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土压平衡式盾构机土仓压力设定探讨
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【精华】盾构机带压进仓方案9.doc38页
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带压进仓方案 ①
盾构机常压开仓及应急预案 ⑦
标盾构区间带压进仓换刀施工方案 ⑦
带压进仓方案
1.编制目的
盾构机气泡仓内碎石机油管漏油且有一个土压传感器显示不准，目前气泡仓压力为4bar，需进行三次带压作业，修复并加固碎石机油管、更换传感器，保证盾构安全顺利的推进。 2.开仓前的准备
2.1在制定清理计划后，设物资部根据计划购置相应的工具风镐、短柄铁锹、编织袋等，满足清理需要。
2.2为了确保此次带压作业的安全可靠，特邀请北海公司的专业人员到现场进行指导和协助，对带压进仓人员进行带压作业培训和安全教育。
带压作业前所有人员到现场熟悉作业环境，详细了解此次带压作业的目的和内容，明确作业步骤和流程，熟悉人员仓和气垫仓内的结构以及确保各种开关、按钮、开关阀、压力表等的工作正常。
2.3作业前首先进行人仓调试，一起确认各项功能的正常工作，风、水、电能够供应充分，技术专家对进仓人员要进行安全和理论培训。并由操作人员（专业人员）来现场，对现有的系统进行操作培训练习。
2.4作业时要确保空压机要确保能够正常工作，备用内燃空压机要能够确保随时气源。作业前30min必须检查仓内气体的含量，确保里面无有毒气体，氧气含量充足。
2.5在开仓前在气泡仓内注入膨润土使隧道的内部形成一层薄膜，以达到气泡仓内部形成一种内闭的空间。
2.6在盾尾管片处注绝缘脂，保证盾尾密封不漏气。
2.7在开仓前进行加压试验，、观察有无漏气现象，若有漏气现象，必须对其加固处理，至不漏气为止。
3.带压进仓程序
3.1对作业人员的要求
应熟悉进舱作业程序并能严格遵守作业程序及安全规定。空气仓的操作由受过训练的人仓管理员（现
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成都地铁富水砂卵石地层中土压平衡盾构机安全快速施工技术
作者：宋修元,杨宏强&&发布：&&浏览：
单位：中铁十三局集团第二工程有限公司，海瑞克亚洲总部有限公司
要：本文回顾了成都地铁2号线二标成羊区段的盾构施工过程，并阐述了有关施工关键控制要点。在成都地铁1号线隧道的盾构施工中，通过理论分析和不懈的现场摸索、尝试、改进，逐渐形成一套安全、快速、有效的土压平衡盾构机的施工技术。在随后的成都地铁2号线盾构施工中，此技术得到了进一步的充实和完善，并取得了极其显著的施工效果。这种在富水砂卵石地层中大规模采用土压平衡盾构机掘进，不仅丰富和完善了复杂地层下的盾构施工技术，同时填补了我国盾构施工技术空白，也创造了盾构施工世界罕见的工程实例。The paper reviews the process of TBM tunnelling of a running section in C2 0f Line 2,Chengdu Metro and describes critical control points of the tunnelling. During the tunnelling of Line 1, Chengdu Metro, a safe, rapid, and effective set of EPBM boring techniques has been formed gradually after theoretical analysis and incessant onsite probing, trial, and improvement.This technology mentioned above has been further enriched and improved to perfection with very significant results for the then Line 2 construction in Chengdu Metro. A broad application of EPBM boring in water rich sandy pebble stratum not only flourished or perfected TBM boring through complex ground, but also filled the blank of TBM tunnelling technology in China, as well as created a case study the world has rarely seen.
成都市地铁工程项目自2006年启动以来，就因其独特的富水砂卵石地层和施工难度，引起盾构施工界的关注。在缺乏成熟经验的情况下，各参建施工单位在施工初期都遇到了程度不一的困难。具体表现为：刀具／刀盘磨损严重、刀具更换频繁；地层不稳定、刀具更换困难；局部粉细砂层刀盘结泥饼问题等。同时，施工手段单一，各个盾构施工参数值偏大、盾构机处于病态运作、施工进度慢。
针对施工出现的问题，积极研究摸索、尝试、总结、创新，逐渐形成了一套切实可行的施工方法。2号线期间成都地铁项目经理部还联合大学和科研单位成立课题组，在盾构刀具结构、刀具材料、刀具配置等方面作出综合改进，显著提高刀具的使用寿命，大幅度降低刀具使用成本。
2&&地质水文条件和1号线盾构施工回顾
成都市位于四川盆地西缘。1号线一期工程沿线与隧道工程相关地层为第四系松散堆积层。按地质成因与时代，可划分为5个工程地质岩组：①第四系全新统人工填筑土；②第四系全新统冲积层；③第四系上更新统冰水沉积、冲积层；④第四系中更新统冰水沉积、冲积层；⑤白垩系上统灌口组泥岩。
其中②、③、④岩组中的各个砂砾卵石层，构成了成都市独特的卵石地层。其特点为粗粒粒径大、密实度大、含量高、强度大、磨蚀性高等。卵、砾石以中风化为主，充填物主要为中细砂，夹少量黏性土。地勘过程中揭露出的卵石、漂石分布情况如图1所示。试验表明卵石的单轴抗压强度为65.5～184MPa，平均值为102.2MPa，极值为206MPa。
图1&&土样中及探坑内卵石照片
同时，地层中局部还存在弱泥质胶结和微钙质胶结层，硬度大，相当于低强度混凝土。
成都市位于北温带，年降水量约为1&000mm。地下水分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种。其中第四系孔隙水基本赋存于由各第四系松散堆积砂砾卵石层所形成的整体含水层内，是影响盾构施工的主要地下水。区内地下水埋藏浅，并有丰富的年降水量作为补给。主要含水卵石层Q32和Q31均有较高的透水性，其渗透系数如表1所示。
表1&&卵石层渗透系数
地下水位埋深随季节变化，枯水期的埋藏深度一般在3.0～5.0m范围，地下水位变化幅度多在1.0～3.0m范围。据资料，单井出水量（以200mm井径、5m降深计），为1&000～1&500m3/d，体现了地层的富水程度。
成都地层的地质水文条件可归纳为：具有“地下水位高、卵石含量高、卵石强度高”的“三高”特性。卵石地层灵敏度高，扰动后稳定性差。地下水量丰富、水压大，由此引起涌水和掌子面稳定性问题。卵石强度高、磨蚀性大，导致刀具严重磨损以及刀具频繁更换问题。这些将是盾构施工过程中的主要难题。
3&&&&&&&1号线2标段的盾构施工回顾
3.1&&&&&&1号线2标段盾构工程条件及盾构机选用
成都地铁1号线试验标段之一的2标段。地处成都市中心北南要道部位，沿人民北路南部和人民中路敷设。该标段共有3个盾构区段，即人民北路站～文武路站区段、文武路站～骡马市站区段、骡马市站～天府广场站区段。隧道左线、右线长度分别为2&390.316m和2&407.774m。线路间距为11～15m，埋深为15～20m。临近车站区间拱顶覆土厚度为6.8～9.2m。
由于地处城区中心位置，建筑施工场地受到城市拥挤环境的限制。项目现场的进料、出渣等均受时间限制。根据地质和项目环境条件，隧道掘进采用两台海瑞克公司生产的土压平衡盾构机(S-365/366)，如图2所示。其简要技术参数汇总如表2所示。
图2&&海瑞克土压平衡盾构机
表2&&&&盾构机简要技术参数
3.2&&&&&&1号线2标段盾构施工
在1号线2标段初期阶段，盾构掘进遇到一些施工困难，进度较缓慢。其中现场现象主要为砂卵石地层使其刀盘、刀具、出渣系统等部位磨损严重；掌子面不稳定、换刀停机易坍塌；降水换刀地点难以选择；卵石地层局部有粉细砂土处已结泥饼。同时渣土改良初步实施，但尚处于摸索过程中，渣土改良效果尚不理想。盾构机施工参数简要如表3所示。
表3&&&&1号线2标段盾构机初期主要施工参数
3.3&&砂卵石地层的沉降机理和盾构施工技术提高
成都砂卵石地层为一种典型的不稳定地层。卵石块在地层中起骨架作用，卵石块点对点传力。卵石块间空隙大，其间充填各类砂层，无黏聚力，结构松散。同时地层含水量大、透水性强，开挖时容易引起水、砂流失，从而引发坍塌。
当盾构机掘进、刀盘转动时，对地层有一定的扰动。若出现开挖量较大、超挖或者是在开舱检修导致盾构机上部一定量的地层松散、渣土流入土舱，就将引发上覆地层连续松散、塌陷。这一松散、塌陷过程逐渐向上传递、最终导致地表沉降或塌陷，其过程如图3所示。
图3&&砂卵石地层塌陷过程
相关研究表明，现场沉降观测数值与延迟性地表塌陷的关系，认为当最大地表沉降超过某一值后，地层将出现空腔，若不采取相应补救措施，过后一般都将出现滞后性地表塌陷。
这些研究对随后的掘进施工具有指导意义。随着不断尝试、摸索，以及各种综合施工手段的使用，使得各个盾构参数也趋于合理范围，盾构掘进速度逐步提高。全标段隧道最终于日全部贯通。
4&&&&&2号线2标段的盾构施工
2号线2标段也采用两台盾构机，编号为2号线1号盾构机、2号线2号盾构机，2号盾构隧道（右线）施工先行。
4.1&&&&2号线2标段盾构工程条件
本标段共有3个盾构区间，即成灌客运站一红色村站区间、红色村站一黄忠路口站区间、黄忠路口站一羊西二环路站区间。隧道线路起于成灌客运站南端，在羊犀立交桥处以500m半径曲线穿过三环后，沿蜀汉路由西北向东南敷设，途经大院人家、羊犀立交桥桥墩旁侧、蜀汉路等，止于羊西二环路站西北端。
区间线路隧道顶面最大埋深约为20.776m，最小埋深约为9.417m；左、右线间距为11～16m最大曲线半径为3&000m，最小曲线半径为500m；最小坡度3‰（车站坡度2‰），最大坡度26‰。管片内、外直径分别为5.4m和6.0m．管片厚为300mm，宽为1.5m。
盾构机在成灌客运站下井拼装后开始掘进，通过红色村站、黄忠路口站，到达羊西二环路站解体、吊出。1号、2号盾构机掘进长度分别为2&934.512m和2&961.261m，共计隧道全长5&895.773m。成羊区间盾构施工顺序图如图4所示。
图4&&成羊区间盾构施工顺序图
4.2&&盾构掘进参数的设定和优化
根据隧道工程条件，盾构主要参数按盾构在最大土压和水压位置进行计算，选择的计算断面位置为红色村站到黄忠路口站间的M222-HH-02处。根据招标文件和地质堪察报告按盾顶埋深18m，地下水位按丰水期埋深2m，盾构穿越地层按地层编号为(3-6-3)卵石土地层进行核定。经计算的到如下盾构的关键参数如表4所示。
表4&&&&盾构关键参数计算值
结合1号线盾构施工经验，本标段盾构施工参数值设定如表5所示。
表5&&&&盾构掘进参数表
在盾构施工过程中，项目部强化施工管理，及时根据反馈的施工监测数据，对于控制参数不断优化调整。主要的参数调整优化措施如下：
(1)采用以滚刀、齿刀、周边刮刀为主的刀盘切削土层，以低转速、大扭矩推进。
(2)适当提高掘进土压力以防止涌砂，并在掘进中不断调整优化。
(3)土舱压力通过采取设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度两种方法建立，并应维持切削土量与排土量的平衡，以使土舱内的压力稳定平衡。
(4)盾构机的掘进速度主要通过调整盾构推进力、转速（扭矩）来控制，排土量则主要通过调整螺旋输送机的转速来调节。在实际掘进施工中，应根据地质条件、排出的碴土状态，以及盾构机的各项工作状态参数等动态地调整优化。
(5)掘进时采取碴土改良措施增加碴土的流动性和止水性，密切观察螺旋输送器的栓塞和出土情况以调整添加剂的掺量。
(6)在盾构掘进速度一定的情况下，主要通过调整螺旋输送机的转速，调整出土量的大小，以达到维持土舱压力的平衡。做好土量管理工作，对每环出土量进行测定，出土量控制在一定范围内。保持盾构机良好的姿态。
同时根据本标段隧道沿线地面道路、地下管线、高压电缆塔、房屋等的分布情况，项目部预先制订了隧道内注浆加固方案，并在盾构施工过程中实施。
4.3&&盾构掘进参数分析
在本标段的掘进过程中，通过执行上述施工步骤，并严格控制掘进速度、出渣量、保证同步注浆量及压力，保证他们的稳定性。部分环掘进参数曲线如图5、图6所示。
图5&&成灌客运站～红色村站区间左线(S-365)部分环盾构参数曲线
图6&&成灌客运站一红色村站区间左／右线盾构掘进周进度统计
两台盾构机分别于日和12月26日完成掘进，在2号线各盾构施工标段中第一个实现全标段隧道贯通。施工期间的最佳日、周、月掘进纪录分别为24m、123m和415m。
4.4&&沉降观测
沿待建隧道，沉降观测点的布置以及观测频率均按有关技术规定执行。在成灌客运站一红色村站区间内，隧道下穿一污水管道。该处沉降观测点布置如图7所示。隧道掘进过程中，对管道和地表沉降进行了严密监测。其沉降曲线如图8所示。盾构掘进过程控制严格，最大限度地减小对地层的扰动，故各地表、管道的沉降幅度均控制在容许范围。
图7&&成灌客运站～红色村站区间某污水管处沉降观测点布置
图8&&成灌客运站～红色村站区间右线隧道地表局部及某污水管处沉降观测曲线
回顾成都地铁1号线和2号线标段的建设过程，沙卵石地层的盾构施工经历了借鉴、摸索、总结、提高的过程。对成都地铁“地下水位高、砂卵石含量高、卵石和漂石强度高”这一世界地铁施工的难题，现已形成一套成熟的施工方法。
2号线标段组织的刀具研究课题组对盾构刀具结构和刀具材料进行了研究改进，并取得重大突破。刀盘上刀具配置优化，刀座保护刀、导流刀等新型刀具配置，以及盾构刀盘的综合改进显著提高了盾构刀具的使用寿命，换刀频率从150m延长到450m，且刀具报废率从60%降低到3%，大幅度地降低了刀具使用成本。2010年12月，《适应成都地质条件的盾构刀具及耐磨材料开发研究》通过了四川省科技成果鉴定，有关专家和业主单位认为“该盾构刀具及耐磨材料成果属国内首创，居国际同类研究的先进水平。具有广泛的推广应用前景和明显的社会经济效益。”国家知识产权局已正式受理盾构机刮刀刀座保护刀、盾构机导流刀、盾构机刀盘用耐磨环三项技术申请专利。
摘自《地下交通工程与工程安全》
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2016年第 5 期
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