浅谈盾构法隧道施工技术应用措施

　　摘要：本文笔者结合工程实例,介绍其设计和施工要点、土压平衡盾构技术、盾构隧道管片衬砌结构的截面内力计算、盾构刀具与欠压推进处理技术等。
　　关键词：地铁工程，隧道施工，砂卵石地层，盾构法
　　1引言
　　砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,在无水状态下,颗粒之间点对点传力,地层反应灵敏,刀盘旋转切削时,刀盘与卵石层接触压力不等,导致刀头震动,在顶进力作用下易产生坍塌,引起围岩扰动和地层变形。当围岩中的砾卵石越多、粒径越大时,扰动就越大;当隧道顶部大块卵石剥落时,极易引起上覆地层的突然沉陷。
　　2工程概况
　　广州市轨道交通三号线北延段施工区间2标盾构工程位于广州市白云山东侧，线路从春兰花园（南方医院站南端）向南沿广州大道北路行进，区间中部穿越梅宾街私人住宅楼群，到达怡新花园大门（梅花园站北端）；区间起止里程为Y（Z）DK-3-725.600～Y（Z）DK-2-544.300，右线隧道全长1181.3m，隧道埋深约20～26m，最大纵坡6‰。
　　3砂卵石地层盾构施工难点
　　3.1隧道开挖面稳定性控制问题
　　在砂卵石地层未受扰动情况下,土层颗粒倚靠直角的摩擦咬合作用维持区域土体稳定,盾构在砂卵石地层掘进过程中若开挖面压力不足,或大块卵石并排排出时,或螺旋输送机的排土量大于刀盘切削土量,在刀盘前上方会产生较大的空洞区域,卵石或砾石将相继松动,快速在开挖面上方引起较大的塌落区,继而使得上覆砂性土和粘性土层产生的松动范围加大,在隧道上方土层较薄处将引起较大的地表沉降。如果上覆土体的抗剪强度较低,还会引起空区上方土体突然冒落,产生砂卵石地层盾构隧道开挖面失稳现象。
　　3.2盾构机密封舱土压平衡问题
　　盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难,甚至实现不了土压平衡的功能,因为,砂卵石地层易坍塌,不易保持开挖面的稳定;大粒径砂卵石不但切削或破碎难,而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难。砂卵石处于密封舱内,螺旋输送机内以及盾构周围,对盾构机的扰动,振动很大,不利于掘进参数的调整,包括推进千斤顶的压力,螺旋输送机的转速及排土门的开度,盾构机位置及姿态控制等。因此,砂卵石地层中盾构掘进时,须采用理想的添加材料,有效地解决切削土体的塑流化问题。
　　4砂卵石地层盾构施工技术
　　4.1土压平衡技术
　　(1)土压平衡工作原理
　　用于本区间的两台盾构机均由德国海瑞克公司生产，并由西门子的S7-PLC自动控制系统控制,配备了机电一体化的液压驱动系统,同步注浆设备,泡沫设备,膨润土设备及SLS-T璐直激光导向设备,可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。配套设备有龙门吊、电瓶机车、搅拌站、注浆泵、冷却塔、隧道风机、电焊机、空压机等。开挖土仓由刀盘、切口环、隔板及螺旋输送机组成。土压平衡盾构就是将刀盘开挖下来的土砂填满土仓室,在切削刀盘后面及隔板之间装有能使土仓室内土砂强制混合的搅拌臂。借助盾构推进液压缸的推力通过隔板进行加压,产生泥土压,这一压力作用于整个作业面使其稳定。刀盘切削下来的土渣量与螺旋输送机向外输送量相平衡,维持土仓内压力稳定在预定的范围内。土仓内的土压力通过土压传感器测量,为保证一定的土压力,可通过控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速来控制。当土仓内的土压力大于地层土和水压力时,地表将会隆起;当土仓内的土压力小于地层土和水的压力时,地表将会沉陷;因此土仓内的土压力应与地层的土压力和水压力相平衡。
　　(2)土压平衡盾构模拟
　　为了深入分析盾构隧道施工引起的地层位移场、应力场及地表变形情况,建立了三维数值模型进行分析(见图1)。
　　                                            
　　                                                               图1双线盾构计算模型
　　通过模拟分析发现,盾构开挖推进时,周围土体位移具有明显的三维特征。在纵向方向上,盾构开挖面前方隆起,盾构开挖面后方沉降,在盾尾沉降速率加大,在盾尾后方约20m后沉降值趋于稳定。横向方向,土体沉降形成沉降槽,沉降槽宽度从开挖面向后逐渐增大,在盾尾处趋于稳定。盾构开挖面后,隧道拱顶至地表及其扩散影响区域竖向位移方向均向下,其横截面沉降曲线近似反向正态曲线,中心处地表沉降值最大,两边随距离增大逐渐减小;随着盾构开挖推进,开挖面后方地表竖向位移变化趋势不会受到影响,盾尾后方断面横向扩展变缓;在底拱及其向外扩散影响区区域竖向位移方向向上,即底土体隆起,底拱中心处隆起量与中心地表处沉降量相当(图2~图5)。
　　                  
　　　　                               图3盾构开挖面及盾构机身断面地表土体竖向位移曲线
　　
　　                              
　　
　　4.2盾构刀具改进
　　(1)刀具选材及结构形式
　　在砂卵石地层中,刀具的磨损形势主要包括石英砂对刀具产生的磨耗磨损和卵石对刀具的撞击损伤。因此,在这种地质条件下进行盾构施工,就对刀具的硬度、耐磨性有了更高的要求。
　　在那个区间将两台盾构机的刀具全部进行了更换,采用碳化钨合金替代硬质钛合金钢做为刀头,即在刀口部分及切削土砂(卵石)沿刀具向后流动所经过的刀具表面,嵌入硬度高达3000HV的碳化钨合金。S294盾构机的8组铲刀(边缘刀),每一组上都有7~8块整体合金块。整体合金块在砂卵石地层铲切土体时,极易大块碎裂、整体脱落。因此,要求海瑞克公司对这种铲刀进行了改进。新刀具上改进后的合金块,则是用大量直径2、3mm的合金颗粒堆积而成。由于合金颗粒块在受到卵石撞击时,只是在撞击部位可能造成合金颗粒小部分脱落,不易断裂,延长了刀具的使用寿，所以与整体合金块相比,更适合用于广州地铁北延段盾构施工,命。
　　(2)刀具在刀盘上的分布改进刀具的同时,设计出了一种超前刀(先行刀)切削土体的方式。从学~花区间用过的废旧切削刀(齿刀)中,挑选部分焊接刀盘上,(S206,21把;S294,12把)突出标准切削刀20mm,起到了超前刀(先行刀)的作用。刀具切削土体时,超前刀与切削刀组合协同工作(见图7)。超前刀在切削刀切削土体之前先行切削土体,将土体切割分块,为切削刀创造良好的切削条件。
　                                   　            
　　                                                                 图7切削刀与标准刀协同切削土体示意
　　采用超前刀后,刀具切削土体的流动性显著增加,大大降低切削刀的扭矩,提高了刀具切削效率。同时,由于超前刀比切削刀高出20cm,只有当超前刀的高度磨损大于20mm后,切削刀才直接切削土体,从而有效的保护了这些标准刀具,延长了刀具的磨损长度,大大提高了刀具整体抗磨损(耗)能力。
　　4.3泡沫技术应用
　　(1)泡沫技术原理
　　盾构机在砂卵石地层中掘进时,仅仅通过加水或膨润土液往往不能有效改善土体的流塑性,
　　致刀盘扭矩增大,螺旋机出土不畅,掌子面失稳。泡沫注入一方面能够改善土体的流动性及透
　　性,达到稳定掌子面的效果;另一方面细密的泡沫布刀盘周围和土体之间,大大降低了扭矩,有效保了刀具。通过泡沫技术的应用(见图8),盾构在个区间砂卵石地层中掘进时,推进速度、刀盘扭矩地面沉降均得到良好改善。
　　                           
　　(2)泡沫加注参数
　　①S206的膨胀率(FER)值在1∶10~1∶15之间,注入比(FIR)值在15%~20%。
　　②S294由于较S206油脂注入系统缺少2个点位,漏浆现象相对出现较多。通过增大FER值,减少盾尾周围气体压力,缓解漏浆,故FER值一般取在1∶6~1∶8之间;FIR值也因刀盘主驱动较小比S206要大,一般取在20%~30%。实际应用中,根据刀盘扭矩的变化和出土情况,不断优化FER、FIR等泡沫注入系统的参数,合理调整泡沫剂用量。
　　4.4密封油脂配方
　　盾构机在穿越砂层的过程时,因受承压水的作用,出现盾尾漏浆、漏水的情况,使用目前国际上公认密封效果最好的国外某品牌油脂,也不能解决问题,严重地制约了施工进度。通过对漏浆及油脂使用情况的调查,结合以往广州地铁盾构施工的经验,经过研究分析,得出结论,此种地质条件要采用泵送性好、粘度高、坍落度大以及流动性好的盾尾密封油脂。鉴于此种情况,要求国内生产厂家针对这种地质条件更改配方,提高油脂的粘度和坍落度。新型油脂经使用表明,其泵送性及流动性均良好,盾尾漏浆的情况得到明显的好转,施工立即转入正常。
　　4.5欠压推进技术
　　当盾构机在通过隧道上方没有重要建筑物结构,即在对控制地表沉降要求不是很高的地段,采用欠压推进技术,既有效地保护了刀盘、刀具,又加快了施工进度。欠压推进工作原理:由于土仓外正面土体的稳定通过推力、推进速度和出土速度3个参数控制,而刀盘、刀具的损耗由推进过程中土体摩擦造成,即推力越大,刀盘、刀具受到的摩擦力越大,磨损就越大。所以在欠压推进过程中,加快出土速度,保持土仓压力比通过计算得到压低0.2~0.3bar,既保证了推进速度不受影响,又小了总推力,刀盘切削土体时的摩擦力也因此随之小,降低了刀具的磨耗,延长了刀具的使用寿命。通过反复试验,根据现场监控量测的数据反馈,优化了欠压推进时的技术参数,盾构机通过的地表沉降值均控制在0~12mm以内,小于规范要求的30mm允许沉降值。
　　4.6采用“3+2+1”模式
　　(1)设计要点
　　目前国内普遍使用直线、左转、右转3套管片来实现隧道直线和曲线掘进,该工程采用“3+2+1”模式单层通用装配式管片衬砌,只需套管片就可以实现隧道直线掘进和曲线掘进。所谓“3+2+1”模式单层通用装配式管片衬即每环六片编号为L1、L2、B1、B2、B3、F,其中三块标准块(B1、B2、B3)、两块邻接块(L1、L2)和一块封顶块(F),每片平均宽度为1.2m,厚0.3m,每块管片都有不同的楔形量,其中F管片的楔形量最小,最大楔形量值为51mm,施工中通过这个楔形量实现隧道的转向及盾构机的辅助控制;通过管片的不同拼装组合实现隧道在一定范围内的转向,隧道最小平面曲线半径300m,曲线间水平夹直线最小长度为20m,最小竖曲线半径3000m,最大坡度为3%。每片管片之间和每环管片之间通过弯曲螺栓紧固连接。针对盾构隧道管片衬砌结构的截面内力计算,国内多以经验简化计算法为主。为保证计算准确靠,采用精确计算法计算出截面内力(考虑各类头位置与刚度、错缝时的环间相互咬合效应,及隧道与周围土体的实际相互作用关系)。
　　(2)考虑接头位置与刚度的精确计算法在一衬砌圆环中,具体考虑环向接头的位置和接头的刚度,用曲梁单元模拟管片的实际状况,用头抗弯刚度Kθ来体现环向接头的实际抗弯刚度为错缝式拼接时,因纵向接头将引起衬砌圆环间的相互咬合作用,此时根据错缝拼装方式,除考虑计算对象的衬砌圆环外,将对其有影响的前后的衬砌圆环也作为对象,采用空间结构进行计算,并用圆环径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt来体现纵向接头的环间传力效果。本计算中,根据采用的弯螺栓接头的受力情况,参照国内外相关试验研究结果;认为各环管片在纵向接头处不产生错动条件下,纵向接头的径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt均取无穷大。
　　(3)衬砌圆环与周围土体的相互作用衬砌圆环与周围土体的相互作用通过设置在衬砌全环只能受压的径向弹簧单元和切向弹簧单元来体现,这些单元受拉时将自动脱离,弹簧单元的刚度
　　由衬砌周围土体的地基抗力系数决定。
　　(4)荷载模式
　　在确定作用在隧道上方的土层压力方面,国内外视地层情况,主要采用卸拱理论(太沙基公式为主体)和按全部地层压力计算土层压力的方法,但均带有较大近似性。故国外也有取最小土压力不小于2D(当计算土压力小于此值时)的经验法。考虑到本次标段的最大和最小埋深分别在14m左右和9m左右,地层以粘性土层为主体,无单独从隧道底部贯通至地表的砂性土地层,故偏于安全地将上覆土体自重完全作用在隧道上进行计算分析,即计算中竖向地层压力按全部地层压力计算。而侧压力当隧道处于粘性土中时按水土和算考虑,在砂性土地层时按水土分算考虑。除土水压力外,实际的计算荷载按施工和使用阶段可能出现的其它最不利荷载组合进行结构强度、变形计算,同时对混凝土裂缝宽度进行验算。
　　5结语
　　当今世界已把地下空间开发利用作为解决城市人口、环境、资源三大危机、实施可持续发展的重要途径。广州市轨道交通三号线北延段施工区间2标段砂卵石地层地铁隧道施工中,通过分析地质特征、调研掘进参数、优化施工方案,成功地采用盾构法施工,保证了盾构机安全、连续、快速的推进,顺利通过了各个风险点,解决了工程项目中的难题,提高了工程质量,有效的降低了工程造价,并为砂卵石地层地质条件下盾构法地铁隧道施工提供一定的参考价值。
　　参考文献
　　1张凤祥.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社,2005
　　2DGJ08-11-1999地基基础设计规范[S]
　　3GB50157-2003地铁设计规范[S]