地铁隧道土压平衡盾构始发掘进施工技术

孙英茂

中铁九局集团第四工程有限公司

摘要：近年来，随着我国城市化进程的不断加快，我国盾构机施工技术取得了长足进步，已日趋成熟。由于人口与交通等方面的压力，目前全国各地掀起了地铁建设规划热潮。土压平衡式盾构施工技术兼具安全、高效、质量可靠等优势，在地铁工程建设中具有重要的地位。但部分地铁工程的建设环境复杂，受现场地质、水文等多项条件的影响，明显加大土压平衡盾构施工难度，施工期间潜在诸多安全隐患。

关键词：地铁隧道；土压平衡；盾构始发掘进施工技术

引言

土压平衡盾构机被应用于大多数城市地铁修建中，其掘进参数通常需要根据掘进段不同的工程地质及水文地质条件设置，掘进参数的合理设置直接影响到隧道工程建设安全性。土压平衡盾构机适用于在黏土地层隧道中掘进，当遇到渗透系数大的富水砂层，特别是穿河段，碴土流塑性差、土层透水性强，掘进过程中易发生喷涌、土仓失稳、地层变形等现象。因此，在穿越富水砂层、穿河段，土压平衡盾构机掘进参数的设置就尤为重要。

1盾构掘进的风险探析

由于砂性土颗粒粒径大、内摩擦角大、地层渗透系数高等情况的存在，不利于盾构掘进作业的顺利开展，施工期间可能遇到如下风险：（1）砂层颗粒间存在较强的摩擦阻力，流动性较差。随着盾构进程的推进，切削产生的渣土逐步聚积在土舱和螺旋输送机内，产生一定的堵塞作用，导致刀盘扭矩、千斤顶推力均明显增加，开挖排土状态异常；同时，刀盘在切削期间有明显的磨损，在长时间切削后，影响正常盾构。（2）砂层土体缺乏足够的流塑性，砂颗粒的相互作用力偏弱，大颗粒砾石的可控性较差，具有向螺旋叶片四周移动的趋势，或是大量堆积在土舱底部，此时土压控制难度偏高。（3）盾构掘进时，参数的控制难度较大，例如，掘进速度、螺旋机转速、刀盘扭矩3项参数缺乏均衡性。在相对较快的掘进状态下，刀盘扭矩增加，可能出现刀盘接近满载状态运行的情况。

2地铁隧道土压平衡盾构始发掘进施工技术

2.1盾构掘进参数

盾构掘进参数包含盾构总推力、刀盘扭矩、掘进速度、注浆压力等，某项或多项参数不合理时，均会对盾构掘进造成影响，因此需加强控制。盾构推力主要受到盾构与土体间的摩擦因素、盾构四周的土压力、土体的黏聚力3项因素的影响；刀盘扭矩在很大程度上取决于刀盘周边土体的压力、刀盘所受土压力、盾构与土体的摩擦力等因素。其中，盾构与土体的摩擦因素、土体的黏聚性、盾构所受的土压力均会对盾构推力和刀盘扭矩造成影响。在本项目中，经过前期的规划后，盾构区间线路已经成型，可以确定盾构所受的土压力，因此无法对地层特性、埋深等进行改变，此时若要有效降低扭矩和推力，则需要采取加快掘进速度、渣土改良的方法。

2.2砂层掘进技术

（1）纵观本区间盾构掘进的地层条件可知，中粗砂的占比较大，此类地层具有密实性较强的特点，标贯击数高。（2）掘进时的常见问题。地层的密实度较高时，将加大盾构掘进的难度，盾构推力偏大，进而加大盾构姿态的控制难度，也将放慢盾构掘进速度。并且，在大推力的盾构运行方式下，盾构的推力系统以高负荷的状态运行，衍生出液压油温异常升高的问题，乃至干扰油路系统的正常运行，部分情况下还需辅助应用铰接油缸，以此提供足够的推力。由此可见，在高度密实地层中的掘进难度较大，为了改善盾构掘进条件，需要掺入适量的膨润土泥浆和泡沫，借助此类材料改良土体，优化盾构掘进施工环境，使盾构设备以相对合理的推力运行。（3）应对方法。对于过于密实的地层，渣土改良是可行的方法，可在土舱处、刀盘前方、盾体外规划泥浆的注入点，注浆改良渣土。（4）施工参数。加强对土舱压力的控制，以2/3舱或满舱的状态掘进，向土仓内填充渣土，以此保证掌子面的稳定性；合理协调螺旋转速和掘进速度两项参数，动态控制刀盘扭矩，使该值不超过额定扭矩的70%，在确保扭矩及其他参数均合理的前提下，适当增加土舱压力。盾构掘进环速度以35～45mm/min为宜。在全断面砂层掘进过程中，由于刀盘扭矩较大，需要加强对刀盘扭矩的控制，要求该值稳定在额定扭矩的70%以内，为此，可以采取增加泥浆注入量、原地空转刀盘或是其他可行的方法，还需有效控制刀盘内外周温度，以40℃以内为宜。

2.3小直径土压平衡盾构大坡度防溜车技术

选用球形主动铰接系统盾构机，满足小半径盾构机在大坡度条件下的爬坡要求，解决了盾构机在大坡度软弱地层中掘进问题；在电机车上增设双向应急防溜制动装置，降低了大坡度水平运输溜车风险，降低对轨道的破坏，节约轨道维修时间，节省电机车出轨造成的轨道、轨枕、走道板等维修费用，保障了盾构水平运输及地表建筑物安全。小直径土压平衡盾构大坡度防溜车技术通过实践成功应用，通过选用球形主动铰接盾构机和电机车上增设双向应急防溜制动装置，满足小半径盾构机在大坡度条件下的爬坡要求，保障了电机车大坡度运输安全，降低对轨道的破坏，节约轨道维修时间，节省电机车出轨造成的轨道、轨枕、走道板等维修费用，保障了盾构水平运输及地表建筑物安全，各项创造性和先进性技术得到了验证，具有施工安全、可靠、环保等特点，赢得了各参建单位及业主单位的好评，获得了良好的社会效益。随着城市轨道交通建设规模的扩大，盾构在大坡度段软土地层中掘进的项目越来越多，本项目的技术研究将对以后类似工程提供重要的参考。

2.4基于PSO-SVR的土压平衡盾构施工进度优化

隧道掘进机是一种大型掘进装备，相比于传统的钻爆法，具有开挖速度快、施工质量高和对周围环境扰动小等优点，因而广泛应用于山岭隧洞、引水隧洞、城市地铁等的开挖中。然而，TBM对地质条件的适应性较差，如果遭遇不良的地质条件或者设置的操作参数与地质条件不匹配，将导致掘进速度慢、利用率低的情况。施工进度优化研究的关键是首先建立利用率预测模型，然后以此建立施工进度优化方程；将利用率的计算细化到掘进环尺度，能丰富数据集，并为掘进环内的操作优化奠定基础；地质类型、操作参数与载荷对利用率有重要影响，且随着推进速度的加快，利用率有逐渐下降的趋势；SVR适合小样本建模，建立的利用率预测模型在测试集上的R2为0。625，优于多元线性回归、决策树、k最近邻、随机森林、AdaBoost和XGBoost模型；PSO具有全局寻优能力，能准确地找出不同地质类型下最优的操作参数，使得施工进度最大。综上，所提方法能准确地预测EPB的利用率并优化其操作，使其安全、快速地掘进，具有较好的工程应用价值。然而，所建立的基于SVR的利用率预测模型的泛化能力只是在同一项目的另一条相近的隧道中展开了验证，未来考虑将模型推广应用到其他具有相似地质条件的隧道中。

结语

随着我国经济社会的发展，城市及城际轨道交通建设规模的扩大，盾构隧道的埋深越来越大，地质情况越来越复杂，存在淤泥质土、液化砂层甚至溶土洞等不良地质的情况，增加了施工安全风险。该技术成果较好解决了这些难题，有效控制隧道掘进机姿态，保证了施工安全和工程质量；同时大大节约人力、物力的投入，其综合效益非常显著，能为同类地质条件背景下非开挖施工提供新的技术措施，推广应用前景广阔。

参考文献

［1］林辉，林锡坤，郑勇，等．电机车双向应急防溜制动装置：CN209037582U［P］．2019-06-28．

［2］宁浩淞，贾连辉，蒲晓波．小直径土压平衡盾构机设计思路［J］．科技研究，2014，36（2）：274-275．