双螺旋土压平衡盾构施工技术
王立军，刘江浩，翟梁旭，牛宝强，杨召亮
（中建交通建设集团有限公司北京 ）
摘要：哈尔滨市轨道交通2号线江北大学城站～哈尔滨北站站区间主要穿越地层为粉砂、细砂、中砂地层，室内土工试验地层渗透系数1.50～6.93E-3cm/s。根据勘探揭示结果，勘探深度内场地地下水分层为孔隙潜水层、承压水层，该地层属强透水层，富含地下水。本工程原设计采用泥水盾构进行施工，经过对地层研究并结合我方施工经验，决定采用双螺旋土压平衡盾构机施工，并成功摸索出了富水砂层双螺旋土压平衡盾构施工技术，对类似地层施工具有积极的指导作用和良好的借鉴价值。
关键词：土压平衡盾构；富水砂层；喷涌；螺旋输送机
1引言
随着我国城市基础设施工程建设的不断发展和扩大，盾构法应用越来越广泛。不同地层因性质差异面临着不同的困难和工程风险。针对富水砂层，一般适用采用泥水盾构机施工，但限于场地条件和气候条件，也可采用土压平衡盾构机施工。对于土压平衡盾构机穿越富水砂层施工，可能发生螺旋输送机喷涌、刀具损坏或刀盘抱死、地面过大沉降或坍塌等风险，危及施工与周边环境安全，处理也异常困难，需要采取辅助性措施予以解决。
2工程概述
哈尔滨市轨道交通2号线一期工程 土建工程江北大学城站～哈尔滨北站站区间，由哈尔滨北站站站出发，沿利民西三道街到江北大学城站，整个区间呈南北走向。区间设计里程范围为SK0+572.752～ SK2+587.633，其中，区间左线全长2025.679m（含10.698m长链），右线全在2014.981m。区间穿越地层主要为粉砂2-2、细砂2-3、中砂2-4的全断面富水砂层。原设计采用泥水盾构进行施工，鉴于本工程可能存在冬季施工，且哈尔滨冬季气候条件及其恶劣，经过对地层研究并结合我方施工经验，决定采用双螺旋土压平衡盾构机施工，投入本区间工程施工的盾构机为经过双螺旋改造的卡特彼勒RME246SE系列28100、28300盾构机，盾构机外径为6280mm，盾体总长85000mm，盾构总重570t。
3双螺旋输送机改造
将原有单级螺旋输送机改造为双螺旋输送机，具体如下：
（1）将原有一级螺旋输送机进行拆解、清理、修复。把后闸门连同闸门油缸等中部闸门法兰后方的部件一并拆除。
图1螺旋输送机保留及拆除部分示意图
（2）调整皮带机长度。将原皮带机保留尾部收料段，在其后部顺次减掉2节，使收料段安装在2#台车上，缓存床靠近1#台车连接座位置。原有皮带机的皮带长度需要相应切短，重新硫化并张紧。
图2皮带机调整示意图
（3）改造1#台车，加强台车结构，并焊接能够支持2级螺旋输送机的支撑架体。
（4）增设一台二级螺旋输送机，并与原有一级螺旋输送机通过球型铰接连接。并在1#台车上方安装2个滑动支持座。
图3二级螺旋输送机示意图
图4二级螺旋输送机滑动支座示意图
(5)双螺旋输送机可以满足隧道250米半径水平转弯，300米纵向转弯。设备配备1道中部闸门，1道后闸门，可以分别调整两道闸门的开口率来满足出渣量的控制。在后闸门前端还安装有应急排水口，可在突发涌水状况下关闭后闸门，由该排水口进行应急排水。
(6)双螺旋输送机改造性能参数表如下。
表1双螺旋输送机改造二级螺旋机改造性能参数表
序号 | 项目内容 | 参数 | |
1 | 二级螺旋机 | 总长度 | 15.54米 |
出渣量 | 450t/h | ||
转速（转/分钟） | 0-22转/分 | ||
额定扭矩 | 22T.m | ||
一级、二级螺旋间的连接方式 | 螺栓把合 | ||
2 | 螺旋机筒体 | 筒体内径 | 850mm |
筒体外径 | 914mm | ||
3 | 螺旋机叶片 | 叶片高度 | 283mm |
4 | 螺旋机轴 | 螺旋轴长度 | 13.5m |
螺旋轴外径 | 245mm | ||
5 | 闸门油缸 | 行程 | 370mm |
推力（单根） | 13T | ||
工作压力（Bar） | 207 | ||
6 | 液压泵 | 流量 | 720 L/min |
工作压力（Bar） | 241 | ||
7 | 动力电机 | 功率 | 200kw |
冷却方式 | 水冷 | ||
控制方式 | 变频启动 | ||
8 | 液压马达 | 扭矩 | |
工作压力（Bar） | 241 | ||
最高压力 | 241 | ||
9 | 减速机 | 减速比 | 15.6 |
扭矩 | 18.9Kn.m | ||
10 | 减速箱 | 扭矩 | 29T.m |
11 | 闸门油缸行程传感器 | 压力范围 | 0-21Mpa |
12 | 土压传感器 | 压力范围 | 0-1Mpa |
13 | 压力传感器 | 压力范围 | 0-34Mpa |
14 | 增加双螺旋后对应的首段皮带输送架的设计、改造 | 倾斜角度 | 水平放置 |
4双螺旋土压平衡盾构控制要点
4.1渣土改良控制
全断面富水砂层中掘进施工，渣土改良主要采用泡沫剂和膨润土浆液组合的形式。既有效的降低刀盘扭矩及对刀具的保护，保障长距离富水砂层的掘进要求；同时对砂土和易性和流动性进行改良，减少喷涌及沉降不可控的风险。
（1）泡沫剂控制参数
结合以往泡沫剂使用经验及现场盾构机泡沫观察孔实地发泡情况检查，确定泡沫注入参数为：原液掺比2%~3%，发泡倍率20~30倍，混合液注入流量（6路合计）300L/min，注入率25%~30%；
（2）膨润土浆液参数
膨润土遇水后形成悬浊性浆液，具有粘滞性、保水性及润滑性，同时具备一定携渣能力，可增加砂层中含泥量，同时补充的细颗粒含量。膨润土选用一级钠基膨润土，马氏漏斗粘度≥25s、吸水率（2h）≥300%、膨胀指数≥15ml/2g、吸蓝量≥26%。
由技术人员对进场的膨润土进行拌制试验，利用车站基坑与隧道开挖同标高开挖上来的渣土，进行渣土改良试验。通过实验发现：膨润土浆液粘度控制在40~50s左右，具有良好的泵送性，按照体积比1:5掺入渣土，渣土改良效果最佳。
4.2双螺旋出渣控制
通过对螺旋输送机进行双螺旋改造，在富水砂层掘进时，调节两级螺旋输送机的相对转速来形成土塞调节第一级螺旋输送机底部土压，达到与土仓内土压的动态平衡。当土仓内土压过大时，可通过交替开关一二级螺旋机闸门，循环进渣出渣来实现易喷涌地段连续安全掘进目的。在盾构掘进过程中，如发现一级螺旋机底部压力传感器显示压力较高，超过土仓内压力，同时在打开螺旋机出土闸门有泥沙等涌出的迹象时，及时采取如下操作：
（1）及时调整二级螺旋机转速，使之转速小于一级螺旋转速，使得一级螺旋排出渣土堆积至两级螺旋之间及二级螺旋机筒体内，形成土塞效应，以阻止土仓内砂土自由流出，可有效防止喷涌情况的发生；
（2）若采取前项操作仍无法缓解喷涌情况，立即关闭一、二级螺旋机闸门，同时向盾构机土仓和螺旋机内注入高粘度膨润土浆液等，提高筒体内砂土粘度及流塑性，以保持土仓压力正常；然后，打开二级螺旋出渣口闸门，排出二级螺旋输送机内渣土，并关闭；再打开一级螺旋输送机出渣口闸门，使渣土进入二级螺旋输送机，关闭一级螺旋输送机出渣口闸门，利用二级螺旋输送机排出；循环以上操作，直至土仓压力达到正常值。
4.3掘进参数控制
（1）土压平衡控制
盾构穿越全断面富水砂层时地层从上往下依次为杂填土层、粉质黏性土层、粉砂层、细砂层、中砂层及黏土层，特点为从上到下颗粒由细到粗分布，故要注意压力平衡和上下均衡。
（2）推进速度控制
在穿越全断面富水砂层过程中，盾构推进速度不宜过快，以30～50mm/min为宜，推进过程速度保持稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越，减少盾构推进对前方土体造成的扰动，防止地表沉降。
（3）土压控制
盾构在全断面富水砂层掘进时，根据地层及埋深情况采用土压平衡模式掘进，土仓压力控制在理论压力的110%~120%。
（4）出土量控制
在盾构穿越全断面富水砂层过程中，应将出土量控制在理论值的95%-100%，严禁超挖。
（5）同步注浆控制
盾尾注浆压力主要是受地层的水土压力的影响，注浆压力的设定以能填满管片与开挖土层的间隙为原则，并在施工过程中通过测试和试验来确定和优化参数。考虑地层为富水砂层，浆液填充系数取值为1.8～2.0，注浆作业与盾构推进同步进行，其注入速率应与掘进速度相适应。
（6）管片拼装
在盾构进行管片拼装的状态下，由于千斤顶的收缩，必然会引起盾构机前方应力减小，因此在盾构推进结束之后要立即拼装，防止正面土体坍塌，对隧道和环境造成影响。在拼装管片时尽量减少回缩千斤顶的数量，以满足管片拼装即可。在管片拼装过程中，应当安排最熟练的拼装工进行拼装，减少拼装的时间，缩短盾构停顿的时间，减少土体沉降。拼装过程中发现前方土压力下降，可以采取螺旋机反转的措施，即将螺旋机机内的土体反填到盾构机前方，起到维持土压力的作用。拼装结束之后，应当尽可能快的恢复推进，减少上方土体的沉降。
（7）盾构纠偏量
盾构进行平面或高程纠偏的过程中，必然会增加建筑空隙，因此盾构穿越全断面富水砂层过程中，将盾构姿态尽可能地调整至最佳，并且保持良好的姿态掘进，同时增加盾构姿态测量频率至每环2次，做到“勤纠、少纠”，减少单次盾构纠偏量和纠偏次数。
（8）信息化施工
富水砂层盾构掘进过程中，根据需要将地面变形监测数据、隧道变形等监测数据迅速地传达给值班人员。跟踪监测时，技术人员对地面监测数据进行综合分析，得出结论及时通过电话传达给盾构工作面，以实时采取合理的措施。
（9）二次注浆
盾构在全断面富水砂层掘进时，由于富水砂层中地下水丰富，浆液流动性较大、容易扩散，同步注浆容易有不足的地方且容易地表沉降，故通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆，补充同步注浆未填充部分和体积减少部分，减少盾构机通过后,土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力，提高止水效果。二次注浆采用水泥浆和水玻璃溶液的双液浆，要求水玻璃波美度原液不低于35Be，按照水泥与水玻璃溶液1:1进行配取，凝结时间控制在45～60s左右,每间隔3～4环进行二次补浆，注浆量控制在1.5～2.0m3左右，注浆压力控制在2.0～4.0bar左右。
5 结论
本文从土压盾构机双螺旋输送机改造、应用及渣土改良等方面入手，系统的阐释了全断面富水砂层双螺旋土压平衡盾构施工方法，并在全断面富水砂层盾构掘进中得到印证。与传统土压平衡盾构机相比，通过双螺旋输送机使用、渣土改良及盾构掘进参数的控制，有效的避免了喷涌、刀具磨损引起的地面过大沉降、坍塌和富水砂层更换刀具等风险，实现了富水砂层土压平衡盾构机高效、安全、高质量的穿越施工，提高了盾构施工工效、施工质量和安全性。与传统泥水平衡盾构机相比，土压平衡盾构不需泥水分离设备及泥浆处理场，避免在哈尔滨等极度寒冷地区冬期施工的防冻保温问题，降低了施工成本，拓展了土压平衡盾构施工的适用范围，具有良好的社会效益、经济效益和环境效益。
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