土压平衡盾构在粘土地层中的掘进控制
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摘要：土压平衡盾构在粘土地层施工中容易受到众多因素的影响，从而降低掘进的速度和施工质量。本文结合合肥地铁3号线土建14标工程实例，在分析土压平衡盾构掘进施工技术要点的基础上，分析了影响土压平衡盾构掘进施工的因素，并提出相应的控制措施，在实际施工取得了良好效果，值得大力推广应用。
关键词：土压平衡盾构;粘土地层;掘进控制;注浆方法
土压平衡盾构在粘土地层施工中，容易受到地层渗透系数、浆液浮力、盾构反向推力等因素的限制，从而影响掘进控制的效果。需要采用选择合理的注浆方法、控制盾构掘进参数、管片螺栓三环复紧等措施进行处理，才能促使掘进工作保质保量的完成。基于此，本文结合工程实例，对土压平衡盾构在粘土地层中的掘进控制做了如下分析，希望对同类工程施工有一定的参考和借鉴。
1工程概述
1.1地质条件
合肥市轨道交通3号线TJ14标盾构区间工程，双线总长度为2673m，隧道区间土层主要包括：素填土、粉质粘土、泥质砂岩等，隧道埋深在10.02-21.5m之间。区间下穿2座市政道路桥、1座人行天桥及一小区普通地下室、人防地下室，侧穿一小区临街商铺。隧道管片外径为6m，内径5.4m，环宽1.5m，通过3块标准块，2块邻接块以及1块封顶块共同组成。地下水位在地面以下3-5m之间，地下水主要赋存于人工填土中，以上層滞水为主。
1.2设备选型
本工程施工中，采用的是两台北方重工土压平衡盾构机，属于典型的被动铰接平衡盾构机。刀盘开挖直径为6280mm，盾体直径：前盾6262mm，中盾6250mm，尾盾6240mm。本机总推力为3400t，推进功率为55kW，刀盘最大扭矩为5520kN·m，刀盘驱动电功率为660kW。
2土压平衡盾构掘进施工技术要点
在土压平衡盾构掘进过程中，常用的施工方式有两种，一种是化学注浆，高压喷射法，直接对盾构开挖完成的地层进行加固和处理，并对开挖面的地下水压进行平衡和处理，盾构机可直接贯入开挖面;第二种是根据土压平衡盾构掘进断面尺寸的大小，一边掘进一边通过注浆进行加固和处理。
在土压平衡盾构掘进施工中，常用的施工模式有三种，一种是土压平衡;一种是敞开式;另一种是半敞开式。就案例工程而言，土质结构属于典型的粘土地层，围岩结构稳定性比较差，因此，在具体施工中，采用了土压平衡施工模式。此项模式在具体施工中，填充刀具在切削下来的土直接进入腔室，以保证仓室和作业面水压和土压的均衡性，可保障施工的稳定性和安全性。如果围岩结构的稳定性比较差，则可以根据实际情况，注入适量的压缩空气，进一步提升机舱室内压力，促使机舱中的压力略大于水土压力，从而避免发生塌方事故。总而言之，选择合理的盾构掘进方式，既能保证施工质量和安全性，又能提升施工效率。
3影响土压平衡盾构掘进的主要因素
盾构掘进施工，管片上浮是影响掘进施工质量和效率的主要因素，研究和施工实例表明，直径在6m左右的盾构隧道管片上浮量在10-60mm之间，某些特殊地段管片上浮量可能超过100mm。在本工程施工中，在始发段发生了大规模管片上浮现象。土压平衡盾构在掘进过程，盾构姿态和设计轴线比较，低于控制轴线10-30mm。管片上浮现象严重制约土压平衡盾构掘进速度。为获知管片上浮的原因，从地下水浮力、盾构姿态、浆液性能、管片螺栓复紧等方面进行研究，发现导致管片发生上浮现象的主要原因包括以下几个方面：
3.1地下水渗漏系数过大
就案例工程而言，为粘土地层，地下水的渗透系数比较大，盾构掘进完成以后，管片外侧建筑间隙中充满了地下水或者水泥浆液，从而导致管片一直处于悬浮状态。本工程选择的盾构管片，管片是外径6m，内径5.4m，环宽1.5m，混凝土密度以2.5t/m3进行计算，则一环管片的自重应当为161kN，而一环管的排水体积大约为33.9m3，浮力为339kN。从这两组数据中可以看出，管片所受的浮力远远大于管片的自重，从而发生了管片上浮现象。
3.2管片所受的浮力大于重力
盾构管片在未凝固的浆液中，如果浮力大于重力，就必然会发生管片上浮现象。此外，土压平衡盾构掘进过程中，管片壁后注浆时浆液的性能对粘土地层变形、管片上浮等现象均有非常大影响。从本工程特性而言，在进行同步注浆时浆液的性能需要满足以下性能：
（1）要具有充填性和和易性并且不会发生离析现象;（2）要具有早凝固的特性，并且越早凝固施工效果越好;（3）稠度要适中，避免被地下水稀释。但在具体施工中，受到多种因素的影响，浆液质量几乎不可能同时满足这三点要求，一旦泥浆发生离析，在沉淀的砂会进入管片背后间隙，推动管片线上移动，从而发生管片上浮现象。
3.3盾构的反向推理
盾构在运行过程中，会形成反向推力，导致盾构姿态、盾尾姿态、管片姿态无法良好的重合，存在一定的夹角。而土压平衡盾构施工的始发段为下坡地段，在掘进过程中，推进系统中上部压力会大于下部分组压力。而土压平衡盾构掘进系统在运行中推力方向为斜后方向上，可分解为一个水平方向和一个竖直方向上的分力，竖直方向上的分力，也是导致管片上浮的主要原因。在土压平衡盾构掘进施工中，管片多采用螺栓连接，在注浆浆液凝固之前，主要是通过螺栓来固定，一旦螺栓发生松动问题，就会到站时管片发生错台和上浮现象。
4土压平衡盾构在粘土地层掘进中的控制措施
4.1选择合理的注浆方法
选择合理的注浆方法是解决管片上浮现象的主要措施之一，大量工程实例表明，在土压平衡盾构掘进施工中，只要盾构管片浸泡在地下水或者浆液中，管片就存在上浮的趋势。在盾构管片连接过程中，主要为螺栓连接法，属于一种刚性固定法，在长时间紧固作用下，会发生机械疲劳，从而降低紧固的效果。盾构管片在施工2-3环以后，会受到盾尾约束力的影响，并会发生上浮问题，在此阶段，只要浆液完成凝固，则管片上浮的现象就会被抑制。因此，通过调整注浆方式，提升浆液凝固的速度可有效解决管片上浮现象，在本工程施工中，主要是通过同步双注浆的方法遏制管片上浮，此种注浆方法可促使浆液尽快凝固。 我国目前土压平衡盾构掘进施工中多采用水泥砂浆进行注浆，从注浆设备性能的角度而言，并不能满足这一要求，此时就只能通过改变水泥砂浆的性能和注入方式进行解决，具体而言，可以从以下两个方面人手：其一，调整水泥砂浆的配合比，提升浆液的和易性，降低离析效率，控制砂浆的初凝时间在4-6h之间;其二，在土压平衡盾构掘进过程中，要及时在盾构尾部5-10管片的上面进行二次双浆液注浆。
4.2科学控制掘进参数
浆液的凝固时间和土压平衡盾构掘进速度之间有非常紧密的联系，掘进速度越快，砂浆就无法及时凝固，从而引发管片上浮现象。因此，在具体施工中，必须严格控制土压平衡盾构掘进的速度。特别是同步注浆水泥砂浆的盾构设备，需要对掘进的速度进行严格控制才能保证施工质量，每天施工量控制在10-12环为最佳。如果掘进速度过快，在需要进行频繁纠偏，不利于施工速度和施工质量的提升，从而影响盾构管片受力的均匀性，致使土压平衡盾构掘进过程中，盾构姿态、盾尾姿态、管片姿态之间的角度过大，使得管片竖向分力增加，进而引发管片上浮现象。此外，在土压平衡盾构掘进过程中，还要严格控制盾构的姿态，促使盾构机在设定的轴线上前进，如果发生偏差，及时纠正，避免猛纠或急纠，以保证管片环面受力均匀性。
4.3采用管片螺栓三环复紧措施
在土压平衡盾构管片螺栓复紧中，人为影响因素比较大，任何环节控制不当，都会对盾构管片的施工质量和稳定性造成影响。因此，在土压平衡盾构掘进施工中，需要定期检查螺栓连接情况，发现问题及時处理，避免因为螺栓连接紧度不足，而导致管片发生上浮现象。在具体施工过程中，为最大限度上保证螺栓连接的紧固性，要求现场从刚拼装成环管片到拖车操作室中进行复紧。此外，在具体施工中还要高度重视盾构管片的直径问题。如果螺栓的直径小于设计直径，则螺栓穿过管片中预留的螺栓孔以后，间隙会比较大，紧固以后就会容易发生松动，从而引发管片上浮问题，因此，在盾构管片安装前需要对管片的直径进行全面复核，确认达到施工质量要求后，才能应用到施工中，从根本上保证施工质量。
5结束语
综上所述，本文结合工程实例，分析了土压平衡盾构在粘土地层中的掘进控制，分析结果表明，在粘土地层掘进施工中，受到土质结构的影响，极易发生盾构管片上浮现象，从而影响土压平衡盾构掘进的效率和质量。通过分析可知，引发盾构管片上浮的原因主要包括：地下水渗漏系数过大、管片所受的浮力大于重力、盾构的反向推理、管片螺栓复紧等。为保证施工质量，可以从选择合理的注浆方法、科学控制掘进参数、采用管片螺栓三环复紧措施等方面入手，在提升施工速度的基础上，保证施工质量。
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