富水砂层土压平衡盾构施工中的重点技术

李 森

（中铁七局集团武汉工程有限公司，湖北 武汉 430074）

盾构机在选择上，根据不同的地质条件，在应用原理上会有不同，种类也会有所区别，所以一定要正确的选择盾构机构的种类，保证施工的进度，避免坍塌、施工进度缓慢等工程事故。笔者重点对富水砂层展开探讨，由于情况特殊，通常选择的是土压平衡盾构。在工程应用上，土压平衡盾构机不仅可以应用在黏土层、岩层等底质底层渗透系数较小、稳定性较好的地层，而且正在逐步应用在情况复杂的富水砂层，这些地方往往软弱易坍塌、水头压力高、压力系数大。在富水砂层施工中，土压平衡盾构一定程度上结局了普遍存在的难以建立的平衡模式、易扰动地层引起地表沉降超标、容易产生喷涌、出渣量不受控制、结饼现象以及改良渣土困难等一系列的问题。

1 土压平衡盾构的特点与工作模式

1.1 土压平衡盾构原理及特点

工作模式的认知，需要在了解土压平衡盾构的工作原理的基础上，开展具体的工作。土仓内压力的控制，需要通过调节开挖量以及调整出土量来控制，直接利用土仓的泥土，使得土压力以及开挖面地层水压力相平衡，并且支护开挖面地层时，可以利用土仓的泥土，这样可以安全的，在保持土仓稳定，进行隧道掘进[1]。与土压平衡盾构相比，泥水式盾构则表现一般，施工风险大，掘进控制难。土压平衡盾构的工程造价较低、作业安全、环境影响小以及底层适应性广得到了广泛的好评。

1.2 土压平衡盾构机工作模式和结构

土压平衡模式和敞开式，是土压平衡盾构的两种常见模式。前者时利用土仓内的辅助材料产生的压力或者土压的方式，来平衡开挖面的地下水压力以及土压，从而可以避免地表下沉，避免避免地层失水过多或者掌子面坍塌。而后者在盾构掘进时，可以减少水土流失，通过建立一定的压力，在掌子面防止地下水进入土仓。这样不仅可以保持土仓内少量的渣土，而且可以减少刀盘转动的扭矩，为了辅助开挖，可以在土仓内注入泡沫或者是压缩空气，以上就是半敞开模式的主要内容。

2 富水砂层土压盾构施工的关键技术

2.1 土仓压力调节

如何平衡土压和水压，在盾构机掘进的过程中，可以预防地表沉降的重要因素以及保证建筑物安全。为了保持土仓压力值以及地层土压力和静水压力的压力平衡，在掘进的过程中，需要根据地表沉降、地质、埋深的监测信息进行相应的调整。在推进的过程中，要控制好注浆量的同步，及时填充盾壳与管片之间的空隙，进而避免由于注浆压力过大，从而破坏管片的衬砌，进而导致地表隆起[2]。

2.2 出渣量控制

为了有效的使盾构机保持平衡状态，在排除渣土的时候，需要保持掘进的挖掘量以及渣土的排出量大体一致。从而避免出现出渣量过大，进而沉降量偏大，改良渣土性质，可以顺利的排出渣土。

2.3 渣土改良技术

土体的力学性质需要满足一些要求，可以保证土压平衡式盾构的顺利施工，比如说土体不透水；处于流塑状态；不易固结等要求。在土体不能满足排出性能要求的时候，可以在压力仓内加入高吸水性树脂、矿物、界面活性材料，以及水溶性高分子等一些改良土壤性能的材料。由于这些材料有着不同的特性，在使用的时候一般是单独使用，偶尔也会组合使用，这些材料的特性，笔者做了一些探讨：高吸水性树脂类：这类物质可以将地下水变成胶凝状态，防止高水压地基形成喷涌现象。但是问题也存在，过多金属离子或者强酸强碱的地基中，高吸水性树脂的性能表现就不佳。矿物类：微信颗粒可以在土体的透水性不强或者流动性较差的时候，改善其性质，通常需要30~35%比重的微细颗粒。而在添加材料的选用上，我们通常使用蒙脱土、膨润土等补充土体中微细颗粒的不足[3]。界面活性材料类：目前，界面活性材料是比较先进的方法，泡沫和特殊发泡剂为常用类型。国内盾构工程领域，在使用渣土改良外加剂时，主要使用泡沫和膨润土，相反水溶性高分子或者吸水性树脂类则极少使用。

水溶性高分子类：同样时高分子化合物构成的材料，水溶性高分子材料与树脂一样可以使土基的黏性增大。由于由出色的增粘效果和亲水性，TAC 高分子材料不仅可以防止粘性土地层刀盘结饼，同时可以提高砂层的塑性流动性和止水性。

3 结语

综上所述，土压平衡盾构施工的难度，重点在于富水砂层与粘性土层组合的上砂下土复合地层及富水砂层与粘性土层、硬岩组成的上砂中土下岩复合地层。由于地层适应性广，工程造价较低，作业安全，环境影响小，设备昂贵等特点，所以往往一台盾构机不宜在不同地段二次或者多次使用。土压平衡盾构富水砂层，关键在于底层沉降的控制，地层沉降控制的关键因素在于合理选择盾构掘进参数，控制土仓压力，并且控制出渣量以及注浆量的同步进行。对于地层特性差异较大的施工标段的盾构选型，以及地质条件特别复杂的情况，改造盾构有着重大意义。随着土压平衡盾构设备技术的不断发展，以及经验的积累，盾构在不同地质条件的推广应用会越来越广泛，也会由更多的工作人员以及科研工作者加入到研究和探讨中去，盾构工程在理论上也会有越来越科学的依据，稳步推动我国盾构机国产化的进程，以及国盾构工程的发展。