复合型土压平衡盾构掘进工法

复合型土压平衡盾构掘进工法

土压平衡式盾构自1974年在日本首次使用以来，以其独到的优势已广泛用于世界各地的隧道工程中。我国上海等软土地区已经广泛应用土压平衡盾构建造地铁隧 道和其他市政公用隧道。但是，在强度差别较大的土质以及盾构掘进断面土层不均匀等复杂地质施工中，常规的土压平衡式盾构已难以适应施工要求，而复合型土压 平衡盾构正是在该形势下开发研制并成功地应用于复杂地质中施工。2000年上海隧道工程股份有限公司在我国首次应用由该公司开发研制的Φ6140复合型土 压平衡盾构建成了广州地铁二号线“海珠广场～市二宫”和“市二宫～江南新村”区间隧道；2001年上海隧道工程股份有限公司又采用复合型土压平衡盾构成功 地穿越了风化岩和砾质粘土交错的复杂地层，建成了深圳地铁一期工程2A标。复合型土压平衡盾构掘进技术已达到国际先进水平。

一、特点

复合型土压平衡盾构是在土压平衡盾构的基础上发展起来的一种适用于强度差别较大的土质以及盾构掘进断面土层不均匀等复杂地质条件中施工的新盾构，其施工方 法是在刀盘上装有2种或2种以上的刀具，可切削软土、硬土、砂砾和软岩等不均匀地层，为了保持开挖面的稳定，在切削刀盘后的密封舱内充填开挖下来的土体， 通过螺旋输送机出土，保持土压平衡的一种施工方法。

本工法主要特点：

1．具有切削软土、硬土、砂砾、岩石等不同强度的岩土功能。

2．根据土压变化调整出土和盾构推进速度，易达到工作面的稳定，减少地表变形。

3．对掘进土量和排土量能形成自动控制管理，机械自动化程度高、施工进度快。

4．施工安全性好，可在大深度、高水压下掘进工作。

5．在密闭舱内的中央部装备有效地搅拌土砂，力求土砂流动的旋转搅动罐，以及为防止粘性较强的粘土形成“泥饼”的被动搅拌棒，大大提高了盾构在复杂土层施工中的出土效率。

二、适用范围

本工法是用于软土、砂砾、软岩等不同地层内掘进直径3～10m的隧道。能适应多种环境和地层的要求。可在强度差别较大的土质和盾构掘进断面土层不均匀等复杂地层，以及高粘度砾质粘土、风化岩等常规土压平衡盾构无法适应的地层中使用。

三、工作原理

复合型土压平衡盾构是利用安装在盾构最前面带有滚刀、撕裂刀或先行刀等刀具的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来的土进入刀盘后面的密封舱内，并使舱内具 有适当压力与开挖面水土压力平衡或欠平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表变形，在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续排 土。

复合式土压平衡盾构主机见图1。

图1 复合式土压平衡盾构主机图

四、工艺流程

工艺流程见图2。

图2 工艺流程图 五、施工要点

施工时，应不断对日常操作等活动进行管理。随时注意开挖面的状态(土压力设定值)、隧道中心线偏移量、一次衬砌环状况、注浆状况以及对地表变形的影响等。

(一)初始推进段施工

盾构从竖井出发后100m作为推进试验阶段，结合地表变形量情况和工程质量、盾构设备的要求，对土压力、总推力、刀盘扭矩、推进速度、出土量、注浆量等施工参数反复量测、分析、调整，进一步优化。

(二)土压力管理

1．盾构进入软土层时，土舱应建立土压平衡。土压力一般通过装臵在密封土舱内的土压计检测读出，通常较为合适的土压力P0范围是：

(水压力+主动土压力)

0< (水压力+被动土压力)

P0以相应的静止土压力为中心范围内作波动。对土压力P0设定实行动态管理，并根据覆土深度和地表沉降监测数据作相应调整。

2．盾构进入岩土层时，当正面岩石层处于较稳定状态时，可考虑非土压平衡状态；当正面岩土层处于稳定状态时，可考虑建立非土压平衡状态，既对盾构设备有 利，又加快掘进速度，缩短工期。欠土压平衡或非土压平衡状态的建立应视地表变形情况进行适当调整。

(三)排土管理

1．土压平衡状态下，以土压力为控制目标，通过实测土压力值P1与P0值相比较，依此压差进行相应的排土管理，主要通过调整螺旋输送机的转速来控制土压和排土量。

2．非土压平衡状态下，尽可能提高螺旋机的出土效率，减少土舱内的堆积土体，增加土舱的有效进土空间。在刀盘正面土体自立性较好状况，可通过对土舱内加气 的技术措施，提高螺旋机的排土能力，防止土舱内“泥饼”的形成，降低大刀盘扭矩，从而加快掘进速度。

(四)注浆管理

一般采用盾尾同步注浆，辅以管片壁后注浆。

1．材料。应选择符合土体条件及盾构形式的注浆材料。拌制的浆液应具有泵送性好、不离析，压注后收缩小、凝结强度大于土体强度。

一般常用材料有：水泥砂浆(砂+水泥为主)；双液浆(水泥浆+水玻璃)；水泥+粉煤灰+陶土粉；可朔性注浆材料采用炉渣——石灰类甚至粘土等代替水泥，使浆液具有可朔性。

2．注浆压力和数量。注浆压力选择以能填充建筑空隙为原则，根据相应部位的土压力、水压力、泥浆压力以及衬砌的强度选择合适的压力，一般出口处压力为 0.1～0.3MPa，压浆量考虑到其渗透、加压单侧挤入、脱水、操挖等因素，多取为建筑空隙的150％～250％，对注浆的管理一般结合地表变形进行压 力与数量的综合管理。

(五)泡沫剂的压注

盾构处于软土、硬岩夹杂的复杂地质中施工，刀盘前安装滚刀，为了改良土体、保护刀盘以及保证盾构机正面良好的隔水效果，推进过程中采用压注泡沫剂。

泡沫剂压注的操作工序：

启动空压机→启动注水泵→空气、注水压力达到要求→开启泡沫装臵→压注泡沫

(六)刀具的调换

在岩石地层条件下施工时，盾构刀具如果损坏，则可土舱内施加气压条件进入土舱内进行刀具的调换。在换刀具时要选择土体自立性较好的地段，最好为全断面的岩层区域中进行。

当盾构处于软土层或粘度较高的砾质粘土中施工，尽可能不使用滚刀，增加盾构的进土部位；当盾构处于强度较高的风化岩中施工，应及时安装滚刀；当盾构处于强度较低的风化岩中施工时，应安装撕裂刀或先行刀。

(七)盾构在不同地质界面转换时的施工

盾构由软土层进入全断面岩石层，即由土压平衡状态向欠土压平衡状态或非土压平衡状态过渡，除适当降低土压设定值、增加同步注浆量、调整各区域油压差以及改变盾构千斤顶的合力位臵外，还应放慢推进速度。

盾构由全断面岩石层进入软土层，即由欠土压平衡状态或非土压平衡状态向土压平衡状态过渡，除适当增加土压设定值、减少同步注浆量外，同时要提高盾构与设计 轴线的相对坡度，调整各区域油压差以改变盾构千斤顶的合力位臵和方向，还应加快推进速度。

(八)盾构穿越断裂带的施工

1．盾构施工前确切地掌握断裂带的地质情况；视实际情况对隧道顶部以上的断裂带土体进行加固。

2．当盾构切口切人断裂带时，要考虑盾构正前方岩土性质的变化，对盾构姿态和出土量等各要素做出相应调整，防止盾构磕头、上仰等现象产生；为了消减沉降和断裂带水的不利影响，应及时实施同步注浆。

3．在盾构穿越后，对隧道周边的断裂带土体进行壁后注浆加固，确保隧道稳定，同时又能隔断断裂带的水涌向盾构切口，不致形成水路通道。

4．配备抽水泵，及时抽去盾构工作面的积水，确保盾构快速掘进；严格控制螺旋机闸门(或球阀)的开度，避免大量水喷涌而造成地面沉陷。

(九)盾构在岩石层中的施工

1．合理利用操挖刀和铰接千斤顶，以达到纠偏效果和调整盾构姿态。

2“孤石”处理。孤石出现后立即停止推进并锁定千斤顶，防止盾构后退；若前方土体自立性较好，则先清空土舱内的泥土并建立气压平衡，然后组织作业人员通过 人行闸门进入土舱内，对孤石进行粉碎；若土体自立性很差或无法自立，则需先对土体进行加固处理后，才允许作业人员进入土舱处理。

3．防止盾构旋转。掘进过程中，有针对性地加注泡沫以减小刀盘扭矩，消除产生盾构旋转的外力因素；利用减低推进速度、刀盘正反转等措施对盾构旋转角度进行 控制；通过改变刀盘旋转方向来纠正盾构旋转；通过增大盾构周边摩阻力控制盾构旋转。

六、质量标准

由于盾构隧道工程技术难度高，施工风险大，工程中不可预测因素多，且一般均为百年大计(如越江隧道、地铁隧道)，又具有不可返修 性，故此对质量要求极高。按照工程建设规范DGJ08—233—1999《盾构法隧道工程施工及验收规程》进行施工。

七、机具设备

盾构隧道工程的机具设备包括两大部分，一是盾构机械本身及其附属设备，另一是隧道施工常用设备。 1．复合型土压平衡盾构机械及附属设备见表1。

表1 复合型土压平衡盾构机械及附属设备

2．盾构隧道施工一般设备见表2。

表2 盾构隧道施工一般设备

八、安全与环境保护

(一)安全、卫生

1．必须遵循安全第—的原则。由于盾构工作面作业空间狭小，因此既要确保作业人员安全与健康，还应尽量创造—个舒适愉快的工作环境。

2．工作环境。应充分考虑地下作业的特殊性，在盾构施工中，确保通风设备、照明设备、通路的完整和有效，采取措施，消除影响工作人员健康的因素。

3．劳动防护。井下一切工作人员必须戴安全帽及劳动用品，集中思想操作，防止碰伤和不必要的安全事故，此外应根据工作环境设臵安全标志，配备相应的保护用品。 4．防上灾害发生。一般事故：如坠物、蹋落、轨道事故等；特殊事故：如火灾、缺氧、有毒气体中毒等。由于隧道中具有相对封闭的特性，这些灾害的发生将产生不可估量的损害，为此要遵照预防为主的原则，相应采取有效措施。

5．其他方面。吊运土箱、混凝土管片及其他材料时井下吊运活动范围严禁人员停留；起吊重物前应检查索具吊具等有无损伤，发现磨损及时更换；保证机械设备的 维修保养，严禁机器；节病超负工作；加强电机车安全管理；井下电机车严禁搭乘人员。

(二)环境保护

1．施工前，对工作井周围及隧道轴线沿途建筑物、构筑物进行调查，以便采取对策；采用低噪声没备，音源配臵合理或采用隔音设备。

2．建筑物保护采取有效措施，控制地表下沉，尽量减少对沿线建筑物的影响。

九、劳动力组织

复合型土压平衡盾构施工技术要求高，专业性较强，要求工种多，且由于其特殊性，现场需配备土建工程师、电气工程师和测量工程师。

作业人员考虑一天24h连续作业，每作业班配备人员见表3。

表3 每作业班配备人员

十、效益分析

一般土压平衡盾构很难在软土和岩石混合地层中施工，复合型土压平衡盾构充分显示其在各种复杂地层中掘进的能力。复合型土压平衡盾构掘进工法与矿山法相比，具有安全、作业环境好、掘进速度快、隧道整体防水好及综合造价低的优点。

复合型土压平衡盾构一般不需要辅助施工法，受环境影响少，能保持连续均衡施工，既缩短工期又能保证高质量。对施工人员来说，由于其机械化程度高，隧道内噪 音低，无气压，减轻了劳动强度，有利于施工人员的健康和安全。该工法具有较明显的经济效益和社会环境效益。