盾构在砂层中掘进的技术措施

盾构在砂层中掘进的技术措施

一、概况

盾构在砂层中穿越，地面为城市交通要道或湖面，隧道埋深约为7.8m～

14.3m，砂层为良好的富水和透水地层，饱含地下水，渗透系数为8.26～29.11m/d。

二、盾构机技术特点

1、土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构。适用于含水的软土、软岩、硬岩及混合地层的隧道掘进。

2、掘进施工可采用复合式土压平衡盾构机具有敞开式、半敞开式及土压平衡三种掘进模式。掘进操作可自动控制、也可半自动控制或手动控制。通过试验段的掘进选定六个施工管理指标来进行掘进控制管理:a、土仓压力；b、推进速度；c、总推力；d、排土量；e、刀盘转速和扭矩；f、注浆压力和注浆量，其中土仓压力是主要的管理指标。

3、盾构机配备了自动导向系统, 可控制和稳定掘进方向, 具有灵活转向纠偏能力。

4、盾构刀盘结构能满足不同地层的掘进速度要求。

5、盾构配备了同步注浆系统, 有利于控制隧道周围土体沉陷及建筑物保护。

6、盾构配备了泡沫及膨润土注入系统, 有利于碴土改良。配备了压缩空气系统, 有利于防止工作面的渗水及控制地表沉降。

三、掘进施工技术

1、出现问题：盾构机在富水砂层施工时，容易引起地层沉降大、隧道喷涌、盾构姿态难控制等问题。

2、主要施工技术措施

（1）采用土压平衡模式掘进，进行开挖面稳定计算，设定合理的掘进参数，控制盾构机姿态，控制土压力以稳定开作面，控制地表沉降，将施工对地层的影响减到最小。

1）掘进过程土仓顶部压力控制在1.0bar，掘进速度控制在30mm/min以上，出土量不得大于50m3；

2）盾构机姿态保持向上，趋势控制在范围±4。

3）掘进的过程必须尽可能的快，中间尽量减少停滞时间。

4）在掘进接近1600mm时根据土仓顶部压力减少或不出土，以使掘进至1800mm时土仓顶部压力达到2.0bar~3.0bar范围。

（2）注入泡沫剂

1）盾构掘进过程中向土仓内及刀盘面注入泡沫等添加材料, 形成隔水泥膜，防止水从地层中渗出，提高土仓内碴土的稠度来改善碴土的止水性以及在螺旋输送机上安装保压泵碴装置，以使土仓内的压力稳定平衡。防止涌水流砂和发生喷涌现象, 并利于螺旋输送机排土。

2）富水砂层中掘进可适量往土仓加入发泡剂，但必须根据实际情况严格控制发泡剂配比及加入量。

泡沫溶液的组成：泡沫添加剂2%，水97%。泡沫组成：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液混合而成。泡沫的注入量按开挖方量计算。

（3）保持连续掘进，减少盾构机停顿时间。

（4）适当缩短浆液胶凝时间，保证注浆质量。

盾尾同步注浆的量与地面沉降有较大关系，过少会造成地面较大的沉降，过多会窜浆至地面，污染环境。富水砂层注砂浆极易往外扩散，在掘进过程需根据注浆压力（0.3～0.4MPa，一般而言，注浆压力取1.1～1.2倍的静止水、土压力，）和地面情况及时调整注浆量(一般为建筑间隙的180%～200%)，对管片背后对称均匀压注。注浆的标准是确保脱出盾尾的管片背后的空隙能填满，这不仅可降低后期地面的沉降，也对管片防水起到一定有利作用。

盾尾同步注浆是从盾尾圆周上的四个点同时注浆，考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力将不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。在最初的压力设定时，下部每孔的压力比上部每孔的压力略大0.5～1.0bar。

穿越粉砂土层，同步注浆采用水泥砂浆，浆液的配比如下表。

表2-1 同步注浆材料初步配比表

浆液主要性能指标

胶凝时间：一般为3～10h，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。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间，获得早期强度，保证良好的注浆效果。

固结体强度：一天不小于0.2MPa（相当于软质岩层无侧限抗压强度），28天不小于2.5MPa（略大于强风化岩天然抗压强度）。

浆液结石率：>95%，即固结收缩率<5%。

浆液稠度：8～12cm

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%

注浆结束标准和注浆效果检查：采用双指标标准，即注浆压力达到设计压力或注浆压力未达到设计压力，但注浆量达到设计注浆量，即可停止注入。

注浆效果检查主要采用分析法，即根据P-Q-t曲线，结合掘进速度及衬砌、地表与周围建筑物变形量测结果进行综合分析判断。必要时采用无损探测法进行效果检查。

对于砂浆胶凝时间的控制，应做试验确定砂浆配比，并根据地层和掘进情况进行动态的调整。

（5）运用导向系统和分区操控推进油缸, 控制盾构姿态, 防止盾构抬升。

1）分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向。推进油缸按上、下、左、右分成四个组，每组油缸都有一个带行程测量和推力计算的推进油缸，根据需要调节各组油缸的推进力，控制掘进方向。

在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，则适当加大右侧油缸推力；在右转弯曲线掘进时，则适当加大左侧油缸的推力；在直线平坡段掘进时，则尽量使所有油缸的推力保持一致。

在曲线段和变坡段，必要时可利用盾构机的超挖刀进行局部超挖和在轴线允许偏差范围内提前进入曲线段掘进来纠偏。

当滚动超限时，就及时采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。

2）富水砂层的承重能力较低，加上盾构机在掘进过程中的震动，姿态较易往下沉。因此在地层中盾构机的姿态易保持向上，但趋势易控制在±4。若出现机头往下掉的情况，需及时通过千斤顶行程调节姿态。调节不可过急，可通过千斤

顶行程及选取最优管片两者结合来调节；不然会使得盾尾间隙过小，造成管片错台。

3）在实际施工中，由于管片选型错误、盾构机司机操作失误等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；在线路变坡段或急弯段掘进过程中，有可能产生较大的偏差，这时就要及时调整盾构机姿态、纠正偏差。

4）随着盾构推进导向系统后视基准点需要前移，须通过人工测量来进行精确定位。为保证推进方向的准确可靠，每周进行两次人工测量，以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构掘进方向的正确。

（6）出现开挖面容易喷涌、冒顶、坍塌的主要措施

1）关闭出土闸门，关掉螺旋机，在顶部土压不超限的情况下继续往前掘进，使土仓基本满土后（此时刀盘油压较高，扭矩较大）停止；然后稍开出土闸门，不启动螺旋机，让土压把砂土挤出，待砂土挤出速度较慢甚至不自动流出时再启动刀盘往前掘进。

2）关闭出土闸门，螺旋机正转转速调至2.0rpm左右，继续往前掘进，到顶部土压达2.8bar时停止；待土压降低到2.0bar以下时再按前面方法掘进，到刀盘扭矩较大（约3200KN·m）时，关闭刀盘及螺旋机，稍开出土闸门，让土压把砂土挤出，待砂土挤出速度较慢甚至不自动流出时再启动刀盘往前掘进。

3）严格控制盾构正面的平衡压力盾构机在过砂层时，通过下列两种方法控制土仓压力处于平衡状态：一是在保持推进速度不变的情况下，调节螺旋输送器的转速或闸门开度（螺旋输送器转速减小均能达到增大土仓压力的效果），控制出土量，建立和保持密封土仓压力；二是在保持螺旋输送器的转速或闸门开度不变的情况下，加大盾构机千斤顶的总推力，提高刀盘的转速和推进速度，增大密封土仓压力。

4）渣土改良：在砂土和沙砾等砂质土地层中，由于砂土的摩擦阻力很大，地下水丰富，土的透水系数也较高，依靠、削土的土压力保持开挖面上的压力（地下水压力和开挖面土压力）是很困难的。另外，通过开挖土体来很难保证出土的流动性，在这种砂性土的地层中，单纯依靠出土闸门等机械控制很难保证开挖面的稳定，所以在开挖面上加压或注入化学聚合物、泡沫剂、膨润土等材料，进行