浅谈土压平衡盾构施工气压辅助推进工法

李豆，李腾飞

中交天和机械设备制造有限公司，江苏南京，211800

0 引言

在城市地铁建设中，盾构施工工艺技术日益成熟，从而在施工中演练出气压辅助推进工法。正常土压平衡盾构掘进施工，经常采用常规土压平衡仓内保实土压推进，但在施工中，发现诸多困难，例如盾构掘进参数扭矩、推力较大，刀具磨损量大，螺旋机喷涌，降低施工效率等，这跟地层特性也有一定关系，为解决这一问题，结合现场施工经验，分析其关键技术，本文提出采用气压辅助掘进工法盾构施工[1]。

1 盾构施工气压辅助工法机理和应用

1.1 气压辅助平衡机理

土压平衡盾构掘进施工中，通过推进速度与螺旋机出土，实现土仓内压力动态平衡[2]。其中仓内物质主要为开挖掘进地质土与渣土改良辅助添加剂。气压辅助平衡指利用空气替代土仓内上部渣土，形成空气压力，保持开挖面稳定平衡。其空气注入方式为空气压缩机产生压缩空气，通过泡沫管路从刀盘注入或通过samson系统土仓隔板注入，通常采用samson系统，在舱内形成气压辅助平衡。

1.2 气压辅助平衡应用工艺

气压辅助平衡在盾构施工应用中主要为带压进仓、辅助推进、停机保压。其仓内压力通过压力传感器检测，一般六米级盾构机配备5个土仓压力传感器，其土压计位置分别为上部P1、左中P2、右中P3、左下P4、右下P5。推进中可通过各区域土仓压力值对比，判断舱内为实土压或气压，见图1。

图1 六米级盾构机土压传感器布置图

1.3 气压辅助平衡推进判断

盾构机土仓内主要由地质原状土与辅助添加剂组成。其压力建立以固态、液态、气态综合建立，掘进中可通过各介质特性来判断土仓内实土压力。根据各介质压力特性，可以对仓内进行如下判断：

（1）实土压掘进舱内顶部部分气压，即P1＜P2=P3＜P4=P5；

（2）半仓掘进为舱内1/2实土压，即P1=P2=P3＜P4=P5；

（3）气压掘进为舱内1/3实土压，即P1=P2=P3=P4=P5。

气压辅助掘进需要注意的是充分考虑地层稳定性及气密情况，在控制仓内压力时，应保持仓内实土压仓位始终高于螺旋机前端闸门，避免土仓与螺旋机形成气流通道，造成螺旋机喷涌，或螺旋机出土喷气，造成土压力迅速下跌，不利于掌子开挖面稳定，造成地表沉降，严重时造成地面塌陷[3]。

2 盾构掘进气压辅助推进施工分析

2.1 工程概况

广州市轨道交通十二号线某区间线路全长1.18km，采用盾构法施工。区间地层主要见表1。勘察范围内地下水按赋存方式划分为第四系松散层的孔隙水和块状基岩的裂隙水，多呈脉状，含水层无明确界限，具有不均匀性，受裂隙发育程度和裂隙开放闭合程度影响，具有方向性，各部位地下水含水层埋深、厚度及透水性均很不稳定，裂隙发育地段地下水丰富，裂隙不发育的地段地下水贫乏。场地内块状基岩裂隙水水量变化大，水量为贫乏中等，透水性变化大。场地地下水水位总体埋藏相对较浅，局部较深，据勘察，稳定水位埋深0.00～15.00m（高程-2.37～11.00m）,初见水位埋深0.00～14.80m（高程-2.37～11.70m）。

表1 某区间0～120环主要工程地质参数

2.2 土仓压力的建立与控制

常规土压模式掘进，土仓压力的控制是由开挖地层的渣土与改良添加剂充满土仓建立，通过控制盾构机推进开挖的渣土量与螺旋机排土量实现动态平衡。随着盾构工艺的演变，出现气压辅助推进这一方法理念，即用空气压力代替土仓内部分土压力，实现动态平衡，土压仓布置示意图如图2所示。

图2 土压仓布置示意图

（1）推进过程中，通过采用samson系统稳定土仓压力，使用压缩空气逐渐替代土仓内的渣土，形成气压辅助掘进，掘进过程中循序渐进，需注意土仓压力波动，控制在±20kPa以内，该环掘进，因土仓实土压力使用气压替换，因此会导致出土过多，此时应严格控制出土量，具体应参考土仓容积确保出土未超挖。该方法在实际应用中较为广泛。

（2）用泡沫管路通过刀盘喷口或空压机压缩空气直接通过土仓隔板预留口单独注入压缩空气，螺旋机出土，控制压缩空气注入量和螺旋机出土量，通过观察土仓压力显示进行压力平衡。

（3）通过samson系统，进行保压或进行压力控制管理，调整samson设定压力，使土仓压力通过气压辅助始终保持平衡实现自动控制。需要注意的是该模式必须保证舱内samson系统空气注入孔位置为气压，否则会破坏samson系统。此模式目前主要应用于带压进仓使用。

（4）盾构机停机期间，土仓压力随着时间的推移渗透至地层各个方向，压力下降，开挖面稳定性易受影响，因此在盾构掘进一环停止前，应减少出土量，通过提高仓内实土压力，来控制掌子面和土仓压力稳定。停机期间根据土仓压力下掉速率，通过samson系统，保障掌子面和土仓压力相互平衡稳定，长时间停机应注入膨润土建立泥膜保压。

2.3 气压辅助掘进参数分析

气压辅助掘进参数分析如表2、图3所示。

图3 气压辅助掘进参数线性图

表2 气压辅助掘进参数分析表

2.4 气压辅助掘进存在风险与应急措施

气压辅助掘进存在风险与应对措施如表3所示。

表3 气压辅助掘进存在风险与应对措施

3 气压辅助平衡的优缺点

3.1 采用气压辅助平衡的优点

（1）地层适应性：适合埋深大、裂隙水发育的岩土地层和富水气密性较好的复合地层。通过气压辅助工法在裂隙水发育岩层，解决地下水大量汇聚到盾构内的风险。

（2）掘进参数：有效降低盾构机掘进推力、扭矩，减小盾构机推进负荷。

（3）保护刀具：通过气压降低土仓渣位，减轻刀盘背部与土仓之间的摩阻力，降低刀盘刀具磨损，节约成本。

（4）渣土改良：通过气压，阻止盾构机开挖面以外地层来水，稳定掌子面，使泡沫注入充分与土体结合，有效保证渣土改良的和易性，降低螺旋机喷涌风险，减少地下水流失。

（5）防止结泥饼：通过气压降低土仓渣位，防止土仓积仓、推力扭矩增大，导致渣温升高、刀盘结泥饼。

（6）提高施工效率：掘进参数较好，渣土易改良，有效阻止地层来水，防止螺旋机喷涌，有效避免安装时间清理盾尾耽误时间，改善隧道环境，降低设备、材料、时间损耗。

3.2 采用气压辅助平衡的缺点

（1）地层适应性：对地层适应性要求较高，地质复杂多变，地质勘察多有不明确性，对于浅埋深、松散砂层、溶洞、气密性较差等地层不适合采取该使用工法，风险较大。如埋深较浅松散地层容易击穿，溶洞瞬间失压掌子面易坍塌，气密性较差地层空气流通较快，损失较大，若不能及时补充，会造成掌子面失压。

（2）盾构司机：对盾构司机要求较高，目前国内该工法应用较少，相关掘进经验较少，对盾构司机气压辅助推进施工工艺及相关应急处置能力要求较高。如发生文中2.4章节使用该工法存在风险与应对措施，司机需熟知相关措施，快速应对解决。

（3）土压控制：使用该工法，应严格控制土仓压力稳定及舱内渣位，避免仓位过低，土仓内气体与螺旋机形成通道，造成螺旋机喷涌，土压力波动大，严重时会发生土压力瞬间失压，不利于掌子面稳定。

（4）停机保压：仓内气体渗透性较强，土压力容易下掉，停机期间需时刻关注土仓压力，若仓内气体外泄，随时或持续注入空气，保障土仓压力稳定。气源压力需源源不断提供，做好应急措施，配备大功率发电机，满足空压机使用要求。长时间停机建议采取掌子面稳定措施。

4 结语

气压辅助掘进工法在盾构法施工应用中有着较大的优势，但大多施工单位缺乏该方法施工经验。该工法应用过程中风险不容小觑，通过总结施工经验，根据实际工程案例分析，采用气压辅助平衡的基本条件需要满足地层气密性良好，地质勘测需提前对线路周边可能存在的风险进行处理，掘进中做好土仓压力和仓内渣位高度控制，盾构司机对掘进参数做好把控，密切关注土压、推力、扭矩、掘进速度和辅助添加剂等掘进参数，对实际掘进地质的渣样渣温做好分析。