嚣警一纛 ㈣城市轨道交通 嚣嚣拱 毫。艇 * 蠹搿 |%毒 簿 毪 ||甏《《 |1% 《魏罄 嚣| : 加泥式土压平衡盾构 开挖面稳定技术 李宏安:中国矿业大学(北京),硕士研究生,北京,1 00085 陆琰:北京城建亚泰建设工程有限公司,注册造价师,北京,1 0001 5 摘要:土压平衡盾构施工的关键是控制开挖面的稳 北京地铁l0号线一期工程线路全长24.55 km,设有 定,这是盾构施工控制沉降的核心。结合北京地铁1 O号 22个车站,全线共有6个区间采用盾构法施工,采用5台 线一期工程,分析土压平衡盾构开挖面的稳定机理,提 加泥式土压平衡盾构机,完成了7.3 km的隧道施工。盾 出土压力设定值和泥土压力管理方法;针对泥土的功能 构区问穿越的地层主要以粉土、粉质黏土、粉细砂、中 和特性,提出泥土的塑性流动态控制和改良控制方法, 粗砂为主,个别地段为粒径10 cm以内的圆砾石和卵石 并对出土量进行分析,得出全面了解开挖面稳定机理是 地层,周边施工环境复杂,沿线盾构穿越桥梁(包括天 关键、开挖面土压控制管理是确保开挖面稳定的重要环 桥、跨河桥)8座、高速公路(含快速路)5条、河流3 节、土的性状改良和出土量管理是确保开挖面稳定重要 条、铁路(含既有地铁)2条、重要市政管线若干,邻 因素的结论。 近建筑物众多,因此需要严格控制盾构施工引起的地面 关键词:加泥式土压平衡盾构;开挖面稳定技术;土压 沉降,必须提出一系列行之有效的控制土压平衡盾构开 控制;土体改良 挖面稳定技术。 盾 构施工以泛应用于地铁隧道安全、环保、1 土压平衡盾构开挖面的稳定机理 、电力隧道、给排水管道等工 机械化程度高等优点,广 隧道开挖是卸荷过程,土压平衡盾构最理想的状 程。加泥式土压平衡盾构应用领域广泛,具有良好的适 态是经刀盘切削下来的水和土充满密闭舱,以平衡开挖 应性,国内地铁隧道施工广泛采用。土压平衡盾构施工 面的水土压力(盾构施工不降水)。因此,切削下来的 最关键、最主要的是控制开挖面的稳定,这是盾构施工 土体应具有一定的塑性流动态,如果土体塑性流动态较 控制沉降的核心。 差,需要添加材料混合搅拌进行改良。首先明确一个概 中国铁路CHINESE RAILWAYS 2008/1 2 城市轨道交通 加泥式土压平衡盾构开挖面稳定技术李宏安等 念,切削下来的土体无论有无添加材料称为泥土,刀盘 定,泥土压力波动要小,波动变化大时开挖而不稳定 上土压力传感器计量检测到的压力称为泥土压力。土压 力的设定、控制管理指对检测到的泥土压力设定和控制 管理。土压平衡盾构开挖面稳定是依靠开挖面稳定机构 实现,包括切削机构(刀盘)、掘进机构、添加材料注 入装置、混合搅拌机构和排土机构。 (见图1)。 一筻 土 加泥式土压平衡盾构是在开挖面处加入泥浆、水或 化学泡沫等润滑材料,在土舱内通过搅拌叶片将切削下 来的土、砂与加入的润滑材料混合,使其变成具有适当 塑性、流动性及低透水性的泥土,这种改良后形成的泥 土充满土舱和螺旋输送机。加泥式士压平衡盾构利用改 勇 掘进距离 图1 土压舱内泥土压力波动变化示意图 盾构施工过程中, 盘扰动改变了原状天然土体的 良后泥土产生的泥土压力,平衡地层的水、上压力,保 静止弹性平衡状态,使刀盘附近的土体产生主动土压力 证开挖面的相对稳定,并通过控制盾构千斤顶的推进速 或被动土压力。盾构掘进时,如果土舱内泥土压力设置 度和螺旋输送机的转速,保持土舱内改良土的压力处于 偏低,工作面前部的土体向盾构刀盘方向产生微小移动 适当范围,当掘进量和出土量处于平衡状态时,盾构向 或滑动,出现土体向下滑动趋势。为抵抗土体向下滑动, 前掘进,螺旋输送机排土,盾构掘进继续。 综 L所述,加泥式土压平衡盾构是在掘进过程中, 土体的抗剪力逐渐增大。当土体的侧向应力下降到一定程 度,抗剪强度充分发挥时,其侧向土压力减到最小值,处 对从各计量检测元件上获取的施工参数与预先设定的施 于极限平衡状态, 工参数目标值进行检查和比较,综合控制掘进机构各组 即主动极限平衡状 成部分协调动作,实现工作面的稳定,确保施工安全。 态,与此相应的土 控制开挖面稳定技术包括泥土压力控制技术、泥土的塑 压力称为主动土压 性流动态改良技术、出土量管理技术。 2泥土压力控制技术 2.1泥土压力设定 时,地面出现沉降 图2泥土压力设置偏低时地面出现沉降 加泥式土压平衡盾构施工中,合理设置泥土压力对 现象(见图2)。一 一 ~ 力。当土舱内泥土 压力设置偏低(接 近主动土压力) 一 一 一 控制地表沉降意义重大。泥土压力的设定遵循原则:一 是土舱内的泥土压力应可以维持刀盘前方的围岩稳定, 一 盾构掘进时,如果土舱内土压力设置偏高,刀盘对 土体的侧向应力逐渐增大,刀盘前部的土体出现向上滑动 如果泥土压力偏低会使土体坍塌、地下水流失;二是尽 趋势,为抵抗土体的向上滑动,土体的抗剪力逐渐增大,处 可能减小土舱内的泥土压力,以降低掘进扭矩和推力, 低掘进成本。 一于极限平衡状态,即被动极限平衡状态,与此相应的土压 压力。当土舱 提高掘进速度,减少土体对刀具的磨损,最大限度地降 力称为被动土 般来说,泥土压力=地下水压力+土压力+预备 内泥土压力设 压力。其中,地下水压力可通过钻孔数据正确掌握, 置偏高(接近 但要考虑季节性变化,靠近河流等场地,要考虑水面 被动土压力) 水位变动的影响。土压力有主动土压力、静止土压力 时,地面出现 和被动土压力,可根据地层条件区别使用。土压平 隆起现象(见 衡盾构预备压力通常取l0~20 kN/m 。为使开挖面稳 图3)。图3泥土压力设置偏高时地面出现隆起 66 中国铁路CHINESE RAILWAYS 2oo8/i 2 加泥式土压平衡盾构开挖面稳定技术李宏安等 ∥ 》. 蘩 哪l城市轨道交通 llll》g 饕 —i镬 誊鬟 除了地层因素,刀盘形式和泥土压力设定值与开 性体,通过泥土压力传感器能计量检测出盾构周边泥土 挖面稳定直接有关,从面板式与辐条式刀盘泥土压力特 压力的变化,监视盾构周边和前方的土压力,避免地层 性来看,辐条式刀盘的开挖面平衡比面板式刀盘更容 出现塑性状态及地面产生过大沉降。 易控制。北京地铁1O号线一期工程施工中,采用5台 泥土压力管理是在施工过程中通过一定手段调节 盾构机,其中3台刀盘为面板式,2台为辐条式。在 泥土压力值。在土压平衡盾构中一般采用调节螺旋输送 地层相似、埋深相似地段掘进时,盾构机刀盘形式不 机的旋转次数、盾构千斤顶的掘进速度,以及两者组合 同,泥土压力设定值也略有差异,如德国海瑞克面板式 方式调节泥土压力。理论上设定的泥土压力目标值应等 刀盘的泥土压力设定值比日本石川I岛播磨辐条式刀盘 于上层压力(静止土压+水压),在施工中很难实现。 的高。在粉土和粉质黏土中,面板式刀盘泥土压力为 可采用盾构掘进停止时的开挖面泥土压力测定值作为泥 0.12~0.18 MPa,辐条式为0.08~0.12 MPa。在粉质黏土 土压力目标值。通过分析掘进中泥土压力和出土量的变 和小粒径砂卵石中,虽然采用同一种刀盘形式,但小粒 化,判断设定的目标值是否合适并进行修正。另外,调 径砂卵石地层刀盘泥土压力设定值较低。 2,2泥土压力管理 节螺旋输送机出土口的舱门宽度、控制螺旋输送机的出 土量、调节螺旋输送机内的土体密度与防止喷水也能起 泥土压力管理是指土舱内泥土压力稳定在目标范 到调节舱内压力和稳定切削面的作用。根据北京地铁l0 围内,即恒定维持土舱内泥土量的同时,以排土控制切 号线一期工程土压平衡盾构的施工经验,舱内泥土压力 削。从挖土与排土之间的控制关系来看,泥土压力管理 与理论水、土压力的差值小于0.02 MPa。盾构掘进中土 是在一定范围调整盾构掘进速度,控制螺旋输送机的转 舱泥土压力控制见图5。 速和出土量,即排土控制。 螺旋输送机的转速自动控制分为体积控制和土压 控制。体积控制是指螺旋输送机的转速由与盾构掘进速 度成比例的挖掘土量控制;土压控制是指土舱内泥土压 力保持一定值,控制螺旋输送机转速。土压控制与体积 控制并用,体积控制粗调出土量,使螺旋输送机的转速 随掘进速度的变化而变化,而后土压控制微调螺旋输送 机的转速,使泥土 压力与设定的目标 值相同。当地层的 水、土压力之和尸 与土舱内泥土压力 P 相当时,开挖面 相对比较稳定(见 图4)。 图4开挖面稳定原理图 P- ̄Po相当可通过调节和控制螺旋输送机的出土量 实现。螺旋输送机能否顺畅排土是实现泥土压力管理的 前提,必要时需对切削下来的土和砂加泥、加水或加化 学泡沫,以保证土舱内土、砂的塑性流动态,保证螺旋 输送机顺畅排土,另外需在刀盘端部安装泥土压力传感 器。当盾构掘进时,地层扰动增大并由弹性体转变为塑 图5土舱泥土压力控制示意图 中国铁路CHINESE RAILWAYS 2oo8/1 2 城市轨道交通 3土压平衡盾构泥土的塑性流动态改良控制 3.1泥土的功能 加泥式土压平衡盾构开挖面稳定技术李宏安等 (2)发泡剂。改善土舱和螺旋输送机内的泥土性 能,便于泥土的流动与运输。当盾构施工通过透水性较 强的砂土,含有少量黏土、粉砂细屑的砾石层或透水性 随着盾构施工配套技术逐步完善,盾构施工泥土的 较强的风化花岗岩地层时,使用发泡剂进行泥土改良的 管理与改良引起人们的关注。在掘进过程中,泥土的塑 效果明显优于膨润土泥浆。 性流动态、止水性对盾构的掘进效率及经济效益影响很 (3)水。遇到较硬围岩时,泥土较干,流动性不 大,同时也影响盾构机的使用寿命。如何防止泥土在刀 好,单纯注入发泡剂或膨润土泥浆难以达到理想的泥土 盘上形成泥饼、在土舱堵舱、螺旋输送机处产生堵塞和 改良效果,可注入适量的水进行泥土改良。采用注水进 喷涌,是盾构施工中的难题。泥土改良的成功与否,直 行泥土改良时,因泥土物理状态不好,含水量大,出土 接影响盾构掘进速度、掘进模式和掘进成本,严重时影 困难,容易污染。 响工程的成败。 泥土的主要功能:一是防止开挖面(切削面)崩塌; (4)聚合物。均质的液体发泡剂经管道输送到泡 沫发生器产生泡沫,增加泥土的黏滞性,改善刀盘的工 二是具有适当的塑性流动态,能实施开挖面的泥土压力 作环境,增加土舱的密封和便于泥土的输送。泥土里的 管理;三是以泥土的整体组成不透水性,能防止地下水 泡沫几天后会完全分解。泡沫消失后,注入过泡沫的泥 向洞内喷出。 3.2土质改良剂的应用 土恢复到原状。高分子聚合物代表着土质改良剂的发展 方向。 土压平衡盾构掘进时,理想地层是具有塑性变形 3.3北京地铁施工中的土体改良 好、流塑至软塑状、内摩擦角小、渗透性低的土层,要 的砂土。在细颗粒含量低于30%的砂土或砂卵石地层, 必须添加泥或泡沫等改良材料,以提高塑性流动态和止 北京地区3种典型地层是:砂砾石和砂卵石地层; 最大粒径40 ̄60 cm,最大含砂率约25% ̄40%。 由于切削扰动,降低了黏性土的强度,显示出较好 求是细颗粒(75 u m以下的粉土与黏土)含量为30%以上 粉砂、细纱、中砂到粗砂地层;粉土和黏土地层。砾石 水性。改良材料必须具有流动性、易与开挖土和砂混 的塑性流动态,但含砂量较高的黏性土含水量低、流动 合、不离析、无污染等特性。纵观国内外土压平衡盾构 性变差,刀盘密闭舱内的泥土容易黏结,往往需要添加 采用的土质改良剂,主要是通过向刀盘、土舱、螺旋输 材料(包括水)促进其流动性。此外,黏性土透水性差, 送机内注人膨润土泥浆、发泡剂、水或聚合物进行泥土 不会出现从螺旋输送机喷出地下水的问题,而砂性土缺 改良,不同地层所用的改良材料不同(见表1)。 表1 不同地层的改良材料 黏土 粉土 砂土 细砾石 砾石 卵石 改良 (粒径)/ITITI (粒径)/ITI『 (l粒径)/l1lT1 (粒径)/rrIn (粒径)/ITITl (粒径)/l1Ttl 、材料 0 001~ 0 005~ 0 005 0 075 乏泥土的流动性,透水性高,需要解决止水问题,特别 是细颗粒砂土为30%时,需要根据具体情况添加材料。 在北京地铁10号线盾构施工中,改良后的土体塑性流动 态和渗透性明显改善。 3.5.1 细颗粒含量少的土体改良 0 O75~ 2 000 2 000~ 20 000~ 6O 000~ 20 000 60 000 1OO O00 膨润土 泥浆 发泡剂 I水 细颗粒土含量少于30%(重量比)土体的砂与砾石含 量高,渗透性好,塑性变形小。在北京地铁10号线施 工中,对细颗粒土含量低于10%、砂粒约70%、粒径为 2~10 mm细砾石约20%的土层,采用泡沫进行土体塑性 聚合物 (1)膨润土泥浆。注入膨润土泥浆,可增加泥土 流动态改良,发泡率10%,注入率35%,效果良好。室 的黏滞性、不透水性,改善刀盘、刀具、螺旋输送机的 内试验表明,改良的土样几乎不透水。对砂粒含量约 工作环境,改善土舱和螺旋输送机内泥土的性能,便于 90%、其余粒径为2~10 mm细砾石的无细粒土的土层, 泥土的流动与运输。 由于单独注入泡沫不能满足土体塑性流动态改良,必 68 中国铁路CHINESE RAILWAYS 2oo8/1 2 … l加泥式土压平衡盾构开挖面稳定技术l l李宏安等 一l¨t 城市轨道交通 表2土体塑性流动态改良技术 地层类型 土的特征 使用的泡沫 使用的聚合物 0 0 曩曩¨.l粉 _一0 警- 一 麓 无塑性、高渗透 相对稳定的泡 增塑聚合物(生物 砂砾石、砂 性 沫聚合物、植物纤维 注入率高 素羧基纤维素) ,、粉砂、黏质 塑性取决于细颗 一般泡沫,注入 取决于含水量,用 砂土 粒含黾 率低到中 聚合物控制黏土的 稠度 砂质黏土、 黏土 高塑性、黏聚性 高分散性泡沫, 抗黏土聚合物,降 取决F黏_}=种类 注入率中到高 低黏性与黏聚性 取决于土质、改良材料特性与泥土的输送方式,一般按 5~12 cm,砂质地层按10~15 Cln,若采用泵送方式,可 控制在17 ̄25 cm。 (2)土、砂输送效率。将螺旋输送机旋转次数计 须使用聚合物(或膨润土泥浆),与泡沫混合注入,起 算出来的出土量与盾构掘进速度计算出来的出土量进行 到黏结砂与砾石作用,满足土体塑性流动态改良。对 比较,判断开挖土、砂的流动状态。一般情况下,土压 卵石一圆砾石层、密实度为中密、饱和状态为稍湿至湿、 舱内土、砂塑性流动态好,盾构掘进正常,两者紧密相 粒径一般为4~6 cm、最大粒径25 CIII、含砂率约30%、基 关。 本不含细粒组分的土层,采用膨润土泥浆与泡沫同时注 入,满足土体塑性流动态改良。 5. .2高黏聚性地层的土体改良 (3)盾构机械负荷按刀盘油压、刀盘扭矩、螺旋 输送机扭矩、千斤顶推力等机械负荷变化,判断开挖 土、砂的流动状态。通常是根据初始掘进时的机械负荷 高黏聚性地层一般由高黏性黏土构成,其特征是液 状况和地层变化结果等因素,确定开挖土、砂的最适合 限高、塑性指数高。由于黏性颗粒的膨胀效应,土体遇 性状和控制值的容许范围。泥土的塑性流动态好时,机 水变得非常黏。若不采取改良措施,土压平衡盾构掘进 械负荷一般可降{a3o%以上。 时,如泥土粘附在刀具、刀盘上,土压舱与螺旋输送机 (4)按泥土压力稳定状态管理。通常土压舱内泥 内,并堵塞螺旋输送机,造成盾构掘进速度降低,甚至 土压力是否稳定与泥土的塑性流动态相关。泥土的塑性 完全停止。黏性十还可加大刀盘扭矩和增加动力消耗。 流动态好时,泥土压力基本稳定在设定值附近,开挖面 改良高黏性黏土的目的是降低黏性、减少粘附、降低塑 稳定,反之波动明显,开挖面不稳定。 性指数。为此,应使用高分散性泡沫和抗黏土聚合物, 采用上述哪种方法掌握泥土的塑性流动态,应根据 它们有助于黏土团分解,同时阻止其再次结团。抗黏土 初始掘进状况和地层变化情况,确定泥土改良和管理值 聚合物可在黏土团表面形成润滑膜,有利于黏土团之间 的容许范围,工程实践中通常采用两种以上方法相互印 相互滑动,以改善和易性。 证。 综上所述,不同的土质条件改良要求不同,应根据土质 条件合理采用相应的土体塑性流动态改良技术(见表2)。 3.4泥土的塑性流动态管理 土压舱内泥土的塑性流动态管理是土压平衡盾构施 4出土量的管理 4。1盾构掘进出土量的管理 施工时限定地面沉降范围,以控制盾构出土量维 工的重要因素,随时掌握土压舱内泥土的塑性流动态, 控制盾构掘进速度。 持开挖面稳定,如地面出现隆起,加大出土量,地面出 现沉降,减少出土量。地表对隆起反应迅速,会产生放 (1)排土性状。取样试验测定泥土的坍落度(或目 射状或不规则的裂缝,而对沉降反应迟钝,需要一段时 视),以掌握土压舱内泥土的流动状态。坍落度管理值 间,不同地层的地表沉降时问也不一样。对于大断面盾 中国铁路CHINESE RAILWAYS 2008/1 2 城市轨道交通l岫 毫≯一 ◆ 0 0√ _ 加泥式土压平衡盾构开挖面稳定技术李宏安等 构,由于在软硬不均的地层中掘进,各地层释放应力不 挖面坍塌或地表沉降是困难的。出土量的管理只是盾 同,使用哪层泥土压力作为盾构掘进管理设定的压力值 构掘进和施工管理中一个重要方面,同时可对盾构土舱 较为困难,因此盾构掘进中的出土量管理非常关键。 压力、推进力和掘进速度等施工参数系统监控,进行实 4.2出土量的控制方法 和管道出土两类。土箱出土是常用方法,上马快、投资 少,但存在出土计量不准、工作面不整洁等缺点。管道 时的信息化综合管理,减少和降低掘进参数波动,做到 盾构法施工的出土方式很多,大致分为土箱出土 “勤测勤纠”。 5结论 (1)全面了解开挖面稳定机理是关键。开挖面稳 出土采用泥水和土压平衡盾构等类型。泥水盾构施工出 土采用泥水泵输送,出土效率高,便于管理,但设备 定机理是通过技术手段和措施,使开挖面切削下来的泥 投资及泥水分离的成本较高。土压平衡盾构的管道出土 土压力与开挖面前方的土压力和水压力相平衡。 采用泵压送、螺旋输送机和排土管等,优点是施工效率 (2)开挖面泥土压力控制管理是确保开挖面稳定 高,可防止喷渣和改善作业环境,水平与垂直运输的组 的重要环节,其中包括泥土压力的准确设定,泥土压力 合自由度大,作业危险性低。盾构机出土量的控制方法 的设定与地层情况和刀盘形式等因素紧密相关,尽量减 分为质量控制和容积控制。质量控制主要是检测运土车 小泥土压力过频和过大波动是控制泥土压力目标值的管 质量和用计量漏斗检测出土量;容积控制是比较掘进长 理核心。 度开挖出的土、砂,采用运土车计数方法和根据螺旋输 采用容积控制方法。 4.3土箱出土的泥土管理 目前,北京地铁土压平衡盾构采用土箱出土方式。 (3)土的性状改良和出土量管理是确保开挖面稳 送机旋转次数计算出土量的方法检测出土量。目前一般 定的重要因素。北京地铁10号线一期工程施工中,同一 区间的地层波动较大,选用了不同的改良材料,其目的 是提高土体的塑性流动态和不透水性。严格控制出土量 也是保持开挖面稳定的关键。 参考文献 该方法简单易行,通过一个掘进循环装满泥土的土箱数 量计算容积,计算结果要在掘进循环后得到。在穿越江 M]. 河时,遇到软硬不均的复合地层,针对喷渣和涌水状 …张凤祥,傅德明,杨国祥,等.盾构隧道施工手册[况,应特别注意出土量的实际原状土容积,以防排土 量,粉细砂、中粗砂地层出土量不大于5.5车,而在某 北京:人民交通出版社,2005 2]魏建华,丁书福.土压平衡式盾构开挖面稳定机理与 过量。如北京地铁某工程,要求控制每一循环的出土 [压力舱土压的控制[J].工程机械,2005,36(1) 区段遇到砂卵石混合地层,隧道上部是粉质黏土、粉土 [3]张庭华.土压平衡盾构土舱压力控制技术研 J].铁 地层,地下水丰富,喷渣又严重,操作司机缺少施工经 道标准设计,2oo5(8) 4】胡国良,龚国芳,杨华勇.盾构掘进机土压平衡的实 验,未能根据地层地质变化改变掘进模式和控制出土 [量,每循环出土量7~8车,导致地表沉降超过警戒值。 出土量。在特殊地段掘进时,应严格管理出土量,严禁 现[J].浙江大学学报(工学版),2006,40(5) 5刘仁鹏.土压平衡盾构技术综述【J】.世界隧道,5] 根据初始掘进时掌握土的松散系数,计算掘进中的 [2ooo0) 超挖。根据北京地铁l0号线一期工程施工经验,严格控 [6】陈建.盾构掘进出土量管理技术[J】.隧道建设, 制沉降时的出土量不能超过理论计算值的98%。 2005,25(B06) 由于添加剂的种类、添加量和排土方式不同,泥 土的容积重量随着岩土性质的变化也会改变,因此正确 掌握出土量比较困难。排出的土可在半固体状态与流体 状态问变化,形状各种各样,因此仅依据出土量控制开 责任编辑收稿日期葛化一 2008—09—08 中国铁路CHINESE RAILWAYS 2008/1 2