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来源：职称驿站所属分类：交通运输论文 发布时间：2011-08-22浏览：111次
摘要：介绍土压平衡盾构在长距离富水砂层下穿沉降敏感的机场高速的成功案例，探索出土压平衡盾构在在长距离富水砂层掘进的技术经验，以供类似沙层地层的工程借鉴。
关键词：盾构，长距离富水砂，盾尾刷
一、概况
三号线北延段高增站～新机场南站盾构区间过2＃联络通道位置后，盾构要斜穿机场高速路南往北车道，同时穿越机场航油管路后，到达机场高速中间绿化带继续穿行到达吊出井。针对工程始发段主要以灰岩地层为主，区间隧道采用两台海瑞克公司生产的混合式土压平衡盾构机；而盾构下穿机场高速段地层主要以冲积-洪积中粗砂层<3-2>、冲积-洪积砾砂层<3-3>地层，中间夹有冲积-洪积土层<4-1>、石灰岩残积土层<5C-1>、<5C-2>。富水砂层从理论为较适宜选用泥水盾构，而工程选用土压平衡盾构，施工风险较大，能够动态控制土压平衡是确保盾构穿越多条机场重要管线、机场雕塑和机场高高速路成功的关键。
二、盾构在长距离富水砂层下穿沉降敏感的机场高速施工风险分析
（1）地质变化大，软硬不均和长距离富水砂层的地层对盾构施工风险大
从工程剖面图1可以发现，隧道线路在横穿机场高速下地层变化较大，线路下伏地层主要为<6>、<7>、<9C-2>灰岩地层，尤其是灰岩地层起伏波动较大；线路上伏地层主要为<3-2>中粗砂层、<4-1>粘土层，局部有<3-1>粉细砂层，软硬不断的地层给盾构施工带来较大的风险。同时线路在机场高速不具备勘察条件，提供的地质资料精确度较差，类似地层有较多溶土洞，资料都没揭露。盾构进入绿化带掘进后，线路边界离高速路仅有3米，而隧道埋深达16米，施工影响高速公路5条车道以上，600米的长距离砂层风险较大。
（2）、机场高速位置敏感，沉降控制要求高，管线多、施工保护难度大
盾构掘进对双向八车道机场高速路影响范围达200多米长，机场高速担负着整个广州白云国际机场旅客的输送任务，一旦中断交通，将影响极大，机场管理方对。左右线路分别须穿越机场雕塑、航油管、机场路景观河、电力线及供水管等设施管线。尤其是航油管，它担负着整个整场的能源供应，其安全级别是最高级的，同时航油管离盾构隧道仅有5米，增加了施工保护的难度。
（3）、软硬不均的地层使盾构掘进姿态和出土量控制难度都较大。
（4）、全断面砂层掘进容易发生喷涌，以致发生地面塌方。
三、盾构机刀盘结构、刀具布置及刀具选择
工程技术人员认真的考虑600米富水砂层掘进刀具形式，决定右线选如图5的全盘滚刀形式，刀盘配置64把刮刀，16把边缘刮刀，31把单刃光面滚刀，4把双刃光面滚刀；面左线盾构机尝试把刀盘刀具调整为正面刀具安装20把羊角刮刀（包含4把双刃羊角刀），15把边缘单刃球齿滚刀不变，配置64把刮刀；通过对比，左右线两台盾构不同的刀具配置，盾构掘进中研究的盾构推力、扭矩和掘进速度主要参数基本一致；证明两种刀盘刀具配置形式都与地层相适应。600米砂土段线路勘察中没发现岩层，盾构掘进中通过洗渣样发现局部岩层入侵隧道限界，羊角刀容易被微风化的石灰岩破坏，右线盾构出洞后，外周6把羊角刀崩断。因此，结合灰岩地层变化较大的特点，采用羊角刀掘进风险较大，全滚刀的刀盘配置既适合硬岩掘进，又适合冲洪粘土及砂层掘进，类似地段应首选
四、盾尾刷管理
盾构能顺利通过600米富水砂层，与本工程有效盾尾刷管理是分不开的；盾尾刷的寿命对隧道质量、控制地表变形和加快施工进度都有较深远的影响，本工程对延长盾尾刷寿命进行了深入研究，最终盾构掘进1620米长，盾尾很少发生漏浆和涌水涌砂现象，拆机发现三排尾刷没发生损坏，局部仅发现有引起钢丝变形。盾尾刷损坏的主要原因有两方面：同步注浆的浆液进入盾尾密封系统，浆液凝结后，使盾尾刷与拖出的管片形成“刚性”接触和磨损，加快钢丝损坏破损密封系统；盾尾间隙过小，拖出的管片挤压盾尾刷。针对盾尾刷损坏原因，工程采取如下方面措施延长盾尾刷的寿命：①盾构始发前要保证钢丝刷焊接牢固，每个焊接口都要把焊渣清理检查；②人工涂刷的密封油脂要均匀，要保证钢丝的根部及周围充满油脂，用铲子瓣钢丝检查；③隧道管片外弧接缝最小6㎜宽，V型设计接缝更宽，通过粘贴海绵带有效防止水泥浆击穿盾尾密封系统；④要严格控制同步注浆压力，结合隧道安全考虑，注浆压力最高不宜大于0.35Mpa；⑤盾构自动注入设计压力不宜小于0.4Mpa；传感器局部受压影响盾尾的密封效果；工程每次同步注浆前首先手动注入密封油脂加强密封效果后，可以有效避免注浆击穿密封。⑥加强管片选型管理，保证盾尾间隙，减少管片与盾尾刷之间的钢性磨擦。
五、盾构在机场高速下的施工控制，“动态土压平衡”的是关键
（1）做好盾构机及配套设备的检查、维修和保养工作，使盾构连续快速掘进
在盾构进入机场高速路范围前，在2＃联络通道加固体内对刀盘刀具进行了全面检查，更换了磨损的滚刀、修补掉落及损坏齿刀，对盾构施工各项配套设备进行检查，如电瓶车、龙门吊、搅拌站等重要设备故障进行保养，减少因设备故障引起的停机。
（2）采用土压平衡模式掘进、使盾构连续快速掘进
针对软硬不均地层的特点，采用土压平衡模式掘进针对性掘进。
理论土压力（以隧道顶部埋深11米）：
土仓顶部：P1=K*γ*h1+γ水*h1=0.5*18.6*11+9.8*11=251kPa=2.10bar
土仓底部：P2=K*γ*h2+γ水*h2=0.5*18.6*17+9.8*17=388kPa=3.25bar
为达到盾构连续快速掘进，掘进过程中采用动态平衡模式，土仓上部土仓压力1.4～1.6bar，底部压力２.０～2.2bar，“欠压”掘进使盾构掘进速度大大提高，同时以部分气压代替土压，可以减少粘土糊刀盘现象。盾构每循环停机前，先停止出土继续掘进，迫使土压把刀盘仓内的气压置换出来，土仓上部土仓压力2.0～2.2bar，底部压力2.8～3.2bar，达到静态的平衡。
为论证盾构在富水砂层中如何确定盾构土仓压力达到“动态平衡”的问题，工程与北方北京交通大学该进行科研监测。方式主要为：盾构在富水砂层中施工的地面沉降的大小和范围；盾构在富水砂层中施工引起的土体应力、土体深层沉降和位移的变化规律；施工参数根据监测反馈的信息，及时调整相关盾构施工参数及施工辅助措施，进行监测数据的分析，实行信息化施工；富水砂层中盾构与土层相互作用以及地层反应规律，结合理论分析解决盾构掘进在富水砂层开挖面稳定的问题。
（3）加强渣土改良，避免盾构掘进“喷涌”，以达到盾构出土量控制目的
每环理论出渣量=Q虚＝K•Q实＝K•πR2•L＝1.2×π×3.142×1.5＝55.7m3
盾构每掘进一环的出渣量应严格控制在理论出渣量的95～105%，即52.9～58.5m3，超出此范围立即采取相应的措施进行进一步处理。工程出土斗储量为12m3，需要5斗装土方能完成一个循环掘进，每循环盾构千斤顶行程为1.5米，每装一斗土盾构前进行程要大于30cm，司机对每斗土的行程都要准确计算，以判断盾构掘进异常情况。
（4）加强地表沉降监测，及时反馈监测信息指导施工。
盾构在高速路下掘进，横向重点对埋深45度影响范围每隔15米布置一个监测的断面进行布点监测；纵向沿着线路中心每5米布置一个监测点，盾构掘进时，盾构机前方2.5D（D为盾构机直径）及盾构通过后30米都是重点监测范围，监测结果如下表：
综合监测数掘分析，盾构在高速下施工变形较小，施工较安全。
五、盾构在长距离富水砂层下穿沉降敏感的机场高速施工小结
土压平衡盾构机于长距离富水砂层中掘进，首先刀具选型至关重要，直接影响到掘进速度及刀具寿命，其次就是掘进模式与掘进参数的确立，施工过程的地质预报工作必须及时有效地进行以保证掘进过程的合理应对，同时地表沉降监测工作也是砂层掘进中关键控制点，由于软弱地层掘进地表沉降能敏锐的反应，为及时调整掘进参数的重要依据。
参考文献：
【1】复合地层中的盾构施工技术，竺维彬，鞠世健2005年中国科学技术出版社
【2】广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究，竺维彬，鞠世健2007年既南大学出版社
《土压平衡盾构长距离富水砂层穿越高速路掘进控制探索》
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文章名称： 土压平衡盾构长距离富水砂层穿越高速路掘进控制探索
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