5.施工管理 在施工过程中，除了遵循有关的规范和要求外，还应认真遵守项目的有关管理规定，包括盾构作业班组管理规定、操作手管理规定、盾构机维修保养管理制度、注浆系统使用和清洗制度、管片安装质量缺陷处罚管理制度及隧道和场区文明卫生管理制度等。使安全、质量、文明施
