软土地层中土压平衡式盾构的应用

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1、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。1.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

2、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

3、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。2.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

4、、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。1.盾构机选型根据本工程

5、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

6、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。2.土压平衡式盾构概况1.2.3.4.4.1.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

7、，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。4.2.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。3.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1.2.3.4.5.1.1.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=k0ghP:平衡压力（包括地下水）；g：土体的平均重度（KN/m3）h：隧道埋深（m）；k0：土

8、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0.25MPa～0.43MPa之间。（2）推进出土量控制