1、初探土压平衡盾构在砂性土中的施工问题【摘要】本文首先介绍了盾构工作面动态平衡机理，在此基础上重点讨论了土压平衡盾构掘进原理、土压平衡盾构在砂性土施工的要点及难题、土压平衡盾构在砂性土层中的施工措施。本文的讨论意义是巨大的，也对土压平衡盾构在砂性土中的施工提出强有力的依据。 【关键词】土压平衡；盾构；砂性土；问题 【Abstract】This paper describes the mechanism of homeostasis face shield, on this basis, focused on the EPB shield tunneling theory, earth press
2、ure balance shield in sandy soil construction elements and problems, EPB in the sandy soil of the construction measures. Significance of this discussion is huge, but also on EPB in the sandy soils of the proposed construction of a strong basis. Key words EPB，Shield， sandy soil，issue 中图分类号：TU74 文献标识码
3、：A 文章编号： 一、前言 目前我国的市场经济发展迅速，也带动着其他各行业的发展，盾构在工程中得到了广泛的应用。对于每一个工程，并不是所有的土壤都是在最佳的条件下，有时土壤的性质甚至相差很大。对于盾构在砂性土中的应用，由于砂性土的性质，对盾构是不利的，这是时候就需要对砂性土做出相应的改良，使其符合施工需要。 二、盾构工作面动态平衡机理 土压平衡盾构工作机理是将开挖下来的土料充满开挖面和隔板之间的空间通过施加适当的推力确保开挖面稳定同时通过贯穿隔板设置的螺旋式排土器进行排土要保证开挖面的稳定必须保证: (1) 土压平衡盾构施工过程中必须在开挖面和隔板之间充满可塑性土料。 (2) 在盾构推进和管片
4、拼装过程中盾构密封舱内压力 Pi 始终略大于正面主动侧压力 Ph 和水压力 Pw 之和。 (3) 土压平衡盾构螺旋排土器出土量与刀盘前方进土量一致以保持土压力的动态平衡为了保证开挖面稳定所需的土压力 必须使盾构压力舱内的土砂混合物具有适宜的流塑性及保水性以保证盾构螺旋出土器能顺利排土且不使开挖面发生大面积液化甚至流砂。 三、土压平衡盾构掘进原理 土压平衡盾构靠调整螺旋机转速来维持土仓压力平衡。如果掘进速度不变，螺旋机转速加快时出土量增加，土仓压力变小；螺旋机转速减慢时出土量减小，土仓压力变大。如果掘进时盾构切削的土体体积等于被螺旋机排出的土体体积，则没有地层损失，对土层扰动最小。此时，盾构与前
5、方土体的接触压力接近土体的静止侧向土压力。如果忽略面板的挤压作用(开口率较大时)，土仓压力接近盾构与前方土体的接触压力。此时，即达到所谓的土压平衡状态。实际上完全做到土压平衡非常困难，推进时螺旋机排出的土体体积或者大于盾构切削的土体体积形成欠推进状态，或者小于盾构切削的土体体积形成超推进状态。 四、土压平衡盾构在砂性土施工的要点及难题 1、盾构在砂性土施工的要点 盾构在砂层掘进的基本原则是，建立土压平衡模式，尽量减小对砂层的扰动，快速通过砂层。 （1）土压平衡掘进 盾构机穿越砂层时建立土压平衡掘进模式，掘进参数选择时适当提高盾构机的推进速度，降低刀盘转速，严密监测地表沉降情况，确保平、稳、快通
6、过砂层。 （2）渣土改良 向刀盘、土舱喷注泡沫剂，土舱中砂土、水体与泡沫剂充分搅拌，形成具有较好和易性、密水性的稠体状塑性流动体，通过盾构机螺旋排土器输送到盾构机体外，有效防止螺旋排土器出口处喷涌现象的发生。 （3）控制渣土排放量 适当调节螺旋输送机转速及闸门开启度以控制渣土排放量，使土舱压力与开挖面土水压力保持平衡，防止开挖面水、土混合体超量涌出土舱。 2、盾构在砂性土施工的难题 土压平衡盾构在该类土层中施工经常遇到以下技术难题 (1) 由于砂性土摩擦阻力大因而刀盘及千斤顶推力波动较大对前方土体扰动过多故地面沉降大而不容易控制再加上砂性土具较好的渗透性很容易导致流砂甚至液化发生。 (2) 盾
7、构掘进时刀盘及主轴承扭矩千斤顶推力太大施工进展较慢同时导致刀盘主轴承过度磨损。 (3) 由于砂性土流塑性太差螺旋出土器出土困难工作面形成“干饼” 。(4) 注浆压力及注浆量很大进一步导致地面沉降失控。 盾构通过砂性土层时采用掺入添加剂的方法在国外应用较早并已开发出适用于砂性土层的泡沫添加剂国内近几年才大规模地开发软土地区的地下空间土压平衡盾构作为软土地区首选施工器械被采用而在砂性土层中施工的技术难题也已引起施工单位的重视但根据软土地区不同的地质与水文地质条件选用不同性能的添加剂以改善砂性土层特性的研究成果不多特别是盾构施工工地原位和室内添加剂试验比较研究的成果目前尚未见到。 五、土压平衡盾构在
8、砂性土层中的施工措施 1、改良土体的方法 在施工时根据实际情况，通过加注泡沫剂改良土体(或膨润土等其他添加剂)改良土体，起到保护刀盘以及保证盾构螺旋出土机正常出土的作用。改良土体具体方法为每隔一定距离在盾构前方压注泡沫剂，通过盾构机注水口注入。泡沫材料与水和压缩空气以一定的配比发泡后，可以产生大量泡沫。泡沫注入正面土体与之混合，达到维持正面土体稳定、土压平衡的作用。 （1）泡沫剂压注的操作工序。 启动空压机一启动注水泵一空气、注水压力达到要求一开启泡沫装置一压注泡沫。根据以往经验，泡沫剂使用能够辅助进入压力仓砂土形成“塑性流动状态” ，获得良好的塑性变形软稠度，擦角及渗透率，从而避免开挖面失控
9、喷涌等问题。最大限度减小了对周围土体的扰动。泡沫用量为 18L3；F-25 L环。 （2）膨润土的压注。 为确保盾构在砂性土中推进正常出土，也可以在盾构前方压注膨润土改良土体。以上按此，每推进一环，需加入一定浓度的膨润土浆液。膨润土浆液可以在刀盘正面注入，通过刀盘后翼的搅拌，从螺旋机排出。当螺旋机油压过高，也可以在螺旋机中注入适量的膨润土浆液。 2、砂性土层中推进技术参数控制 （1）盾构正面土压力控制。 在盾构穿越过程中必须严格控制切口土压力，保持正面土压平衡，在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，推进时设置梯度压力以尽量减少土压力的波动。推进施工时，也必须严格控制与土仓压力值有关的千斤顶的推进
10、速度、出土螺旋机的转数及出土阀门的大小等技术参数。 （2）控制盾构姿态，严格控制盾构纠偏量 盾构在砂性土推进过程中，要小幅度、均匀纠偏，均衡匀速施工，尽量减少对周围土体的扰动。 （3）严格控制同步注浆量和浆液质量，并及时进行二次补注浆 通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。同步注浆量一般为建筑空隙的 200-250。根据地面建筑物和隧道的监测情况，则需在隧道内通过管片注浆孔进行壁后二次注浆。 3、建立土压平衡掘进模式 盾构机掘进过程中，主要通过以下两种方法来建立有效的土压平衡:一是在维持推进速度不变，保持土舱压力的情况下，根据螺旋机出口处渣样外观及其含水量，以及螺旋机扭矩数据
11、，合理调整螺旋机转速及开启度(一般情况下螺旋机转速为 2 一 5 rmp，开启度为 10%一 30%)，并采取渣土车逐斗控制出土量的方法严格控制渣土排放量，确保土舱压力足以平衡开挖面土水压力;二是在保持螺旋输送机转速或闸门开启度不变的情况下，增大盾构机的推力，降低刀盘转速，达到增大土舱压力的目的。4、环形间隙注浆 采取同步注浆填充管片背后环形间隙，注浆材料采用水泥、砂、豁土、粉煤灰和外加剂拌制，注浆压力 0.3 一 0.4 MPa,注浆量为环形间隙体积的 1.5 一 1.8 倍。同步注浆使成型隧道与围岩尽快固结成一体，防止隧道结构上浮及管片相对位置偏移，同时减少地层坍塌。砂层掘进施工应密切监控
12、同步灌浆的压力、流量和管道畅通情况，确保同步灌浆顺利进行。 六、结束语 近年来我国城市化进程的不断加进，建筑业也在快速发展。土压平衡盾构也得到了广泛的应用，由于土压平衡盾构在砂性土壤施工时的特点，即由于砂性土塑流性差含水量高渗透系数大容易产生扰动液化甚至流砂往往伴随有较大的地面沉降，这就可能造成施工质量差，甚至造成巨大的经济损失。因此，我们应该加强对土压平衡盾构在砂性土中的施工应用措施。 参考文献 1胡胜利,乔世珊.土压平衡式盾构机J.建筑机械,2000(1)2426. 2易宏伟,张庆贺,朱忠隆.静力触探在盾构施工对土体扰动研究中的应用J. 世界隧道,2000(2)710. 3林绣贤.柔性路面结构设计方法M.人民交通出版社,2008.
