哈尔滨地铁富水砂层土压平衡盾构施工技术

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地层物理参数表养岩

跨土

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液称抽天然

够含水

路率

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柱(滨%)累质量

蜂密度

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孙(由g/cm捆3帮)渠重力

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呆(熄1/MPa)基压缩齿模量燃Es

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肿(团度享)衫粉粘土脂33.8坑1.84要18.4晚0.966身10.7艳12.3线19.3搞13.4键0.530廉3.62括—貌8.92铺粉砂挥28.0组1.95忍19.4薪0.662淹9.8棚25.0升6.0校28.5洒0.131评11.38峡23.0恰5000援中砂似24.7定1.98梢19.8合0.543供—畅28.0睛6.6殃32.0饮0.117插13.86礼5甩.0泻8597.62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：侵（浪1怪）窗无法维持切削乘面稳定，对地喉层扰动贵大，亏在盾构机前方倡、盾构机通过隶时及群盾构机后方地显层固结镜沉降竞均秩较大；赠（欺2孕）辩盾壳与围岩间指的空隙不能得肥到挤压填充，厉盾构机通过时纤沉降大；匪（须3姥）升易造成出渣量咸偏大，导致地哄层损失，齿在盾构机前方冬及盾构机通过脂时持地层纱沉降均较大姐；跨若土压力设置钳过大，饼则弊端如下：软（畏1返）峰对地层扰动大乞，对后期沉降峰不利；捏（刺2下）涝盾壳与围岩间亲的空隙过分挤晴压填充，虽使殃盾构机前方及自盾构机通过时诵的沉降得到有调效控制，但也慨增大了围岩对悔盾构机的握箍碧力驰，即摩阻力增渐大耻，导致盾构机扎铰接装置受力香较大，铰接油学压大，铰接油句缸易被拉长，帐对设备损害较对大；棵（收3紧）辫总推力大，易失造成管片破损墙等质量问题泛；航（层4骗）侨掘进速度减慢玻。隙因此，土压力猎设置絮的拳是否滑合理做非常关键粮。设置过小，幸不利于沉降控钳制，设置过大址，对盾构设备雨损害大，且不计利于施工质量纺和进度控制。恼掘进施工中应鹅尽量保持土仓派压力稳定，以喜减小对地层的稼扰动。所盾构机下穿重姑要建须（招构池）颜筑物时，根据扁设计沉降要求山，可适当提高盼土仓压力，以笋减小盾构只到达前和通过坝时的地层沉降夹，使地层最终崇累计沉降值满孔足设计要求。两3.2币出渣量控制爷盾构隧道开挖座地层为中砂义层恩，该地层孔隙脾率大，中压缩铸性安，砂牛土民被开挖出来后未孔隙率基本不弹发生变化，加饼入的膨润土滤和立高分子聚合物躲等竹碴土仙改良材料为细超颗粒倾或溶液阔，也可李完全宋填充到砂坊土瓶孔隙中。故出钟渣松散系数恰为此1.忠0幻，即出部碴望量为理论计算舱量，讯1.2m垃环宽管片出渣暮量为莲37.2m扫3必。孤富水圈砂层为高敏感换地层，稳定性县极差，诵盾构现掘进施工中要新严格控制每环愈的出土量，并凯根据千斤潜顶行程实时进扩行控制，避免拘因出土超量引锈起地层损失，乳导致产生较大罗地层宋沉降。萄3劈.飞3点刀盘扭矩超刀盘扭矩与千箱斤顶推力、土求仓压力、刀盘牵转速、骡碴土吉改良效果等因校素有关，狸并考虑避免盾签构机滚转速度符过快，枪刀盘扭矩企不宜过大。木在该工程盾构浇掘进施工中陷刀盘扭矩控制雾在顿2500~2降800kNm筑。裳3.4巨刀盘转速亿刀盘转速应与旨刀具配置、厅千斤顶推力、遗刀盘扭矩、掘冬进速度、出渣敞速率等参数相存匹配，将使堤刀盘切屑土体碍的速率与出渣易速率达到动态趣平衡介，格刀盘扭矩、掘果进速度处于较爬优状态思。在砂性地层厘中，刀盘转速零一般亮取挠1.0~1.健3r/mi勺n率。躺3.5掠掘进速度雕盾构掘进速度生与千斤顶推力量、土仓压力、革刀盘扭矩、间碴土各改良效果、出写渣速率等参数茅有关，施工中絮应综合考虑宇。杏在满足刀盘扭尊矩、土仓压力淡处于设计值的姻条件下，可通敢过调整千斤顶租推力和出渣速慌率来控制掘进圈速度。根据施考工经验，在遮中赞砂层痛及粉细砂层偷中盾构掘进速副度控制在旧约琴20~资30mm样/mi尿n呢，镇在粗砂层中盾萝构掘进速度控耕制在朗约传30~姐40mm蹄/mi宜n平，煮其他各项参数漏能处于较好状呜态。胞掘进过程中保讲持吨掘进速度稳定皱，连续均衡老。洲3.6朴盾构推力莫盾构总推力可岭根据其他掘进烟参数及盾构机小姿态调整饮等具体掘进情掩况适当调整，是在全断面富水既砂层中，盾构娇总推力一般控忠制拆在鸟15000~患20000筑k去N议。委综上所述，已掘进参数的理柿想状态是刀盘怒扭矩不超过偏设座定值，土仓压造力始稳定在设定值港，推力窜适当益，出土量箩控制合理罪，塘掘候进速度快。渠但译因要满足刀盘灵扭矩、土酒仓赌压力坛设计佩要求，常会出宗现以下矛盾：驻刀盘扭矩过大督，减小推力则弊掘姜进速度会减慢包，出土量也可巴能增大；后在刀盘扭矩一做定时授，饭要提高掘进速胀度，需材加快出土速度烫、增大出土量誉，若扎掘旁进速度不能得亡到相应底提高絮，则土压力会缘小于设定值，逢且出土量过多誉，地层沉降大胸。咽因此，要综合轻考虑各项掘进虽参数毅的设计要求和饼可调范围揪，并通过柏碴土痕改良等辅助措酿施哭将各项掘进参陵数调整到最优岸状态。揉4柳碴土改良洒措施熊4径.1缠碴土轮改良的六必要性拣在盾构施工中慕，进行碴土改步良是保证盾构溉施工安全、顺横利、快速的一围项不可缺少的蜂重要技术手段奇，描其主要目的就与是要使盾构切刻削下来的碴土赠具有青良奸好的流塑性、愈合适的稠度、看较低的透水性胶和较小的摩阻枝力，以遣使牛掘进非施工中各项胞掘进的参数见都可达到理想延的工作状况脸。奇在全断面富水帖砂层中，若顾不准采取映碴土改良攻措施或改良效竖果差绩，会出现如下给问题：糖（即1善）依当地下水比较岛丰富时，可能子因碴土的止水赏性差而导致地明层失水而引起徐地层变形加大冲，或产生环境行问题。火（腹2亩）砂土润滑性门差，刀盘扭矩冲大，易摩擦生竟热，导致议碴土无温度高，易发蹲生板结现象。峡（听2踩）临采用土压平衡集模式掘进时会段因碴土密水性指差而产生喷涌岸现象。显（愧3磨）由于砂层密针水性差，掘进禁停机后，土仓羊内砂土易离析安、沉淀、密实厘，使刀盘再次喊启动时扭矩大抱，启动困难，董对盾构机设备鸟损害大。贞（豆4涌）及碴土该和易性差，螺能旋机出渣不畅钞，导致掘进速腔度慢，掘进参透数不易控制。蒸4叔.绑2熄碴土改良世材料和作用匀富水砂层掘进状施工中的暂碴土超改良慌材料躲主要锈采用掩膨润土和得高分子聚合物踪。闯镜膨润土匹盾构机开挖地码层为中砂层，门含泥量低（即约柳5郊%艇），镇注入膨润土恰可提高垮砂土的含泥量诚，改善城碴土内性能蜘，跨其主要箩作用温为浇：挖（产1研）使碴土具有李较好的土压平恩衡效果，利于挖稳定开挖面，塔控制地表沉降裕；猾（品2辰）雪降低土体的渗春透系数，祝使然其晚具有较好的止于水性，以控制代地下水流失；献（琴3视）使切削下来建的碴土顺利快瘦速进入土仓，幼并利于螺旋输滔送机顺利排土团，提高掘进速余度纵；竟（违4违）可有效邮提高土体的保拼水性，谋防止碴土恒离析、沉淀板线结泳；寺（阁5镰）透使土体具有较圈低的内摩擦角垮，播降低刀盘扭矩胃，梅减少砍对刀具和螺旋鸭输送机的磨损膀；占（睁6昨）提高高分子磨聚合物改良剂延的使用效果。见膨润土采用天抽然钠基膨润土聋，傅膨润土浆液妄材料饺及配合比见烦表熊2愁所示。劫表即2往震砌膨润土浆液性家能表留材料亡配合比盆膨化时间队（蝶h植）腿比重丽用量扭（旦m笛3撞/攻环）撕钠基膨润土抖膨润土温水僚＞册6香1.08杀～赞1.1价6之～放8叹1施～犁4认7鬼牲高分子聚合物棉高分子聚合物渗选用两性聚丙护烯胺，具有较骆强的吸水膨胀坐并增稠性。岭注入和高分子聚合物欠材料是为提高幻碴土荒粘稠度吩，粒将碴土改良成步塑性流动体，降防止或减轻螺锈旋输送机排土坊时理产生瞒喷涌现象恳，并埋防止碴土隙粘结刀盘而产把生泥饼眉。婶高分子聚合物邀材料配合比汽与用量垮见表侨3搭所示。悦表脏3诊高分子聚合物械配合比与用量两表述材料危配合比五用量网（茅m概3技/宾环）铸高分子聚合物哲高分子聚合物束水怒4烤～磨6笔1辅～孝4撒1000叙4.3勤碴土吹改良姑措施穷（慰1糠）改良剂注入扯方式拆碴土缴改良剂要充分纯发挥改良效果散，必须注入到稍刀盘前方，徐利用刀盘的旋彼转搅拌、土仓辅搅拌装置搅拌述使隐改良芹剂与碴土摊充分挽混合归。采用浩盾构机配置的喇专用装置忍通过刀盘店上使4疑个注入孔逐向刀盘床前方岁注入感改良讽剂，筑其扎中原2尼个注入孔注膨骡润土痒，盐2厚个注入孔注匙高分子聚合物课，实现了改良杆剂与阵碴土叮的充分混合，挠使碴土具铸成为塑性疗流动鲜状态，即所谓靠的熄“亿挤牙誉膏闹”进效应硬。莫改良材料的注柱入量和注入速昏率通过注入装佩置调节控制。涌（链2尊）改良剂注入余参数数膨润土相泥浆招要达到良好的紫改良效果，望应达到以下要捞求：一是包保证膨润土材拌料的质量踪；二是全严格按照配合盈比拌制，诚并保证膨润土工膨化时间；三券是扰每环注入量泥6圆～镜8厕m钳3芒，栗即注入体积为恭富水砂层总体券积欺的今1驶5非%松～域20惑%早，使砂层含泥崖量达栗到羊15导%临以上奖。平高分子聚合物擦材料的配合比纱和注入量应根赖据听螺旋机出渣的凡具体情况确定悉，若喷涌现象倘轻微，则减小栗高分子聚合物灾混合液样浓度或注入量椅；擦反之巴则需提高摧高分子聚合物掉混合液歪浓度或（和）志注入量。迈每环高分子廊混合液沫的注入叠体积干一般为替富水砂层总体农积匹的凯6悔%醒～田12团%辫。5壁后注浆锣为及时充填管订片与地层间的写建筑蛾间隙，污减小壳地层绿后期沉降烟，稳定管片结宜构，控制盾构还掘进方向，加违强管片隧道结闭构的防水能力凶，管片撤壁后土环向间隙采用佣同步注浆咸和二次补充注划浆械进行填充考。鼓5卷.1加同步显注浆材料及配妥比设计竭（旺1复）注浆材料财因砂层孔隙率隆大，浆液易串例入地层中，故然浆液中必须有鬼足够的骨料（塘中细砂）参入慢量，遣防止浆液串入顷地层，损以保证建筑空喉隙得到充分填丸充。同步注浆艘材料和配合比堵见妇表绿4三所示，什该浆材具有结闲石率高、耐久湿性好也、枯能防止地下水择浸析棒和施工方便贤的特点。望（获2烧）浆液配比及锈主要物理力学汁指标集在施工中，根放据地层条件、棵地下水情况及锤周边条件等，卷通过现场试验梦作适当调整亡。同步注浆浆烛液的主要物理趁力学性能指标钻：架①邀胶凝时间：为为6觉～弱8秃h遭，根据地层条依件和掘进速度嫁，通过现场试边验加入促凝剂汗及变更配比来问调整胶凝时间品。闸②担固结体强度：樱一天巨强度绍0.2伟5位MP要a衰，五28暮天观强盐度沿4总.5MP终a促。遣③摄浆液结石率估：离>95押%依，即固结收缩老率蚁<5艳%萍。岂④技浆液稠度：脑10掀～什18衡c眉m污。赚⑤盘浆液稳定性：粥倾析率（静置悲沉淀后上浮水罚体积与总体积恶之比）小纵于攀5后%恶。登表犹4漫糊欧同步注浆材料显配比和性能指镇标表亦配合比恋（烟1/m治3匠）谦性能极水泥遭(寨kg扛)恒粉煤灰县(俯kg蠢)期膨润土嗓(湾kg详)誉细鸣砂雾(为kg)差水尤(异kg敞)萄比重衣稠漫度音(嚷cm)胀凝结时揭间误(环h)娘80野4油00颤50傍580白550锻1.66诚16并6不～愿8加5老.驼2促同步注浆主要怎技术参数您（岁1愈）注浆压力尿为保证达到对第环向空隙的有监效充填，同时洪又能确保管片苗结构不因注浆警产生变形和损戴坏，根据斧理论河计算和经验，网注浆压力取值和为锡：护0.送3莫～该0.悄5昨MP够a拌。（2）注浆量残由于砂层渗透呜性驻强奔，注浆际系数取汤1.现5随～乱2.破0谦倍，亩即背每环（区1.2m敬）注浆厌量设Q=讽4.9悬～称6投.5浇m3往。碎（惠3虑）注浆速度刺同步注浆速度魂应与掘进速度危相匹配，按盾哀构完成一环套1.2m立掘进的时间内须完成当环注浆胆量来确定其平残均注浆速度。瞒（想4胞）注浆结束标量准徒采用注浆压力打和注浆量双指芝标控制标准，碗当注浆压力达例到设定值，注评浆量达到设计码值已的医85%够以上时，即可悲认为达到了质统量要求跳；当注浆量达滩到设定值，注摸浆压力未达到挑设定值时，应变加大注浆量，肿直到注浆压力芹达到设定值。脸5.寒3善二次补充注浆嘱当东盾构下穿求建（构）筑物故或地层沉降较员大威，吹及时采取二次警补充注浆，尽宁早补填建筑空醋隙，玻对桑控制地层沉降颂效果理想控。透（锅1长）注浆参数少二次补充注浆简一般以注浆压猪力为控制标准批，对于擦富水喝砂层中抖的串盾构隧道，注另浆压力宜控制妥在落0.6能～陆0.8MP嘉a梅。辅（信2边）注浆方式痛二次注浆在管宝片脱出盾均尾议6绞～赢8坐环进行，以防室止损坏盾尾密赶封装置和堵塞揪同步注浆管道橡。宝通过管片注浆提孔注入到管片越壁后。膊（茶3顶）注浆浆液麻二次注浆采用见水个泥妙+猫水玻璃双忙液础浆，浆液配比忠见缝表凤5洲所示酸：卵表兵5换扛该二次注浆浆液凯配比茂浆液配比票凝结时间策A垒液挑B绣液益30s网水流泥罢∶故水倍=村1格∶婆1石水玻璃培（六35B糖e话′老）葛A医液辜∶旨B姑液淡=3刚∶星16地层沉降差通过对哈尔滨这地铁贸XX页九标富水砂层廊土压平衡盾构迈施工地层沉降混监测数据的统如计分析，得出毛以下结论：泪（晴1某）恭富水砂层土压圣平衡盾构法施踪工，采用上述状掘进参数和辅解助施工措施，传地层沉降可有肺效控制在土-20mm毕左右。搁（艺2缺）啊沿隧道苍纵断面忠地层刚沉降命值烫的变化规律为膨：刀盘前方沉狸降约各-5mm娘，盾构机通过阁时沉降约醒-10mm楚，盾构机通过碗后沉降约耐-5mm芒，宪即地层沉降主附要发生在盾构油机通过时。标纵断面沉降吓曲线图鼓见需图脱1公所示：盾构机扒刀盘里程距监且测庙点遭R2帽8敬约米2m岗，监测间点姥R2乓7畜、糠R尘27A舰位于盾体上方染，监测律点骄R2牵6坑脱出盾尾约芹3m庄。净（浇3惹）枪沉降影响范围神当重累计沉降量为交-20mm永左右时，沉降择影响范围为：脂=1\*汇GB3容冷①隶沿隧道纵断面探沉降影响范围营为：刀盘前亭方按5愉～赤8m目至盾尾后方固10m距左右；晴=2\*寇GB3恼扑②致沿隧道横断面搭沉降影响范围潜为：隧道中线席两侧练10m浓范围内，吩图菊2物为盾构机通过煤100m控后沉降趋于稳居定时的横断面视沉降曲线图汽；满若累计沉降量角增大或