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摘要：近年来我国城市地铁建设迅速发展，随着隧道施工技术的提高，盾构施工法作为一种安全而又环保的施工方法得到了广泛的使用，其中土压平衡式盾构在我国的使用最为普遍，成为地铁隧道施工技术的主流。本文结合武汉市地铁2号线盾构1标，范—王区间左线盾构施工经验，對土压平衡盾构在渗透系数高的富水砂层中的掘进技术进行了探究。
关键词：土压平衡盾构隧道施工技术发生机理
中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：
Abstract: urban subway construction in China in recent years the rapid development, with the improvement of tunnel construction technology, construction method of shield as a kind of safety and environmental protection construction method has been widely use, including earth pressure balance type shield in our use of the most common, become the mainstream of the subway tunnel construction technology. Combining with the wuhan city metro line 1 mark shield, fan-the king of the left line interval shield construction experience, about the soil pressure balance shield in the permeability coefficient of high rich water sand layer tunneling technology in the study.
Key words: soil pressure balance shield tunnel construction technology occurrence mechanism
1. 工程概况
范湖站～王家墩站区间线路起讫里程为：DK5右+982.627～DK7右+166.325，左线长为1191.584m，右线长为1183.698m，总长度为2375.282m。设有一个联络通道，与泵房合建，里程CK6（右）+574.247；设有一个曲线，曲线半径为700m，线间距13～15m，线路最大纵坡坡度26.7‰，最小坡度2‰，最大埋深19m，最小埋深9.1m。区间隧道为外径6m，内径5.4m，管片拼装衬砌的单洞圆形隧道，管片环宽1.5m，管片砼C50，S12。
2. 施工技术难点、风险点及一些工程事故的概念和发生机理
2.1施工技术难点、风险点
根据本区间地质纵断面图，隧道含930m富水全断面粉细砂层，隧道上覆土层多为回填土地层空隙大，本区间地下水为孔隙承压水，水位距地表约3～4m。水量丰富、具承压性、砂土容易液化，是本区间施工中的主要难点。结合武汉地铁2号线范—王区间施工过程，掘进施工中存在以下风险：
①全断面粉细砂层中掘进，，容易出现，闭塞、喷涌、结泥饼等工程事故，刀盘扭矩、千斤顶总推较大；
②在富水全断面粉细砂层中掘进，出土量不好控制容易出现地面沉降问题，且本区间地面建筑物复杂，尤其是要从高压变电站主控室下面通过，稍有沉降将会发生大范围停电等用电故障，后果不堪设想；
③地层空隙大地面经常发生漏浆、漏泡沫等现象，泡沫的添加剂的外漏损失，导致土仓压力难以建立，引起开挖面失稳的风险。
2.2工程事故的概念和发生机理
2.2.1闭塞
当盾构机土仓内渣土具有较大的内摩擦角，土体与侧壁的摩擦力较大，开挖面的压力和压力舱隔板承受的千斤顶的推力较大时，土体在土仓的侧壁容易发生粘附作用（如下图所示），从而使渣土不能顺利排出。
由于在压力舱中心主轴处设有搅拌翼，搅拌范围内的土体与侧壁的摩擦力主要是抵抗搅拌翼的扭矩，其摩擦力在竖向的投影很小，因此这一部分土体不会首先成拱。又由于压力舱顶板压力较大，所以在搅拌翼搅拌影响范围以上的土体不易成拱。在搅拌影响范围以下的土体在较大的侧壁摩擦力作用下易于成拱。
如果在这种情况下，继续推进，则压力舱内的渣土会进一步压缩，导致拱作用更加强烈。在粉质粘土、砂质粘土中，很容易导致拱的产生，进而造成刀盘扭矩、千斤顶总推力的增大，并有可能导致无法正常推进。
2.2.2 喷涌
经螺旋机排出的渣土在螺旋机出口的压力一般接近零压，然后由自重作用落入皮带输送机，当到达螺旋机出口的渣土过稀还具有一定压力时，就会发生喷涌，其主要发生于在富水渗透性较大的砂性地层中施工时，原因是由于土仓和螺旋机内的土体不能完全有效的抵抗开挖面上较高的水压力，从而在螺旋机的出土口处，发生喷砂、喷泥、喷水现象；
3.施工风险应对措施
土压平衡盾构对富水、高压及含水砂层等不良地层的适应性是一个比较复杂的综合技术问题，为确保盾构机顺利掘进，需要针对各个工程事故的发生机理，从改善机械设备的性能配置、施工过程中掘进参数的设定与控制、渣土改良等方面综合考虑，结合本区间地质情况及风险点采取以下措施：
3.1 在富水全断面粉细砂层中土塞、喷涌的应对措施
根据土压平衡式盾构正常推进对土仓内土体性质的要求，针对本区间地质对渣土进行了取样并做了相关的试验，根据试验结果制定了适合本区间掘进的泡沫溶液浓度3%～5%。通过泡沫的合理使用有效的改良了渣土的性质，避免了土塞、喷涌的工程事故的发生
3.1.1土压平衡式盾构正常推进对土仓内土体性质的要求：
土压平衡式盾构施工中，要使开挖下来的渣土呈塑性流动状态，且具有一定的止水性，充满土仓以控制开挖面；同时，用螺旋机来调整排土，使排土量和切削量保持平衡，并使土仓内的渣土有一定的压力，以抵抗开挖面的土压力和水压力。因此一方面渣土作为支撑开挖面稳定的介质，其土性对开挖面的稳定起着决定性的作用；另一方面，它又源源不断的由螺旋机向外排土，它的土性好坏又直接影响着出土的顺利与否。
鉴于渣土的性状对于防止喷涌现象的重要性，而通过添加剂来进行砂土改良是一项行之有效的施工技术，改良的关键是使整个土仓的土体成一种塑性流动状态，砂土的改良不仅要降低土体的渗透率，同时还应使土体：①具有较高的含水率，较低的强度。这样易于压力舱内搅拌棒对土体的搅拌，同时保证土体受到挤压时向螺旋机内发生塑性流动，有利于排土防止闭塞。②具有较低的内摩擦角。有利于降低盾构机刀盘扭矩。
3.2 地面沉降控制及危险建筑物的保护
土压平衡盾构控制地面沉降主要的技术关键是，通过开挖面静水土压力和土仓内水土压力的平衡来保持盾构开挖面的稳定，如果土仓的压力不足，难以抵抗开挖面释放的荷载，就可能发生开挖面涌水或坍塌，导致开挖面的失稳。由于本区间隧道上方覆土层多为回填土，地层空隙大泡沫的损失比较大土仓压力很难建立，因此土仓压力不足是造成开挖面失稳的主要原因，为此我们采取了以下措施：
1．使用大量膨润土浆液与泡沫同时注入刀盘前方和土仓内
由于膨润土浆液粘度高，能过对地层中的空隙进行一定的填充，有泥浆护壁功效起到开挖面稳定作用，通过使用大量膨润土浆液代替泡沫即达到了渣土改良效果又防止了由于泡沫的大量损失而导致的土仓压力损失。
膨润土浆液的配制
①以膨润土：水=1:8，浸泡至膨化，膨化时间最少保持12h以上；②最好使用钠基膨润土；③膨润土浆液的粘度控制在20″左右；④注入量：每环注入10～15m3.
2.优化掘进参数来控制和保持盾构开挖面的稳定。为施工参数优化，必须熟练掌握盾构机的操作，根据地面变形曲线进行实测反馈，以验证选择施工的合理性或据以再调整优化施工参数。通过设定推进速度、调整排土量或设定排土量调整推进速度，以求得土舱压力与地层压力的平衡。
①土仓压力计算
P=（r土h+σ外）ξ+r水h式中：r土 —土浮容重； r水—水容重； h—埋深； σ外—外荷载；ξ —土的静止侧压力系数。实际土仓压力略大于理论土压力0.2bar。
②为了减少刀盘转动对地面的扰动减小刀盘主驱动泵的油压、满足渣土改良的效果。推进参数的控制在：刀盘转速：0.8～1.0rpm为宜；推进速度：30～40mm/min推力：1200t～1600t；刀盘扭矩：2000～2500kN.m；土仓压力：1.6～1.8bar
③严格控制出土量：
理论出土量为45m3/环，实际出土量为毎环50m3左右；可按照每出节渣斗（17m3）油缸行程伸长不小于500mm
④同步注浆与二次注浆。
在盾构掘进中，尽快在脱出盾构后的衬砌背面环形建筑空隙中充填足量的浆液材料。二次（或多次）压浆是弥补同步注浆不足，是减少地表沉降的有效辅助手段。注浆压力以出口压力为准，注浆应尽量填充饱满；控制在毎环7m3左右；同步注浆压力为1.1～1.2倍的静止土压力，控制在3bar左右。
4. 成果分析
从本项目900m富水全断面粉细砂层盾构掘进情况可以看出，本项目对盾构在粉细砂层中施工控制，收到了良好的成果：
在初始100m盾构试掘金段，改良剂的配比及膨润土配合比不佳，导致渣土改良不好，结果出现了结泥饼、土赛、喷涌的一系列施工问题。造成盾构推进参数很差，最大推力达到2500t，最大扭矩达到4000KN.m，推进速度5—15mm。最致刀盘卡死、推力太大盾构机无法前进的问题。盾构机的性能承受很大的考验，长时间满负荷工作导致了经常爆油管、液压阀损坏、油缸油管漏油等现象。严重阻礙了工程施工进度。经过试验段的试掘进最终总结分析出了合理的添加剂配合比，从新调整参数后盾构机各项参数均达到了理想状态，土压控制在1.6—1.8bar；推力1200t—1600t；刀盘扭矩2000—2500kn.m，推进速度30—40mm/min。同时也由于盾构机负荷的降低大大减少了故障，爆油管，漏油等现象很少发生。
通过室内试验和实际应用及监测结果表明：泡沫和膨润土同时使用不仅可以改良全断面粉细砂层的流动性，而且降低了渗透性，既有利于防止喷涌、防止闭塞，通过大量膨润土的注入又降低了地层的空隙，减少了泡沫的消散和损失，保证了仓压的稳定很好的控制了地面沉降。
聚合物的使用对喷涌、结泥饼、土塞的问题，在短时间内能起到立竿见影的作用，但由于聚合物较为昂贵，因此正常掘进情况下不使用。可备一部分作为应急物资在喷涌、结泥饼和土塞的事故发生后的应急处理用。
关键词：土压平衡盾构隧道施工技术发生机理
中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：
Abstract: urban subway construction in China in recent years the rapid development, with the improvement of tunnel construction technology, construction method of shield as a kind of safety and environmental protection construction method has been widely use, including earth pressure balance type shield in our use of the most common, become the mainstream of the subway tunnel construction technology. Combining with the wuhan city metro line 1 mark shield, fan-the king of the left line interval shield construction experience, about the soil pressure balance shield in the permeability coefficient of high rich water sand layer tunneling technology in the study.
Key words: soil pressure balance shield tunnel construction technology occurrence mechanism
1. 工程概况
范湖站～王家墩站区间线路起讫里程为：DK5右+982.627～DK7右+166.325，左线长为1191.584m，右线长为1183.698m，总长度为2375.282m。设有一个联络通道，与泵房合建，里程CK6（右）+574.247；设有一个曲线，曲线半径为700m，线间距13～15m，线路最大纵坡坡度26.7‰，最小坡度2‰，最大埋深19m，最小埋深9.1m。区间隧道为外径6m，内径5.4m，管片拼装衬砌的单洞圆形隧道，管片环宽1.5m，管片砼C50，S12。
2. 施工技术难点、风险点及一些工程事故的概念和发生机理
2.1施工技术难点、风险点
根据本区间地质纵断面图，隧道含930m富水全断面粉细砂层，隧道上覆土层多为回填土地层空隙大，本区间地下水为孔隙承压水，水位距地表约3～4m。水量丰富、具承压性、砂土容易液化，是本区间施工中的主要难点。结合武汉地铁2号线范—王区间施工过程，掘进施工中存在以下风险：
①全断面粉细砂层中掘进，，容易出现，闭塞、喷涌、结泥饼等工程事故，刀盘扭矩、千斤顶总推较大；
②在富水全断面粉细砂层中掘进，出土量不好控制容易出现地面沉降问题，且本区间地面建筑物复杂，尤其是要从高压变电站主控室下面通过，稍有沉降将会发生大范围停电等用电故障，后果不堪设想；
③地层空隙大地面经常发生漏浆、漏泡沫等现象，泡沫的添加剂的外漏损失，导致土仓压力难以建立，引起开挖面失稳的风险。
2.2工程事故的概念和发生机理
2.2.1闭塞
当盾构机土仓内渣土具有较大的内摩擦角，土体与侧壁的摩擦力较大，开挖面的压力和压力舱隔板承受的千斤顶的推力较大时，土体在土仓的侧壁容易发生粘附作用（如下图所示），从而使渣土不能顺利排出。
由于在压力舱中心主轴处设有搅拌翼，搅拌范围内的土体与侧壁的摩擦力主要是抵抗搅拌翼的扭矩，其摩擦力在竖向的投影很小，因此这一部分土体不会首先成拱。又由于压力舱顶板压力较大，所以在搅拌翼搅拌影响范围以上的土体不易成拱。在搅拌影响范围以下的土体在较大的侧壁摩擦力作用下易于成拱。
如果在这种情况下，继续推进，则压力舱内的渣土会进一步压缩，导致拱作用更加强烈。在粉质粘土、砂质粘土中，很容易导致拱的产生，进而造成刀盘扭矩、千斤顶总推力的增大，并有可能导致无法正常推进。
2.2.2 喷涌
经螺旋机排出的渣土在螺旋机出口的压力一般接近零压，然后由自重作用落入皮带输送机，当到达螺旋机出口的渣土过稀还具有一定压力时，就会发生喷涌，其主要发生于在富水渗透性较大的砂性地层中施工时，原因是由于土仓和螺旋机内的土体不能完全有效的抵抗开挖面上较高的水压力，从而在螺旋机的出土口处，发生喷砂、喷泥、喷水现象；
3.施工风险应对措施
土压平衡盾构对富水、高压及含水砂层等不良地层的适应性是一个比较复杂的综合技术问题，为确保盾构机顺利掘进，需要针对各个工程事故的发生机理，从改善机械设备的性能配置、施工过程中掘进参数的设定与控制、渣土改良等方面综合考虑，结合本区间地质情况及风险点采取以下措施：
3.1 在富水全断面粉细砂层中土塞、喷涌的应对措施
根据土压平衡式盾构正常推进对土仓内土体性质的要求，针对本区间地质对渣土进行了取样并做了相关的试验，根据试验结果制定了适合本区间掘进的泡沫溶液浓度3%～5%。通过泡沫的合理使用有效的改良了渣土的性质，避免了土塞、喷涌的工程事故的发生
3.1.1土压平衡式盾构正常推进对土仓内土体性质的要求：
土压平衡式盾构施工中，要使开挖下来的渣土呈塑性流动状态，且具有一定的止水性，充满土仓以控制开挖面；同时，用螺旋机来调整排土，使排土量和切削量保持平衡，并使土仓内的渣土有一定的压力，以抵抗开挖面的土压力和水压力。因此一方面渣土作为支撑开挖面稳定的介质，其土性对开挖面的稳定起着决定性的作用；另一方面，它又源源不断的由螺旋机向外排土，它的土性好坏又直接影响着出土的顺利与否。
鉴于渣土的性状对于防止喷涌现象的重要性，而通过添加剂来进行砂土改良是一项行之有效的施工技术，改良的关键是使整个土仓的土体成一种塑性流动状态，砂土的改良不仅要降低土体的渗透率，同时还应使土体：①具有较高的含水率，较低的强度。这样易于压力舱内搅拌棒对土体的搅拌，同时保证土体受到挤压时向螺旋机内发生塑性流动，有利于排土防止闭塞。②具有较低的内摩擦角。有利于降低盾构机刀盘扭矩。
3.2 地面沉降控制及危险建筑物的保护
土压平衡盾构控制地面沉降主要的技术关键是，通过开挖面静水土压力和土仓内水土压力的平衡来保持盾构开挖面的稳定，如果土仓的压力不足，难以抵抗开挖面释放的荷载，就可能发生开挖面涌水或坍塌，导致开挖面的失稳。由于本区间隧道上方覆土层多为回填土，地层空隙大泡沫的损失比较大土仓压力很难建立，因此土仓压力不足是造成开挖面失稳的主要原因，为此我们采取了以下措施：
1．使用大量膨润土浆液与泡沫同时注入刀盘前方和土仓内
由于膨润土浆液粘度高，能过对地层中的空隙进行一定的填充，有泥浆护壁功效起到开挖面稳定作用，通过使用大量膨润土浆液代替泡沫即达到了渣土改良效果又防止了由于泡沫的大量损失而导致的土仓压力损失。
膨润土浆液的配制
①以膨润土：水=1:8，浸泡至膨化，膨化时间最少保持12h以上；②最好使用钠基膨润土；③膨润土浆液的粘度控制在20″左右；④注入量：每环注入10～15m3.
2.优化掘进参数来控制和保持盾构开挖面的稳定。为施工参数优化，必须熟练掌握盾构机的操作，根据地面变形曲线进行实测反馈，以验证选择施工的合理性或据以再调整优化施工参数。通过设定推进速度、调整排土量或设定排土量调整推进速度，以求得土舱压力与地层压力的平衡。
①土仓压力计算
P=（r土h+σ外）ξ+r水h式中：r土 —土浮容重； r水—水容重； h—埋深； σ外—外荷载；ξ —土的静止侧压力系数。实际土仓压力略大于理论土压力0.2bar。
②为了减少刀盘转动对地面的扰动减小刀盘主驱动泵的油压、满足渣土改良的效果。推进参数的控制在：刀盘转速：0.8～1.0rpm为宜；推进速度：30～40mm/min推力：1200t～1600t；刀盘扭矩：2000～2500kN.m；土仓压力：1.6～1.8bar
③严格控制出土量：
理论出土量为45m3/环，实际出土量为毎环50m3左右；可按照每出节渣斗（17m3）油缸行程伸长不小于500mm
④同步注浆与二次注浆。
在盾构掘进中，尽快在脱出盾构后的衬砌背面环形建筑空隙中充填足量的浆液材料。二次（或多次）压浆是弥补同步注浆不足，是减少地表沉降的有效辅助手段。注浆压力以出口压力为准，注浆应尽量填充饱满；控制在毎环7m3左右；同步注浆压力为1.1～1.2倍的静止土压力，控制在3bar左右。
4. 成果分析
从本项目900m富水全断面粉细砂层盾构掘进情况可以看出，本项目对盾构在粉细砂层中施工控制，收到了良好的成果：
在初始100m盾构试掘金段，改良剂的配比及膨润土配合比不佳，导致渣土改良不好，结果出现了结泥饼、土赛、喷涌的一系列施工问题。造成盾构推进参数很差，最大推力达到2500t，最大扭矩达到4000KN.m，推进速度5—15mm。最致刀盘卡死、推力太大盾构机无法前进的问题。盾构机的性能承受很大的考验，长时间满负荷工作导致了经常爆油管、液压阀损坏、油缸油管漏油等现象。严重阻礙了工程施工进度。经过试验段的试掘进最终总结分析出了合理的添加剂配合比，从新调整参数后盾构机各项参数均达到了理想状态，土压控制在1.6—1.8bar；推力1200t—1600t；刀盘扭矩2000—2500kn.m，推进速度30—40mm/min。同时也由于盾构机负荷的降低大大减少了故障，爆油管，漏油等现象很少发生。
通过室内试验和实际应用及监测结果表明：泡沫和膨润土同时使用不仅可以改良全断面粉细砂层的流动性，而且降低了渗透性，既有利于防止喷涌、防止闭塞，通过大量膨润土的注入又降低了地层的空隙，减少了泡沫的消散和损失，保证了仓压的稳定很好的控制了地面沉降。
聚合物的使用对喷涌、结泥饼、土塞的问题，在短时间内能起到立竿见影的作用，但由于聚合物较为昂贵，因此正常掘进情况下不使用。可备一部分作为应急物资在喷涌、结泥饼和土塞的事故发生后的应急处理用。