粘性土层土压平衡盾构推进实例分析

粘性土层土压平衡盾构推进实例分析

粘性土层中粘粒含量较高、天然含水量低，土压平衡盾构在推进过程中易出现结泥饼、闭塞现象，导致盾构无法施工。本文通过对盾构机结构、盾构施工原理及结合×××站～×××站盾构区间实际施工经验，对开挖土体进行泡沫剂改良及优化盾构推进相关参数，可以很好的控制粘性土对土压平衡盾构机的影响。

标签：盾构机；粘性土层；泡沫剂；盾构推进参数

1工程概况 ×××至×××站区间，左线起讫里程左DK7+748.405～左DK8+720.350，左线全长959.635m（左线短链12.210m）。右线起讫里程右DK7+748.405～右DK8+720.350，右线全长970.44m（左线短链1.505m）。区间在左DK8+154.000（右DK8+143.294）处设置联络通道兼废水泵房一座。盾构区间埋深为18m～27m之间。区间隧道由×××至×××站，采用一台海瑞克S-540土压平衡盾构机施工。衬砌环全环由小封顶F、两块邻接块L和三块标准块B构成拼装方式采用错缝拼装。

2土压平衡盾构机结构及掘进原理

2.1土压平衡盾构机基本结构

盾构机由主机和后配套两部分组成。如下图：

主机外形尺寸：7565mm（L）X6250（前体）X6240（中体）X6230（盾尾），主机由刀盘、主轴承、前体、中体、推进油缸、铰接油缸、盾尾、管片安装机组成。主机内安装有四大系统，分别为刀盘系统、推进系统、输送系统、管片安装系统。

后配套全长49.3m，由5辆车架串接组成，盾构机与后配套之间通过桁梁联接。后配套车架内主要安装有盾构机控制系统、电气系统、泥浆泵、泡沫发生器、注浆泵、皮带输送机等设备。

2.2土压平衡盾构机掘进原理

刀盘旋转切削泥土通过刀盘开口被压进土舱，通过螺旋机转到皮带机上，然后输送到碴车里。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进，盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压和水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。

盾构千斤顶的推力通过承压隔板传递到土舱内的泥土浆上，由泥土浆的压力作用于开挖面，以抵消开挖面处的地下水压力和土压，形成平衡从而保持开挖面

的稳定。

3粘性土层中土压平衡盾构应用分析

盾构掘进初期，盾构掘进过程中多次发现刀盘空转，刀盘扭矩超过设定扭矩而跳闸停机，盾构机推进阻力也迅速增大，螺旋排土器无法正常的出土，并且压力舱压力上升很快。经开舱发现是刀盘和压力舱发生结泥饼、闭塞引起的。施工现场针对该问题，做了以下几项工作。

3.1分析盾构区间地层特性

盾构区间埋深为18m～27m之间。盾构区间主要通过地层为⑥32粉质粘土（fak=130MPa）、⑥33粉质粘土（fak=170MPa）、⑥34粉质粘土（fak=210MPa）。其中⑥32粉质粘土呈软塑状态。隧道围岩分类为I、II级。土石可挖分级为I、II级。

⑥32粉质粘土：褐黄色、黄褐色、灰褐色，呈软塑状态，含锈斑及氧化铁，土质较均匀，中压缩性，层顶高程约为127.98～151.53m，厚度约为1.10～11.10m。

⑥33粉质粘土：褐黄色、黄褐色、褐色，呈可塑状态，含锈斑及氧化铁，土质较均匀，中压缩性，层顶高程约为128.43～150.60m，厚度约为1.40～19.60m。

⑥34粉质粘土：黄褐色、褐色，呈硬塑状态，含锈斑及氧化铁，土质较均匀，中压缩性，层顶高程约为131.61～149.52m，厚度约为1.40～7.80m。

勘察时该区间地下水初见水位埋深约46.5～49.8m（绝对高程为111.15～152.54m）之间，稳定水位埋深约45.9～48.9m（绝对高程为112.55～152.84m）之间，由于地下水埋藏较深，对该区间隧道工程不构成影响。

3.2土压平衡盾构在粘性土层中易出现的问题

土压平衡式盾构在富含粘土矿物的高粘性地层中施工时，高粘性土由于粘附性大在刀盘或压力舱内局部粘结，在压力长时间的作用下排水固结，强度增长从而结成饼状硬块，这种结成饼状硬块的现象称为结饼。

盾构在高粘性土或粘粒含量较高的地层中施工时，由于高粘性土的粘性大，易在盾构压力舱内粘附。而压力舱中心轴处设有搅拌翼，搅拌范围内的土体与侧壁的粘附力主要是抵抗攪拌翼的扭矩，其粘附力在竖向的投影很小，因此这部分土体不会首先粘结。压力舱中的局部凹凸不平或边、角位置有利于土体的首先粘附，这一部分粘附的土体会与周围土体摩擦从而产生热量使得土体温度升高。在压力舱压力和高温的作用下，这部分首先粘附的土体会发生压密固化，土体与被粘附的接触面的强度和粘附土体自身的强度都急剧增大从而由粘附变为粘结，变得更不容易脱落下来。当压力舱内局部产生粘结土体后，由于粘结土体的表面较压力舱内的部件粗糙的多，使得土体在已粘结块的周围粘附和粘结更加容易，这

就形成了恶性循环，最终导致压力舱内搅拌翼搅拌范围以外的部分被粘结的土体堵塞，从而导致螺旋排土器无法将压力舱内的土体排出，盾构施工无法继续进行。这种土体堵塞压力舱导致螺旋排土器无法继续排土的现象称为闭塞。

3.3分析盾构推进参数

3.3.1盾构推进理论参数

⑴土仓压力

土仓压力是一个能综合反应地层情况、掘进速度、出土速度之间相互关系的关键参数，因此必须慎重选择，并在施工过程中依据监测结果及时调整。盾构在掘进过程中据此取得平衡压力的设定值，具体施工时根据盾构所在位置的埋深、土层状况及地表监测结果进行调整。

根据土体静压力公式：

=0.6×19.7×（18～27）=0.213～0.319MPa——公式1式中——

——侧向力系数，粉质粘土取0.6；

——粉质粘土重度取19.7KN/m3；

——隧道覆土深度取18～27m。

⑵掘进速度

盾构正常推进速度控制在3cm～4cm/min，为了减小盾构穿越过程中对地下土体的扰动，便于及时调整盾构的姿态，并结合盾构施工经验，顶进速度初步定为3cm～4cm/min，并及时根据监测结果调整控制掘进速度，同时保证盾构连续匀速掘进，保证均衡施工减少停顿，从总体上控制地面的隆起和沉降。

并保持推进速度、刀盘转速、出土速度和注浆速度相匹配；在推进过程中保持稳定。

⑶排土量

盾构推进出土量控制在理论出土量的98%～100%之间，即每环出土量36.4m3～37.15m3之间。

每环理论出土量：

=3.14×3.14×3.14×1.2=37.15m3?——公式2

式中——

D——盾构外径，取切口位置盾构外径6.28m；

l——管片径向长度取1.2m。

渣土斗体积：4.83×1.49×2.24=16.12m?。在未进行超挖的情况下考虑松方系数1.2，实际出土量44.58m?。施工过程中严格控制超挖。

⑷同步注浆

盾构尾部空隙量计算：

=3.24m?——公式3

式中——

D——盾构外径，取切口位置盾构外径6.28m；

d——管片外径，取6m；

l——管片径向长度取1.2m。

根据盾构施工经验，同步注浆采用表中的浆液配比，在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边环境等，通过现场试验优化确定。

同步注浆时必须要做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，在同步注浆压力和注浆量方面进行双控，做到适时、足量。具体注浆参数还需通过地面沉降信息反馈来确定。

4结束语

根据对×××站～×××站盾构施工情况分析，土壓平衡盾构机在粘性土中施工时，利用泡沫剂对开挖土体进行合理的改良，使得开挖土体具备盾构机开挖条件—“塑性流动状态”的基本要求，同时通过对盾构参数的合理优化，土压平衡盾构机是可以用于粘性土层的，对周边的环境影响也可以得到控制。

参考文献：

【1】汪国锋北京地铁十号线土压平衡盾构土体改良技术应用研究

【2】孙英伟土压平衡盾构施工泡沫剂效用分析

【3】河海大学[硕士]土压平衡式盾构高粘性土粘附闭塞机理及防治措施研

究

【4】《盾构掘进隧道工程施工及验收规范》（GB50466—2008）