一、課題的提出或項(xiàng)目背景

     “土壓平衡盾構(gòu)平衡理論技術(shù)研究與實(shí)踐應(yīng)用”課題以成都軌道交通19號(hào)線二期工程泥巖地層、砂卵石地層盾構(gòu)區(qū)間為依托進(jìn)行研究。土壓平衡盾構(gòu)在上述兩種地層施工中常規(guī)做法是采用保壓掘進(jìn)、同步注水泥漿液，砂卵石地層超方地表鉆孔找空洞、回填砂漿，泥巖地層下管片背后注水泥水玻璃漿防管片上浮、每隔一段距離管片背后注封水環(huán)防噴涌等，但還是會(huì)出現(xiàn)無(wú)法達(dá)到及時(shí)回填超方位置造成地表坍塌、管片上浮嚴(yán)重造成錯(cuò)臺(tái)與破損、盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌等現(xiàn)象，同時(shí)盾體上方地表容易沉降。 

        為有效控制盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌、地表沉降、管片的錯(cuò)臺(tái)與破損，避免由于施工工藝把控不到位造成成型隧道質(zhì)量不佳和地面沉降引起的一系列質(zhì)量安全隱患，同時(shí)規(guī)避地表沉降造成地表既有建（構(gòu)）筑物、地下管網(wǎng)的破壞，從土壓平衡盾構(gòu)平衡理論入手，分別從無(wú)變形平衡壓力和盾體縫隙填充計(jì)算、中盾注泥和同步注雙液漿設(shè)備與材料的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用、后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋等3方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究與實(shí)踐應(yīng)用，較之前的傳統(tǒng)工藝方面有效控制了土壓平衡盾構(gòu)的地表沉降、管片錯(cuò)臺(tái)與破損、盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌等，極大降低了盾構(gòu)施工成本。

二、項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容

        依托成都軌道交通19號(hào)線二期工程，針對(duì)成都地區(qū)泥巖地層管片上浮，造成成型隧道出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、破損、滲漏水等現(xiàn)象；砂卵石地層地表沉降較大，極易造成地表既有建（構(gòu)）筑物、地下管網(wǎng)的破壞。開展了土壓平衡盾構(gòu)平衡理論技術(shù)研究與實(shí)

踐應(yīng)用，具體如下： 

1.工藝流程

圖1-1  盾構(gòu)施工部分流程圖

2. 主要實(shí)施內(nèi)容

1）無(wú)變形平衡壓力計(jì)算

選取19號(hào)線二期工程中鐵裝備Φ8600mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行研究，此盾構(gòu)機(jī)用于成都，刀盤設(shè)計(jì)如圖，刀盤為周邊圓弧形刀盤，采用滾刀加刮刀的刀具布置，滾刀最大開挖直徑8630mm，盾體直徑采用前大后小的設(shè)計(jì)。

圖2-1 中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)圖

隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，刀盤滾刀切削土體開挖面和開挖成型面如下圖，開挖面和開挖成型面分為三部分：Ⅰ區(qū)是開挖成型后形成的直徑8630mm的圓柱體內(nèi)面；Ⅱ區(qū)是刀盤周邊滾刀開挖形成的由直徑7496.66mm至直徑8630mm漸變的圓弧體內(nèi)面；Ⅲ區(qū)是直徑7596.66mm圓形成的垂直于刀盤中心線的圓面。要保持開挖面和開挖成型面原狀土無(wú)變形，主要是研究這三個(gè)區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的平衡壓力。

圖2-2 盾構(gòu)開挖面和開挖成型面圖

（1）垂直于刀盤中心的開挖圓面（Ⅲ區(qū)）平衡壓力計(jì)算

垂直于刀盤中心的圓面上的任一點(diǎn)平衡壓力根據(jù)土力學(xué)理論等于原狀土的靜止側(cè)向土壓力。

σ＝γhk₀                                                   （1）                                                                                      

（2）周邊滾刀開挖面（Ⅱ區(qū)）平衡壓力計(jì)算

取圓弧體內(nèi)表面上任一點(diǎn)A（如圖2-2），在A點(diǎn)上開挖面前方假設(shè)有一原狀土微小單元土體，經(jīng)A點(diǎn)切削后形成土體形狀如圖2-3，通過(guò)此點(diǎn)平行于刀盤中心線的直線與通過(guò)此點(diǎn)刀盤圓弧的豎向切線的夾角為α，通過(guò)此點(diǎn)刀盤橫截面的水平線與切線的夾角為β。

①當(dāng)α＝0，β＝0時(shí)，σ＝γh；                                （2）

②當(dāng)0<α<90°并且0<β<90°，α<β時(shí)，

設(shè)微小單元土體上表面為正方形，端點(diǎn)分別為A、B、C、D，與圓弧面豎直相交點(diǎn)分別為F、G、H。由于此為微小單元土體，所有兩點(diǎn)間的圓弧長(zhǎng)度簡(jiǎn)化為兩點(diǎn)間的直線長(zhǎng)度，四點(diǎn)間的圓弧面簡(jiǎn)化為平面。

圖2-3 微小單元土體被圓弧形刀盤切削形狀示意圖

設(shè)L_AB=L_BC=L_CD=L_AD=Δl，                                           （3）

由幾何尺寸推導(dǎo)出∠DAH=α,∠BAF=β;                            （4）

由于是微小單元土體，可簡(jiǎn)化為L(zhǎng)_AH=L_FG, L_AF=L_HG,

從而三角形面積S_ΔAHF=S_ΔGHF;                                       （5）

由于是微小單元土體，簡(jiǎn)化三角形面積為S_ΔHIG=S_ΔABF ;S_ΔAHD=S_ΔFGJ ;     （6）

由（4）式可計(jì)算出LDH＝Δl tanα；LBF＝Δl tanβ;              （7）

由（3）、（7）式可計(jì)算出L_AH＝Δl (tan²α+1)^1/2;L_AF＝Δl (tan²β+1)^1/2; L_FH＝Δl ((tanα-tanβ)²+2)^1/2;                                        （8）

由以上幾何圖形計(jì)算圓弧A點(diǎn)切削的微小土體6個(gè)面其中5個(gè)面的力分別是：

上表面土體自重力 F_上＝γhΔl²；

左右表面土體側(cè)壓力合力F_左右＝F_右-F_左=γhk₀Δl²tanβ；

前后表面土體側(cè)壓力合力F_前后＝F_前-F_后＝γhk₀Δl²tanα；

5個(gè)面的合力為F_合＝γhΔl²(1+k₀²(tan²α+tan²β))^1/2;               （9）

要達(dá)到壓力平衡，5個(gè)面的合力的平衡力實(shí)際上是平衡壓力在微小土體圓弧切削面的作用力。

F_合=F’_合

根據(jù)三角形面積海倫公式，a=L_AH，b=L_AF，c=L_FH，s=0.5(a+b+c)；

三角形面積S_ΔAHF=(s(s-a)(s-b)(s-c))1/2;                        （10）

由（9）、（10）式最終推導(dǎo)出0<α<90°和0<β<90°時(shí)圓弧面的任一點(diǎn)的平衡壓力理論計(jì)算公式：

σ＝F’_合/(2SΔ_AHF)= F_合/(2S_ΔAHF)                                （11）

當(dāng)0<α<90°并且0<β<90°，α≥β時(shí)，平衡壓力理論計(jì)算公式與（11）一樣。

③當(dāng)α＝90，0<β≤90°時(shí)，實(shí)際上與（1）式一樣，σ＝γhk₀；   （12）

④當(dāng)β＝90，0<α≤90°時(shí)，平衡壓力計(jì)算公式為：

σ＝γhk₀                                                    （13）

⑤當(dāng)α＝0，0<β≤90°時(shí)，按②內(nèi)的計(jì)算方法一樣可推導(dǎo)出平衡壓力計(jì)算公式：

σ＝γh（cos²β+k₀²sin²β）^1/2                                  （14）

⑥當(dāng)β＝0，0<α≤90°時(shí)，按②內(nèi)的計(jì)算方法一樣可推導(dǎo)出平衡壓力計(jì)算公式：

σ＝γh（cos²α+k₀²sin²α）^1/2                                  （15）

（3）開挖成型面（Ⅰ區(qū)）的平衡壓力計(jì)算

開挖成型面是以刀盤最大開挖直徑為直徑的圓柱體內(nèi)表面，平衡計(jì)算公式與（14）式相同。

σ＝γh（cos²β+k₀²sin²β）^1/2                                  （16）

盾構(gòu)開挖面每一個(gè)無(wú)變形的平衡壓力通過(guò)上述公式可以準(zhǔn)確計(jì)算得出。當(dāng)盾構(gòu)穿越風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照無(wú)變形平衡壓力保壓，土艙保壓值應(yīng)處于自重應(yīng)力與靜止側(cè)向水土壓力之間，整個(gè)開挖面原狀土與渣土之間體積變形為0，地表沉降才能為0。根據(jù)地表沉降數(shù)據(jù)應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)土艙設(shè)定壓力值。當(dāng)盾構(gòu)未穿越風(fēng)險(xiǎn)源，對(duì)地表沉降標(biāo)準(zhǔn)要求不高時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)壓力應(yīng)處于自重應(yīng)力與最小極限平衡壓力之間。

2）中盾注泥

中盾注泥能有效避免同步注漿漿液經(jīng)盾體外側(cè)向土艙內(nèi)流失,極大降低同步注漿量,從而降低施工成本。中盾設(shè)置環(huán)向間隔的注泥口，通過(guò)注泥口向盾體與隧道開挖面之間的盾外空隙內(nèi)注入塑性泥漿，塑性泥漿向前盾、盾尾的盾外空隙擴(kuò)散，密實(shí)填充盾外空隙形成塑性泥漿填充層阻止同步注漿流入土艙內(nèi)。

其次由于刀盤開挖直徑大于盾體直徑，為了防止在同步漿液還未填充前，發(fā)生地表沉降，在中盾上方四個(gè)點(diǎn)位注泥孔進(jìn)行中盾注泥；以某盾構(gòu)機(jī)廠家的設(shè)計(jì)為準(zhǔn)舉例說(shuō)明，刀盤開挖直徑8.63m，盾尾直徑8.57m，盾體長(zhǎng)度約為10.9m進(jìn)行計(jì)算，推進(jìn)一環(huán)按照1.8m理論空隙為1.5m3，考慮1.2倍填充系數(shù)，最終注入泥漿量約為1.8m3。

①通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)改良設(shè)計(jì)增設(shè)中盾注泥系統(tǒng)，自帶泥漿拌制及注泥功能，注泥泵為柱塞泵，注泥泵能力50L/min。注泥設(shè)備安裝于連接橋右側(cè)，通過(guò)管路連接至中盾上半部徑向注漿孔，可注入拌和材料為膨潤(rùn)土。

②往盾殼外部空腔注入濃泥漿，隔離開挖倉(cāng)與注漿腔，預(yù)防漿液前竄等作用，最終填充密實(shí)刀盤開挖后形成的空腔，有效防止盾構(gòu)掘進(jìn)滯后沉降。

③通過(guò)中盾設(shè)置環(huán)向間隔的注泥口向盾體與隧道開挖面之間的盾外空隙注入塑性泥漿，塑性泥漿向前盾、盾尾的盾外空隙擴(kuò)散，密實(shí)填充盾外空隙形成塑性泥漿填充層，注泥口包括在中盾上部周間隔設(shè)置的第一注泥口（21）、第二注泥口（22）、第三注泥口（23）和第四注泥口（24）。

圖2-4  中盾注泥管路設(shè)計(jì)位置及填充效果示意圖

配比設(shè)計(jì)：A、鈣基膨潤(rùn)土；B、水；C、水玻璃

中盾注泥配比（質(zhì)量比）：A:B:C=750:600:50

圖2-5 中盾注泥設(shè)備及泥漿拌制效果

當(dāng)砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)有超方時(shí)，也可通過(guò)中盾注泥對(duì)超方處進(jìn)行及時(shí)填充，防止地表沉降和地面鉆孔處理。

3）同步注雙液漿

隨著盾構(gòu)掘進(jìn)同步注入漿液，但管片自身的重力、管片內(nèi)部的載荷小于漿液對(duì)隧道成型管片的浮力，因此控制管片上浮最直接的措施是降低漿液對(duì)管片的浮力。傳統(tǒng)的同步漿液初凝時(shí)間一般在6小時(shí)以上，終凝時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12小時(shí)以上。若遇地下水豐富區(qū)域漿液的凝固時(shí)間變的更長(zhǎng)。由于管片背面同步漿液完全凝固時(shí)間很長(zhǎng)，盾尾后同步漿液對(duì)管片產(chǎn)生浮力累積現(xiàn)象，當(dāng)浮力累積值大于管片的約束力時(shí)，管片上浮會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)、破損等現(xiàn)象。因此，泥巖地層盾構(gòu)隧道管片上浮的主要原因之一是同步漿液不及時(shí)凝固而產(chǎn)生浮力所致。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量的試驗(yàn)并翻閱相關(guān)資料，尋求在常規(guī)同步漿液中加入一種材料( 如有機(jī)膨潤(rùn)土、聚丙烯酰胺、植物膠、黃原膠、減水劑等的水溶液) ，能夠達(dá)到同步漿液注入后所需求的稠度值小、抗水分散性好的性能，并最終選定了聚丙烯酰胺。

       聚丙烯酰胺是水溶性的高分子聚合物，因?yàn)槠浞肿渔溨泻幸欢〝?shù)量的極性基團(tuán)，能通過(guò)吸附水中懸浮的固體粒子使粒子間架橋或通過(guò)電荷中和使粒子凝聚形成大的絮凝物。所以，它可加速懸浮液中粒子的沉降，具有增稠性、黏合性、絮凝性、降阻性等特性。在廢水、廢液處理、污泥濃縮脫水、鉆井泥漿添加劑、選礦、洗煤、造紙等方面，能夠充分滿足各種領(lǐng)域的要求。

圖2-6 同步雙液漿與常規(guī)同步漿液對(duì)比圖

為保證同步雙液漿的順利注入，對(duì)同步雙液漿注入系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，在連接橋頂部安裝一個(gè)帶有攪拌系統(tǒng)的混合液儲(chǔ)存罐，將聚丙烯酰胺與水在罐中攪拌混合；漿液進(jìn)入盾尾注漿管前增設(shè)一路B液注入管，實(shí)現(xiàn)A、B液“Y”型合流，在混合過(guò)程中經(jīng)盾尾注漿管注入管片與開挖面間的空隙。雙液漿中的A液（常規(guī)同步漿液）、B液（聚丙烯酰胺水溶液）注漿速度都可以進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，以滿足注雙液漿所需的不同配合比。一般聚丙烯酰胺溶液的配合比設(shè)計(jì)聚丙烯酰胺:水=5kg:1000kg；同步注入雙液漿配合比聚丙烯酰胺溶液:常規(guī)同步漿液=1:10(體積比)。

       注入同步雙液漿后，管片脫離盾尾后上浮量較小，基本無(wú)錯(cuò)臺(tái)，注漿量比常規(guī)注入同步漿液和中盾注泥總量減少15%～20%。

圖2-7 A液漿罐、泵

圖2-8 B液漿罐、泵

圖2-9 AB液混合管

4）形成完整的土壓平衡盾構(gòu)平衡理論管理體系

        土壓平衡式盾構(gòu)通過(guò)無(wú)變形保壓掘進(jìn)、中盾注泥、同步注雙液漿相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了刀盤、中盾和盾尾后方三個(gè)位置的平衡，構(gòu)建了一套完整的土壓平衡盾構(gòu)平衡理論管理體系，有效解決了傳統(tǒng)盾構(gòu)施工過(guò)程中的難點(diǎn)問(wèn)題，既能有效控制成型隧道質(zhì)量，又能有效控制地面沉降。一方面提供了技術(shù)及工藝方面的創(chuàng)新，另一方面對(duì)實(shí)際的應(yīng)用成果進(jìn)行驗(yàn)證，提高了施工效率，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)盾構(gòu)施工工藝的缺陷，并節(jié)約了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

圖2-10 成型隧道質(zhì)量

三、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

1.經(jīng)濟(jì)效益：

成都軌道交通19號(hào)線二期工程共計(jì)32臺(tái)盾構(gòu)配備了相關(guān)設(shè)備并采用此平衡理論體系施工，砂卵石和復(fù)合地層盾構(gòu)施工降低了施工過(guò)程中發(fā)生地層垮塌、地表沉降和盾構(gòu)掘進(jìn)超方、姿態(tài)失控等工程事故的風(fēng)險(xiǎn)。泥巖地層盾構(gòu)施工有效控制了管片在脫出盾構(gòu)后的上浮量，成型隧道質(zhì)量安全可控，未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、破損、滲漏水等現(xiàn)象。中盾注泥和同步注雙液漿總量比原同步漿液每環(huán)節(jié)約2方，綜合測(cè)算預(yù)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益如下：

（1）節(jié)約同步漿液成本：2520萬(wàn)元=2方/環(huán)×350元/方×36000環(huán)；

（2）中盾注泥，節(jié)約地表鉆孔處理費(fèi)用約200萬(wàn)元；

（3）加快施工進(jìn)度，縮短工期，盾構(gòu)設(shè)備節(jié)約折舊成本：

8320萬(wàn)元=32臺(tái)×2月/臺(tái)×130萬(wàn)元/月。

共計(jì)節(jié)約費(fèi)用：2520+200+8320=11040萬(wàn)元。

2.社會(huì)效益：

        成都軌道交通19號(hào)線二期工程通過(guò)無(wú)變形保壓掘進(jìn)、中盾注泥和同步注雙液漿技術(shù)研究，系統(tǒng)地總結(jié)出了一套在高富水砂卵石地層防止地表沉降和泥巖地層防止管片上浮的新型技術(shù)，同時(shí)首次提出了土壓平衡盾構(gòu)平衡理論體系，確保了區(qū)間施工過(guò)程中隧道以及周邊建（構(gòu)）筑物的安全，保證了施工工期，為類似工程提供了技術(shù)借鑒。公司憑借成都軌道交通19號(hào)線二期高富水砂卵石復(fù)合地層及泥巖地層盾構(gòu)的突出表現(xiàn)在成都軌道集團(tuán)、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位獲得了高度評(píng)價(jià)，取得了顯著的社會(huì)效益。

四、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）通過(guò)盾構(gòu)開挖面幾何尺寸理論計(jì)算準(zhǔn)確推導(dǎo)出圓弧形刀盤開挖面原狀土體無(wú)變形的各個(gè)點(diǎn)平衡壓力計(jì)算公式。依據(jù)平衡壓力計(jì)算和穿越不同地層、不同危險(xiǎn)源提出周邊圓弧形刀盤盾構(gòu)土艙壓力選取原則。

（2）首次提出土壓平衡盾構(gòu)中盾注泥理論并實(shí)施，降低了盾體上方地表沉降和同步漿液向土艙內(nèi)竄流的機(jī)率，減少了同步注漿量，極大地減少了注漿成本。

（3）采用同步注雙液漿系統(tǒng)，漿液由同步漿液的流體混合成塑性體，降低了管片所受浮力，減少了管片錯(cuò)臺(tái)、破損和滲漏水現(xiàn)象，確保了成型隧道質(zhì)量。添加增稠劑的雙液漿后期強(qiáng)度高，防水效果更好。

（4）依據(jù)盾構(gòu)施工三個(gè)階段的地表沉降，提出無(wú)變形保壓掘進(jìn)、中盾注泥和同步注雙液漿的土壓平衡盾構(gòu)平衡理論，解決了原土壓平衡盾構(gòu)施工中地表沉降、盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌、同步注漿量大、水泥水玻璃漿防管片上浮、施做封水環(huán)等施工難題。

        依托該創(chuàng)新獲得1項(xiàng)實(shí)用新型專利“一種土壓平衡盾構(gòu)同步注泥構(gòu)造及施工輔助系統(tǒng)”授權(quán)，同時(shí)也申報(bào)1項(xiàng)發(fā)明專利“一種土壓平衡盾構(gòu)同步注泥構(gòu)造及施工輔助系統(tǒng)”。