哈尔滨地铁富水砂层土压平衡盾构施工技术

PAGE12-富水砂层土压平衡盾构施工技术浅析【摘要】在富水砂层中采用土压平衡盾构掘进施工，具有较大的风险和难点，本文结合哈尔滨地铁工程土压平衡盾构施工的成功实例，从盾构机设备的性能配置、施工工艺参数（掘进参数）、辅助措施（碴土改良）等方面，分析、介绍了富水砂层中土压平衡盾构掘进施工的关键技术。【关键词】土压平衡盾构机，富水砂层，掘进参数，碴土改良，沉降引言土压平衡盾构对全断面富水砂层地层的适应性是一个比较复杂的综合技术问题，掘进施工中面临着如何保证高灵敏性土体稳定的难点以及隧道喷涌、地层沉降大等风险。要取得良好的施工效果，需要从改善盾构机设备的性能配置、施工工艺参数（掘进参数）、辅助措施（碴土改良）等方面综合考虑。1工程概况哈尔滨地铁XXXX包含两站两区间，区间隧道总长1206.98m，采用土压平衡盾构法施工。区间场地范围内主要为第四纪全新统堆积层，地处河谷漫滩及波状冲击平原，地层岩性为粉质粘土、砂类土，隧道开挖的地层主要为中砂层，部分区段含少量粗砂层和粉细砂层，地下水稳定水位为自然地面下2.5m，地层的物理力学性质指标见表1所示。区间隧道埋深9.08~14.0m，最小曲线半径350m，最大纵坡25‰。管片外径6000mm，内径5400mm，环宽1200mm。区间隧道下穿三座上世纪五十年代修建的2层旧楼房，房屋基础为毛石基础，基础埋深2.2m。表1地层物理参数表岩

土

名

称天然

含水

率

ω

((%)质量

密度

ρ

(gg/cm33)重力

密度

γ

(kkN/m33)天然

孔隙

比

e直接快剪固结快剪压缩系数α

0.1-0.22

(1/MPPa)压缩模量Es

0.1-00.2

(MPa))含泥量(%）渗透系数(*110-6cm/s))粘聚

力

cq

(kkPa)内摩

擦角

φq

((度)粘聚

力

cc

(kkPa)内摩

擦角

φc

((度)粉粘土33.81.8418.40.96610.712.319.313.40.5303.62—8.92粉砂28.01.9519.40.6629.825.06.028.50.13111.3823.05000中砂24.71.9819.80.543—28.06.632.00.11713.865.08597.62盾构机设备该工程采用两台维尔特土压平衡盾构机设备进行开挖掘进施工，盾构机主机长9.6m，开挖直径6280mm，中前体长5.8m，盾尾长3.8m，中体与盾尾由8个被动铰接油缸联接，推进千斤顶20个，总推力32000kN，刀盘额定扭矩3500kNm，刀具配置94把刮刀，22把羊角刀，12把贝壳刀，1把中心刀，刀盘上设有4个注入孔。为适应砂性地层掘进施工，对盾构机设备进行了部分改造：（1）将面板式刀盘改造成辐条式，刀盘开口率由28%增大到44%；（2）在后配套台车上加设膨润土注入设备及高分子聚合物注入设备，并连接到刀盘上的4个注入孔；（3）在盾构机盾尾前部盾壳上按均匀间距钻设5个φ25孔洞，并安装阀门，可通过该孔洞向盾壳外注入水泥浆、膨润土、聚氨酯等流动性材料。3掘进参数设置3.1土压力设置土压力值是影响盾构机到达前和通过时地层沉降的关键因素，土压力设置必须科学合理。根据朗肯主动土压力理论，采用土水分算计算该工程盾构区间隧道中心水平土压力为0.12~0.18MPa。掘进施工中，为较好地控制地层沉降，土压力设置宜比理论计算值高0.02MPa。若土压力设置偏低，则有以下弊端：（1）无法维持切削面稳定，对地层扰动大，在盾构机前方、盾构机通过时及盾构机后方地层固结沉降均较大；（2）盾壳与围岩间的空隙不能得到挤压填充，盾构机通过时沉降大；（3）易造成出渣量偏大，导致地层损失，在盾构机前方及盾构机通过时地层沉降均较大；若土压力设置过大，则弊端如下：（1）对地层扰动大，对后期沉降不利；（2）盾壳与围岩间的空隙过分挤压填充，虽使盾构机前方及盾构机通过时的沉降得到有效控制，但也增大了围岩对盾构机的握箍力，即摩阻力增大，导致盾构机铰接装置受力较大，铰接油压大，铰接油缸易被拉长，对设备损害较大；（3）总推力大，易造成管片破损等质量问题；（4）掘进速度减慢。因此，土压力设置的是否合理非常关键。设置过小，不利于沉降控制，设置过大，对盾构设备损害大，且不利于施工质量和进度控制。掘进施工中应尽量保持土仓压力稳定，以减小对地层的扰动。盾构机下穿重要建（构）筑物时，根据设计沉降要求，可适当提高土仓压力，以减小盾构到达前和通过时的地层沉降，使地层最终累计沉降值满足设计要求。3.2出渣量控制盾构隧道开挖地层为中砂层，该地层孔隙率大，中压缩性，砂土被开挖出来后孔隙率基本不发生变化，加入的膨润土和高分子聚合物等碴土改良材料为细颗粒或溶液，也可完全填充到砂土孔隙中。故出渣松散系数为1.0，即出碴量为理论计算量，1.2m环宽管片出渣量为37.2m3。富水砂层为高敏感地层，稳定性极差，盾构掘进施工中要严格控制每环的出土量，并根据千斤顶行程实时进行控制，避免因出土超量引起地层损失，导致产生较大地层沉降。3.3刀盘扭矩刀盘扭矩与千斤顶推力、土仓压力、刀盘转速、碴土改良效果等因素有关，并考虑避免盾构机滚转速度过快，刀盘扭矩不宜过大。在该工程盾构掘进施工中刀盘扭矩控制在2500~2800kNm。3.4刀盘转速刀盘转速应与刀具配置、千斤顶推力、刀盘扭矩、掘进速度、出渣速率等参数相匹配，使刀盘切屑土体的速率与出渣速率达到动态平衡，刀盘扭矩、掘进速度处于较优状态。在砂性地层中，刀盘转速一般取1.0~1.3r/min。3.5掘进速度盾构掘进速度与千斤顶推力、土仓压力、刀盘扭矩、碴土改良效果、出渣速率等参数有关，施工中应综合考虑。在满足刀盘扭矩、土仓压力处于设计值的条件下，可通过调整千斤顶推力和出渣速率来控制掘进速度。根据施工经验，在中砂层及粉细砂层中盾构掘进速度控制在约20~30mm/min，在粗砂层中盾构掘进速度控制在约30~40mm/min，其他各项参数能处于较好状态。掘进过程中保持掘进速度稳定，连续均衡。3.6盾构推力盾构总推力可根据其他掘进参数及盾构机姿态调整等具体掘进情况适当调整，在全断面富水砂层中，盾构总推力一般控制在15000~20000kN。综上所述，掘进参数的理想状态是刀盘扭矩不超过设定值，土仓压力稳定在设定值，推力适当，出土量控制合理，掘进速度快。但因要满足刀盘扭矩、土仓压力设计要求，常会出现以下矛盾：刀盘扭矩过大，减小推力则掘进速度会减慢，出土量也可能增大；在刀盘扭矩一定时，要提高掘进速度，需加快出土速度、增大出土量，若掘进速度不能得到相应提高，则土压力会小于设定值，且出土量过多，地层沉降大。因此，要综合考虑各项掘进参数的设计要求和可调范围，并通过碴土改良等辅助措施将各项掘进参数调整到最优状态。4碴土改良措施4.1碴土改良的必要性在盾构施工中，进行碴土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的重要技术手段，其主要目的就是要使盾构切削下来的碴土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以使掘进施工中各项掘进参数都可达到理想的工作状况。在全断面富水砂层中，若不采取碴土改良措施或改良效果差，会出现如下问题：（1）当地下水比较丰富时，可能因碴土的止水性差而导致地层失水而引起地层变形加大，或产生环境问题。（2）砂土润滑性差，刀盘扭矩大，易摩擦生热，导致碴土温度高，易发生板结现象。（2）采用土压平衡模式掘进时会因碴土密水性差而产生喷涌现象。（3）由于砂层密水性差，掘进停机后，土仓内砂土易离析、沉淀、密实，使刀盘再次启动时扭矩大，启动困难，对盾构机设备损害大。（4）碴土和易性差，螺旋机出渣不畅，导致掘进速度慢，掘进参数不易控制。4.2碴土改良材料和作用富水砂层掘进施工中的碴土改良材料主要采用膨润土和高分子聚合物。4.2.1膨润土盾构机开挖地层为中砂层，含泥量低（约5%），注入膨润土可提高砂土的含泥量，改善碴土性能，其主要作用为：（1）使碴土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；（2）降低土体的渗透系数，使其具有较好的止水性，以控制地下水流失；（3）使切削下来的碴土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土，提高掘进速度；（4）可有效提高土体的保水性，防止碴土离析、沉淀板结；（5）使土体具有较低的内摩擦角，降低刀盘扭矩，减少对刀具和螺旋输送机的磨损；（6）提高高分子聚合物改良剂的使用效果。膨润土采用天然钠基膨润土，膨润土浆液材料及配合比见表2所示。表2膨润土浆液性能表材料配合比膨化时间（h）比重用量（m3/环环）钠基膨润土膨润土水＞61.08～1..16～81～474.2.2高分子聚合物高分子聚合物选用两性聚丙烯胺，具有较强的吸水膨胀并增稠性。注入高分子聚合物材料是为提高碴土粘稠度，将碴土改良成塑性流动体，防止或减轻螺旋输送机排土时产生喷涌现象，并防止碴土粘结刀盘而产生泥饼。高分子聚合物材料配合比与用量见表3所示。表3高分子聚合物配合比与用量表材料配合比用量（m3/环环）高分子聚合物高分子聚合物水4～61～410004.3碴土改良措施（1）改良剂注入方式碴土改良剂要充分发挥改良效果，必须注入到刀盘前方，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌使改良剂与碴土充分混合。采用盾构机配置的专用装置通过刀盘上4个注入孔向刀盘前方注入改良剂，其中2个注入孔注膨润土，2个注入孔注高分子聚合物，实现了改良剂与碴土的充分混合，使碴土具成为塑性流动状态，即所谓的“挤牙膏”效应。改良材料的注入量和注入速率通过注入装置调节控制。（2）改良剂注入参数膨润土泥浆要达到良好的改良效果，应达到以下要求：一是保证膨润土材料的质量；二是严格按照配合比拌制，并保证膨润土膨化时间；三是每环注入量6～8m3，即注入体积为富水砂层总体积的15%～20%，使砂层含泥量达到15%以上。高分子聚合物材料的配合比和注入量应根据螺旋机出渣的具体情况确定，若喷涌现象轻微，则减小高分子聚合物混合液浓度或注入量；反之则需提高高分子聚合物混合液浓度或（和）注入量。每环高分子混合液的注入体积一般为富水砂层总体积的6%～12%。5壁后注浆为及时充填管片与地层间的建筑间隙，减小地层后期沉降，稳定管片结构，控制盾构掘进方向，加强管片隧道结构的防水能力，管片壁后环向间隙采用同步注浆和二次补充注浆进行填充。5.1同步注浆材料及配比设计（1）注浆材料因砂层孔隙率大，浆液易串入地层中，故浆液中必须有足够的骨料（中细砂）参入量，防止浆液串入地层，以保证建筑空隙得到充分填充。同步注浆材料和配合比见表4所示，该浆材具有结石率高、耐久性好、能防止地下水浸析和施工方便的特点。（2）浆液配比及主要物理力学指标在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验作适当调整。同步注浆浆液的主要物理力学性能指标：①胶凝时间：为6～8h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。②固结体强度：一天强度0.25MPa，28天强度4.5MPa。③浆液结石率：>95%，即固结收缩率<5%。④浆液稠度：10～18cm。⑤浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。表4同步注浆材料配比和性能指标表配合比（1/mm3）性能水泥(kg)粉煤灰(kg))膨润土(kg))细砂(kg)水(kg)比重稠度(cm)凝结时间(h))80400505805501.66166～85.2同步注浆主要技术参数（1）注浆压力为保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据理论计算和经验，注浆压力取值为：0.3～0.5MPa。（2）注浆量由于砂层渗透性强，注浆系数取1.5～2.0倍，即每环（1.2m）注浆量Q=4.9～6.5m3。（3）注浆速度同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环1.2m掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。（4）注浆结束标准采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，当注浆压力达到设定值，注浆量达到设计值的85%以上时，即可认为达到了质量要求；当注浆量达到设定值，注浆压力未达到设定值时，应加大注浆量，直到注浆压力达到设定值。5.3二次补充注浆当盾构下穿建（构）筑物或地层沉降较大，及时采取二次补充注浆，尽早补填建筑空隙，对控制地层沉降效果理想。（1）注浆参数二次补充注浆一般以注浆压力为控制标准，对于富水砂层中的盾构隧道，注浆压力宜控制在0.6～0.8MPa。（2）注浆方式二次注浆在管片脱出盾尾6～8环进行，以防止损坏盾尾密封装置和堵塞同步注浆管道。通过管片注浆孔注入到管片壁后。（3）注浆浆液二次注浆采用水泥+水玻璃双液浆，浆液配比见表5所示：表5二次注浆浆液配比浆液配比凝结时间A液B液30s水泥∶水=1∶1水玻璃（35BBe′）A液∶B液=3∶16地层沉降通过对哈尔滨地铁XX九标富水砂层土压平衡盾构施工地层沉降监测数据的统计分析，得出以下结论：（1）富水砂层土压平衡盾构法施工，采用上述掘进参数和辅助施工措施，地层沉降可有效控制在-20mm左右。（2）沿隧道纵断面地层沉降值的变化规律为：刀盘前方沉降约-5mm，盾构机通过时沉降约-10mm，盾构机通过后沉降约-5mm，即地层沉降主要发生在盾构机通过时。纵断面沉降曲线图见图1所示：盾构机刀盘里程距监测点R28约2m，监测点R27、R27A位于盾体上方，监测点R26脱出盾尾约3m。（3）沉降影响范围当累计沉降量为-20mm左右时，沉降影响范围为：=1\*GB3①沿隧道纵断面沉降影响范围为：刀盘前方5～8m至盾尾后方10m左右；=2\*GB3②沿隧道横断面沉降影响范围为：隧道中线两侧10m范围内，图2为盾构机通过100m后沉降趋于稳定时的横断面沉降曲线图；若累计沉降量增大或减小，则沉降影响范围相应的会增大或减小。（4）