土压平衡盾构平衡理论技术研究与实践应用
一、课题的提出或项目背景
“土压平衡盾构平衡理论技术研究与实践应用”课题以成都轨道交通19号线二期工程泥岩地层、砂卵石地层盾构区间为依托进行研究。土压平衡盾构在上述两种地层施工中常规做法是采用保压掘进、同步注水泥浆液，砂卵石地层超方地表钻孔找空洞、回填砂浆，泥岩地层下管片背后注水泥水玻璃浆防管片上浮、每隔一段距离管片背后注封水环防喷涌等，但还是会出现无法达到及时回填超方位置造成地表坍塌、管片上浮严重造成错台与破损、盾构掘进喷涌等现象，同时盾体上方地表容易沉降。
为有效控制盾构掘进喷涌、地表沉降、管片的错台与破损，避免由于施工工艺把控不到位造成成型隧道质量不佳和地面沉降引起的一系列质量安全隐患，同时规避地表沉降造成地表既有建（构）筑物、地下管网的破坏，从土压平衡盾构平衡理论入手，分别从无变形平衡压力和盾体缝隙填充计算、中盾注泥和同步注双液浆设备与材料的实验与应用、后期监测数据反馈等3方面进行了系统性的研究与实践应用，较之前的传统工艺方面有效控制了土压平衡盾构的地表沉降、管片错台与破损、盾构掘进喷涌等，极大降低了盾构施工成本。
二、项目实施内容
依托成都轨道交通19号线二期工程，针对成都地区泥岩地层管片上浮，造成成型隧道出现错台、破损、渗漏水等现象；砂卵石地层地表沉降较大，极易造成地表既有建（构）筑物、地下管网的破坏。开展了土压平衡盾构平衡理论技术研究与实
践应用，具体如下：
1.工艺流程
图1-1 盾构施工部分流程图
2. 主要实施内容
1）无变形平衡压力计算
选取19号线二期工程中铁装备Φ8600mm土压平衡盾构机进行研究，此盾构机用于成都，刀盘设计如图，刀盘为周边圆弧形刀盘，采用滚刀加刮刀的刀具布置，滚刀最大开挖直径8630mm，盾体直径采用前大后小的设计。
图2-1 中铁装备盾构机图
随着盾构机的掘进，刀盘滚刀切削土体开挖面和开挖成型面如下图，开挖面和开挖成型面分为三部分：Ⅰ区是开挖成型后形成的直径8630mm的圆柱体内面；Ⅱ区是刀盘周边滚刀开挖形成的由直径7496.66mm至直径8630mm渐变的圆弧体内面；Ⅲ区是直径7596.66mm圆形成的垂直于刀盘中心线的圆面。要保持开挖面和开挖成型面原状土无变形，主要是研究这三个区域内所有点的平衡压力。
图2-2 盾构开挖面和开挖成型面图
（1）垂直于刀盘中心的开挖圆面（Ⅲ区）平衡压力计算
垂直于刀盘中心的圆面上的任一点平衡压力根据土力学理论等于原状土的静止侧向土压力。
σ＝γhk0 （1）
（2）周边滚刀开挖面（Ⅱ区）平衡压力计算
取圆弧体内表面上任一点A（如图2-2），在A点上开挖面前方假设有一原状土微小单元土体，经A点切削后形成土体形状如图2-3，通过此点平行于刀盘中心线的直线与通过此点刀盘圆弧的竖向切线的夹角为α，通过此点刀盘横截面的水平线与切线的夹角为β。
①当α＝0，β＝0时，σ＝γh； （2）
②当0<α<90°并且0<β<90°，α<β时，
设微小单元土体上表面为正方形，端点分别为A、B、C、D，与圆弧面竖直相交点分别为F、G、H。由于此为微小单元土体，所有两点间的圆弧长度简化为两点间的直线长度，四点间的圆弧面简化为平面。
图2-3 微小单元土体被圆弧形刀盘切削形状示意图
设LAB=LBC=LCD=LAD=Δl， （3）
由几何尺寸推导出∠DAH=α,∠BAF=β; （4）
由于是微小单元土体，可简化为LAH=LFG, LAF=LHG,
从而三角形面积SΔAHF=SΔGHF; （5）
由于是微小单元土体，简化三角形面积为SΔHIG=SΔABF ;SΔAHD=SΔFGJ ; （6）
由（4）式可计算出LDH＝Δl tanα；LBF＝Δl tanβ; （7）
由（3）、（7）式可计算出LAH＝Δl (tan2α+1)1/2;LAF＝Δl (tan2β+1)1/2; LFH＝Δl ((tanα-tanβ)2+2)1/2; （8）
由以上几何图形计算圆弧A点切削的微小土体6个面其中5个面的力分别是：
上表面土体自重力 F上＝γhΔl2；
左右表面土体侧压力合力F左右＝F右-F左=γhk0Δl2tanβ；
前后表面土体侧压力合力F前后＝F前-F后＝γhk0Δl2tanα；
5个面的合力为F合＝γhΔl2(1+k02(tan2α+tan2β))1/2; （9）
要达到压力平衡，5个面的合力的平衡力实际上是平衡压力在微小土体圆弧切削面的作用力。
F合=F’合
根据三角形面积海伦公式，a=LAH，b=LAF，c=LFH，s=0.5(a+b+c)；
三角形面积SΔAHF=(s(s-a)(s-b)(s-c))1/2; （10）
由（9）、（10）式最终推导出0<α<90°和0<β<90°时圆弧面的任一点的平衡压力理论计算公式：
σ＝F’合/(2SΔAHF)= F合/(2SΔAHF) （11）
当0<α<90°并且0<β<90°，α≥β时，平衡压力理论计算公式与（11）一样。
③当α＝90，0<β≤90°时，实际上与（1）式一样，σ＝γhk0； （12）
④当β＝90，0<α≤90°时，平衡压力计算公式为：
σ＝γhk0 （13）
⑤当α＝0，0<β≤90°时，按②内的计算方法一样可推导出平衡压力计算公式：
σ＝γh（cos2β+k02sin2β）1/2 （14）
⑥当β＝0，0<α≤90°时，按②内的计算方法一样可推导出平衡压力计算公式：
σ＝γh（cos2α+k02sin2α）1/2 （15）
（3）开挖成型面（Ⅰ区）的平衡压力计算
开挖成型面是以刀盘最大开挖直径为直径的圆柱体内表面，平衡计算公式与（14）式相同。
σ＝γh（cos2β+k02sin2β）1/2 （16）
盾构开挖面每一个无变形的平衡压力通过上述公式可以准确计算得出。当盾构穿越风险源时应严格按照无变形平衡压力保压，土舱保压值应处于自重应力与静止侧向水土压力之间，整个开挖面原状土与渣土之间体积变形为0，地表沉降才能为0。根据地表沉降数据应实时调整盾构掘进土舱设定压力值。当盾构未穿越风险源，对地表沉降标准要求不高时，盾构掘进压力应处于自重应力与最小极限平衡压力之间。
2）中盾注泥
中盾注泥能有效避免同步注浆浆液经盾体外侧向土舱内流失,极大降低同步注浆量,从而降低施工成本。中盾设置环向间隔的注泥口，通过注泥口向盾体与隧道开挖面之间的盾外空隙内注入塑性泥浆，塑性泥浆向前盾、盾尾的盾外空隙扩散，密实填充盾外空隙形成塑性泥浆填充层阻止同步注浆流入土舱内。
其次由于刀盘开挖直径大于盾体直径，为了防止在同步浆液还未填充前，发生地表沉降，在中盾上方四个点位注泥孔进行中盾注泥；以某盾构机厂家的设计为准举例说明，刀盘开挖直径8.63m，盾尾直径8.57m，盾体长度约为10.9m进行计算，推进一环按照1.8m理论空隙为1.5m³，考虑1.2倍填充系数，最终注入泥浆量约为1.8m³。
①通过对盾构机改良设计增设中盾注泥系统，自带泥浆拌制及注泥功能，注泥泵为柱塞泵，注泥泵能力50L/min。注泥设备安装于连接桥右侧，通过管路连接至中盾上半部径向注浆孔，可注入拌和材料为膨润土。
②往盾壳外部空腔注入浓泥浆，隔离开挖仓与注浆腔，预防浆液前窜等作用，最终填充密实刀盘开挖后形成的空腔，有效防止盾构掘进滞后沉降。
③通过中盾设置环向间隔的注泥口向盾体与隧道开挖面之间的盾外空隙注入塑性泥浆，塑性泥浆向前盾、盾尾的盾外空隙扩散，密实填充盾外空隙形成塑性泥浆填充层，注泥口包括在中盾上部周间隔设置的第一注泥口（21）、第二注泥口（22）、第三注泥口（23）和第四注泥口（24）。
图2-4 中盾注泥管路设计位置及填充效果示意图
配比设计：A、钙基膨润土；B、水；C、水玻璃
中盾注泥配比（质量比）：A:B:C=750:600:50
图2-5 中盾注泥设备及泥浆拌制效果
当砂卵石地层盾构掘进有超方时，也可通过中盾注泥对超方处进行及时填充，防止地表沉降和地面钻孔处理。
3）同步注双液浆
随着盾构掘进同步注入浆液，但管片自身的重力、管片内部的载荷小于浆液对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浆液对管片的浮力。传统的同步浆液初凝时间一般在6小时以上，终凝时间长达12小时以上。若遇地下水丰富区域浆液的凝固时间变的更长。由于管片背面同步浆液完全凝固时间很长，盾尾后同步浆液对管片产生浮力累积现象，当浮力累积值大于管片的约束力时，管片上浮会产生错台、破损等现象。因此，泥岩地层盾构隧道管片上浮的主要原因之一是同步浆液不及时凝固而产生浮力所致。
通过现场大量的试验并翻阅相关资料，寻求在常规同步浆液中加入一种材料( 如有机膨润土、聚丙烯酰胺、植物胶、黄原胶、减水剂等的水溶液) ，能够达到同步浆液注入后所需求的稠度值小、抗水分散性好的性能，并最终选定了聚丙烯酰胺。
聚丙烯酰胺是水溶性的高分子聚合物，因为其分子链中含有一定数量的极性基团，能通过吸附水中悬浮的固体粒子使粒子间架桥或通过电荷中和使粒子凝聚形成大的絮凝物。所以，它可加速悬浮液中粒子的沉降，具有增稠性、黏合性、絮凝性、降阻性等特性。在废水、废液处理、污泥浓缩脱水、钻井泥浆添加剂、选矿、洗煤、造纸等方面，能够充分满足各种领域的要求。
图2-6 同步双液浆与常规同步浆液对比图
为保证同步双液浆的顺利注入，对同步双液浆注入系统进行合理的设计，在连接桥顶部安装一个带有搅拌系统的混合液储存罐，将聚丙烯酰胺与水在罐中搅拌混合；浆液进入盾尾注浆管前增设一路B液注入管，实现A、B液“Y”型合流，在混合过程中经盾尾注浆管注入管片与开挖面间的空隙。双液浆中的A液（常规同步浆液）、B液（聚丙烯酰胺水溶液）注浆速度都可以进行无级调节，以满足注双液浆所需的不同配合比。一般聚丙烯酰胺溶液的配合比设计聚丙烯酰胺:水=5kg:1000kg；同步注入双液浆配合比聚丙烯酰胺溶液:常规同步浆液=1:10(体积比)。
注入同步双液浆后，管片脱离盾尾后上浮量较小，基本无错台，注浆量比常规注入同步浆液和中盾注泥总量减少15%～20%。
图2-7 A液浆罐、泵
图2-8 B液浆罐、泵
图2-9 AB液混合管
4）形成完整的土压平衡盾构平衡理论管理体系
土压平衡式盾构通过无变形保压掘进、中盾注泥、同步注双液浆相结合，实现了刀盘、中盾和盾尾后方三个位置的平衡，构建了一套完整的土压平衡盾构平衡理论管理体系，有效解决了传统盾构施工过程中的难点问题，既能有效控制成型隧道质量，又能有效控制地面沉降。一方面提供了技术及工艺方面的创新，另一方面对实际的应用成果进行验证，提高了施工效率，弥补了传统盾构施工工艺的缺陷，并节约了时间和经济成本。
图2-10 成型隧道质量
三、经济和社会效益
1.经济效益：
成都轨道交通19号线二期工程共计32台盾构配备了相关设备并采用此平衡理论体系施工，砂卵石和复合地层盾构施工降低了施工过程中发生地层垮塌、地表沉降和盾构掘进超方、姿态失控等工程事故的风险。泥岩地层盾构施工有效控制了管片在脱出盾构后的上浮量，成型隧道质量安全可控，未发现错台、破损、渗漏水等现象。中盾注泥和同步注双液浆总量比原同步浆液每环节约2方，综合测算预计经济效益如下：
（1）节约同步浆液成本：2520万元=2方/环×350元/方×36000环；
（2）中盾注泥，节约地表钻孔处理费用约200万元；
（3）加快施工进度，缩短工期，盾构设备节约折旧成本：
8320万元=32台×2月/台×130万元/月。
共计节约费用：2520+200+8320=11040万元。
2.社会效益：
成都轨道交通19号线二期工程通过无变形保压掘进、中盾注泥和同步注双液浆技术研究，系统地总结出了一套在高富水砂卵石地层防止地表沉降和泥岩地层防止管片上浮的新型技术，同时首次提出了土压平衡盾构平衡理论体系，确保了区间施工过程中隧道以及周边建（构）筑物的安全，保证了施工工期，为类似工程提供了技术借鉴。公司凭借成都轨道交通19号线二期高富水砂卵石复合地层及泥岩地层盾构的突出表现在成都轨道集团、监理单位、设计单位获得了高度评价，取得了显著的社会效益。
四、关键技术和创新点：
（1）通过盾构开挖面几何尺寸理论计算准确推导出圆弧形刀盘开挖面原状土体无变形的各个点平衡压力计算公式。依据平衡压力计算和穿越不同地层、不同危险源提出周边圆弧形刀盘盾构土舱压力选取原则。
（2）首次提出土压平衡盾构中盾注泥理论并实施，降低了盾体上方地表沉降和同步浆液向土舱内窜流的机率，减少了同步注浆量，极大地减少了注浆成本。
（3）采用同步注双液浆系统，浆液由同步浆液的流体混合成塑性体，降低了管片所受浮力，减少了管片错台、破损和渗漏水现象，确保了成型隧道质量。添加增稠剂的双液浆后期强度高，防水效果更好。
（4）依据盾构施工三个阶段的地表沉降，提出无变形保压掘进、中盾注泥和同步注双液浆的土压平衡盾构平衡理论，解决了原土压平衡盾构施工中地表沉降、盾构掘进喷涌、同步注浆量大、水泥水玻璃浆防管片上浮、施做封水环等施工难题。
依托该创新获得1项实用新型专利“一种土压平衡盾构同步注泥构造及施工辅助系统”授权，同时也申报1项发明专利“一种土压平衡盾构同步注泥构造及施工辅助系统”。