盾构回填土反压平衡法接收施工研究

李立铭，王模公

（中铁三局集团有限公司机械管理部，山西 太原 030001）

0 引 言

盾构到达是盾构施工的关键节点之一，到达端头是事故多发地段，直接关系着盾构隧道能否顺利贯通。盾构到达施工存在极大风险，因此关于风险控制技术的研究非常重要。

1 盾构回填土反压平衡法的背景

福州地铁某区间上行线出洞接收段50m（K17＋799～K17＋849）范围内的地质情况为：洞顶为粉质粘土，洞身为粉质粘土夹细砂，洞底为淤泥质土夹细砂。接收段加固形式采用Φ650mm三轴搅拌桩＋1排Φ800mm旋喷桩，加固长度为4m。于2012年9月20日始发，在进入接收段50环后，各项接收准备工作就绪，地面监控测量、地面控制点位联测及洞内导线复测均已完成。2013年1月30日凌晨，管片拼装至891环时，盾身已进入加固体1m。按照盾构接收方案，在盾身进入加固体时，土仓压力应降为0，由于实际水文地质与详勘结果有出入，导致螺旋输送机出土口发生涌水、涌砂现象，于凌晨5点半停止掘进施工，此时，盾构机刀盘距离洞门2.2m。

盾构机停止掘进后，施工单位密切关注盾构机的相关参数，做好洞内盾构机姿态及洞门土体的巡视工作，加强地表沉降及地下水位的监测，并做好应急准备工作，采取了以下措施。

（1）加强注浆。为稳定已成型的管片，及时进行管片后二次注浆，同时，通过盾尾注浆孔、中盾注浆孔向盾尾及盾身注入双液浆及膨润土，确保盾身处于安全、稳定状态。

（2）增加降水井、观测井及回灌井。将降水井增加到11口（其中Φ350口径5口，Φ500口径6口），同时增设了4口水位观察井。通过2d的降水，地下水位已降至地表下11m左右，继续抽水，水位下降不明显。

采取以上措施后，地下水位仍然处于盾构底面以上4.5m左右，盾构直接出洞仍存在较大风险。为确保顺利出洞，拟采用回填土反压平衡法施工。

2 方案及参数检算

（1）超载20kPa，填土高度采用7.5m。

（2）采用单榀可承受弯矩为909kN·m的H700×300×13×24H型钢，I＝201 000cm4，搭接到两道中板框架梁：KL2-1（800×1 000），Φ12＠100／200（6），6Φ25，N4Φ20；KL2-2（1 000×1 000），Φ14＠100／200（6），6Φ32，8Φ32，N4Φ20。因 KL2-1形成整体，稳定性好，主要验算KL2-2。

（3）适当考虑盾构顶推引起的摩擦力，荷载选6 500kN，按最不利弯矩1 115kN·m核算如下：水土核算，顶部荷载为20kPa，底部荷载为101kPa，M1＝460kN·m；水土分算，顶部荷载为20kPa，底部荷载为157kPa，M2＝623kN·m。

（4）盾构刀盘出盾圈后，土压力顶部不超过20kPa，底部不超过137kPa，框架梁最大弯矩为704kN·m，需配置2 503mm2，配置梁为2Φ32，4Φ20，2 865mm2。

（5）在未加入中板400mm的有利条件下，满足填土要求。

3 工序实施细则

根据检算结论，制定以下工序实施细则。

第一步，继续抽水，将地下水位维持在地面以下11m处，同时加强水位监测，观测频率为2h一次。并派专人对抽水量及含砂、含泥情况进行巡查。

第二步，采用钢板及工字钢对端头井进行围蔽，端头井内分层回填粘土至中板，利用粘土封闭涌水通道，防止发生涌水［1-2］。重新建立土压平衡，按正常掘进的方式出洞。端头井底板处回填C15混凝土，标高控制在盾构机底部以下2cm处。支立围护钢结构，钢结构的面板为3cm厚的钢板，背面设H700×300×13×24工字钢的纵向肋条，间距为50 cm，钢板接缝内壁铺设塑料布以防接缝渗漏，围护结构高度至中板底。

第三步，采用粘土分层回填、夯实，每层厚度控制在30～50cm；填土顺序由南到北，南端填土至中板，北端填土至洞门顶以上2m。在填土分层的同时，洞门钢筋应由底部按照1m高度分层切割，钢筋头必须逐个处理到位。

第四步，确定掘进参数。

（1）土仓压力值P的选定。P值与地层土压力、静水压力相平衡，设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为P0，P0＝γh（γ为土体的平均重度，h为刀盘中心至地表的垂直距离），则P＝KP0，K为土的侧向静止土压力系数，由于填土至洞门顶上部2m，所以土仓压力设置为0.03～0.05MPa［3-4］。施工时主要控制以下几个方面：螺旋输送机转数控制为26r·min-1；千斤顶推进速度一般控制在6cm·min-1以下；此外，还有两者的组合控制以及对取土量、超挖量的控制。

（2）出碴量的控制。每环理论出碴量（实方）为39.7m3，盾构推进出碴量应控制在98%～102%之间，即每环38.9～40.5m3。

（3）推进速度。掘进速度及推力的选定以保持土仓压力为目的，盾构机正常掘进的推力主要由下述因素决定：盾构外周（盾壳外层板）和土体之间的摩擦阻力或粘附阻力、盾构正面阻力、管片和盾壳内侧钢板之间的摩擦阻力以及后配套台车牵引力等。推进速度设置为4～6mm·min-1。

（4）盾构轴线。为保证隧道轴线的方向，建立一套严密的人工测量和自动测量控制系统，严格控制测量的精度，合理布设洞内的测量控制点和导线，根据工程中的实际情况合理控制测量和复核的频率。盾构轴线偏离设计轴线不能超过±50mm，在始发掘进，严格控制盾构机的各组油缸压力不大于70bar，盾构机总推力设置为600～800t，刀盘扭矩保持在15%左右。

（5）推进及姿态控制。要将盾构向左转动，A组千斤顶伸长量要大于其他3组千斤顶；要将盾构向右转动，C组千斤顶伸长量要大于其他3组千斤顶；要将盾构向上转动，B组千斤顶伸长量要大于其他3组千斤顶；要将盾构向下转动，D组千斤顶伸长量要大于其他3组千斤顶。根据盾构自动导向系统显示的盾构机转动方向，调整盾构机刀盘的旋转方向：欲将盾构机顺时针转动，刀盘应逆时针转动；欲将盾构机逆时针转动，刀盘应顺时针转动。

（6）盾尾注浆压力分析与取值。盾尾注浆压力主要受地层水土压力的影响，注浆压力的设定以能填满管片与开挖土层的间隙为原则。注浆压力的计算参考规范中的公式，并在施工过程中通过测试和试验来确定和优化参数。

（7）土体改良。盾构机在刀盘、土仓、螺旋输送机设置了添加剂注入口。添加剂可以减少盾构机的磨损，调整土仓内土体塑性流动性，降低渣土的透水性，减小刀盘扭矩，防止机器能耗过高因发热而发生故障；还可以降低切削渣土的内摩擦力，减少刀盘、螺旋输送机的磨损。土体改良使用的添加剂为泡沫，注入添加剂时的初始压力设定为0.2～0.4 MPa。泡沫溶液的组成为：泡沫添加剂3%，水97%。泡沫的注入量按开挖方量及碴土实际情况计算确定为300～600L·m-3。

第五步，掘进施工。

（1）892环。盾构机在掘进前，再次对盾构姿态进行复核，掘进中首先采用闷推方式，重新建立土仓压力至0.05MPa，加强盾尾同步注浆，缓慢掘进，密切关注土仓的情况。

（2）893～894环。盾构推至894环，土仓顶部压力逐步降至0，底部压力逐步降至95kPa。

（3）895～899环。按设定速度推进，降低盾构机与土摩擦力引起的型钢受力，加快出土速度，控制土仓压力。同时推至899环，在盾尾交接面6m范围内进一步加强注浆量的控制。

第六步，加强监控测量。

（1）对盾构接收段100m范围内的地面及管线进行监测，监测频率为4次·d-1。

（2）加强对盾构接收段后10环管片的监测，监测频率为4次·d-1。

（3）密切关注盾构机的姿态及掘进参数。

4 结 语

盾构回填土土压平衡法接收在福州地铁隧道施工中首次应用成功，结果也表明，该方法技术先进，施工控制得力，施工组织合理，大大降低了施工风险，缩短了工期，直接节约工程成本约200万元，经济效益显著，施工人员的人身安全和场地环境安全也有保障，同时环保节能效益良好，将会有很好的应用前景。