软土地层中土压平衡式盾构的应用.doc

土压平衡式盾构在软土地层中的应用 张洪锋 （中交隧道局盾构工程公司，北京 100088） 摘要：本文介绍了土压平衡式盾构机的适用条件、设备概况、基本工作原理。并通过上海轨道交通12号线虹莘路站——七莘路站区间盾构推进基本参数及其应用情况，进一步阐述了软土地层中土压平衡式盾构应用的可行性。 关键字：软土地层、土压平衡式盾构、功能、应用。 引言 进入21世纪，世界经济的迅猛发展加速了城市化的建设。随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加，地面可利用空间越来越少。利用盾构法来有效利用和开发地下空间成为最佳的选择。随着我国大规模地铁建设逐步开展, 城市地下工程施工技术的研究开发已成为一个重要的课题。 目前, 我国的地铁隧道主要分布在沿海地区( 如上海、天津、苏州、杭州等地) 以及一些内陆中心城市( 如武汉、南京等) , 这些地区的地下广泛分布着很深的软黏土沉积层, 它具有土壤颗粒细、抗剪强度低、含水量高、天然孔隙比大、灵敏度高、高压缩性和流变性等显著的工程特性, 而且土体经扰动后强度明显降低。在这些软土地层中进行盾构法施工, 一个很突出的特点就是地层适应性问题, 即盾构设备对土层介质类型的适应性、刀盘结构型式及刀具布置型式对地层的适应性、盾构机工作参数之间的匹配性、盾构工作参数对地层扰动的适应性。 土压平衡盾构自引进以来在软土地基中得到极大的应用。目前在上海地区除个别超大直径如过江隧道使用泥水平衡盾构以外，其他隧道大多采用土压平衡式盾构。 盾构工程施工条件 上海轨道交通12号线虹莘路站——七莘路站区间，单线盾构施工的单线长度约为1628米；隧道覆土厚度最小为9.68米，最大为20.10米。线路纵断面最小坡度2.0‰，最大坡度25.0‰。盾构外径6.34米，管片外径6.2米、内径5.5米、管片宽度1.2米。 地质情况：本区间隧道掘进主要在第④2层砂质粉土夹粉质粘土及第⑤1层粉质粘土之中。第④2层、⑤1层土均属高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性的饱和软粘性土，具有较高的灵敏度和触变特性，在动力作用下极易破坏土体结构，使土体强度骤然降低，变形量增加。 地下水：潜水水位埋深约在1.5米。本区间盾构段隧道底距离地面约16.02米—26.44米，部分线路离⑦层层面较近，故第⑦层承压水层对本工程隧道盾构有影响，可能会造成突涌。 环境条件：本工程区间隧道主要穿越城市道路，路下有一些管径较大的管线如上水管、雨水管、污水管、天然气管等。区间盾构施工对建筑物和管线保护要求较高。地表面允许隆陷值为＋10/－20mm，管线及建构筑物允许隆陷值为＋10/－10mm。 盾构机选型 根据本工程粘性土的地质条件，采用土压平衡式盾构;针对地下水压力较高的条件，采用密封型的盾构。就土压平衡盾构机而言，随着盾构机和辅助功能的完善与发展，如局部气压平衡系统的采用，加泥加泡沫系统的采用，以及防喷涌功能系统和保压泵碴装置的应用等，已使土压平衡盾构具有了十分完善的功能和先进的技术性能。土压平衡盾构能够适应较大的地质范围与地质条件，既能用于粘结性、非粘结性、有水或无水的软土或硬岩等多种复杂的地层；同时又能保证较高的施工速度，能有效的控制地表沉降。经过采取适当的辅助措施如加泥（膨润土）、加泡沫等，可以在松散的砂、砾地层中很好地稳定开挖面，从而可靠安全地掘进；特别是采用螺旋机装置后，可以给掌子面提供充足的压力以保持地层的稳定，而且土仓内的压力也不会出现较大的波动，在此情况下仍可连续出渣；并且在出渣口安装闸门防止发生喷涌，从而可在地下水压较高的情况下仍能很好地防喷、止水，保证施工的安全可靠。所以我们认为在本工程土压平衡盾构机是最佳选择。 土压平衡式盾构概况 土压平衡式盾构工作原理 安装在盾构机最前面的全断面切削刀盘切削土体，盾构千斤顶向前顶进，切削下来的泥土充满密封舱和螺旋输送机壳体内的全部空间，在密封的土舱内形成支撑压力，以抵抗开挖面土层的水土压力，减少盾构推进对地层土体的扰动，有效控制地表变形。根据土压变化调整出土和盾构推进速度, 达到工作面的压力平衡。 本工程土压平衡式盾构的组成 它主要包括开挖系统及加泥加水设备；刀盘驱动及推进系统；盾壳及盾尾密封；出土运输系统；同步注浆系统、管片运输、安装设备；供电系统；后续台车等。 土压平衡式盾构在上海轨道交通12号线虹莘路站——七莘路站区间的应用情况 施工中技术参数的选择 （1）土压的设定原则 正面平衡压力：P=k0(h P: 平衡压力（包括地下水）；(：土体的平均重度（KN/m3）h：隧道埋深（m）；k0：土的侧向静止平衡压力系数。 盾构在掘进施工中均可参照以上方法来取得平衡压力的设定值。具体施工设定值根据盾构埋深、所在位置的土层状况以及监测数据进行不断的调整。 通过经验计算土压值控制在0.25 MPa～0.43 MP