探析泥水加压平衡盾构在施工中的应用
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摘要：由于盾构施工技术难度大、施工风险高、质量要求高、不可预测因素多。因此，应熟悉和掌握盾构施工监控的重点及相应对策，在实际工作中真正做到有效地对施工质量进行监控，从而保障优质工程的实施。本人参加了广深港客运专线ZH-4标的工程的施工管理工作，通过不断摸索与总结，也积累了一些工作经验， 以下就以气垫加压式泥水平衡盾构为例，谈几点应用的体会。
1、盾构施工在工程应用中的优势
盾构施工法是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法，它使用盾构机在地下掘进，在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业。其施工过程需先在隧洞某段的一端开挖竖井或基坑，将盾构机吊入安装，盾构机从竖井或基坑的墙壁开孔处开始掘进并沿设计洞线推进直至到达洞线中的另一竖井或隧洞的端点。盾构机施工主要由稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌包括壁后灌浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面，也是区别于硬岩掘进机或比硬岩掘进机复杂的主要方面。大多数硬岩岩体稳定性较好，不存在开挖面稳定问题。
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。
2、泥水加压平衡盾构的产生
20世纪60年代初，穿越天然不稳定和含水地层的隧道工程通用技术有：降水法、气压法、地基加固法和冻结法。其中气压法是最经济有效的，但是由于安全和健康等原因，希望有一种能通过地下水位的无粘聚力土层时不干扰地面和使工人不在气压下施工的新型隧道掘进机，试验过几种不同形式的掘进机。欧洲大陆国家提出“局部气压”，设计了全断面切削头内设有可调节开口的掘进机，以放入恰当的弃土来避免地表的变形。但这种方法对工作面不提供不变的和有规则的支护，隧道和覆盖层的安全完全依赖于机器操作者的调节。接着，英国隧道专家建议在隔舱板前用喷水的“水力盾构”，但水不能支护开挖面，无法阻止开挖面不停地流动。这种情况与充满水的挖槽相类似，从而提出在开挖面用类同槽壁法的支护，而膨润土泥浆可在无粘聚力土槽沟中支护掘出开挖面，这样就诞生了泥水加压平衡盾构掘进机。
3、泥水加压平衡盾构的系统组成
泥水加压平衡盾构法的最大特色之一是在隧道施工中在稳定开挖面的同时，把盾构掘进、输送土砂、分离土砂与水、处理砾石等各方面的作业作为一个整体进行综合管理，这些作业都是在一个流程内进行。
泥水加压平衡盾构自成一个体系并在一个流程内完成各项作业，所以能够安全施工。当发生异常情况时，这类盾构掘进机还能快速转换成敞开式掘进的显著优点。
泥水加压平衡盾构主要由五大系统组成：(1)盾构掘进系统；(2)泥水加压和循环系统；(3)综合管理系统；(4)泥水分离处理系统；(5)壁后注浆系统。
4、泥水盾构出洞和进洞施工技术要点
盾构自出洞(始发推进)进入地层中，经由设定线路进入接收井进洞。在盾构始发井和接收井之间又设有中间竖井，通常为通风竖井或地铁车站等用途。盾构穿越这类竖井时，既有进洞又有出洞的工序，对于盾构进出洞这道施工工序。在一般盾构法施工的全过程中，均认为是一道不可忽视的重要工序。各种盾构按照自身进洞或出洞时的不同施工工况条件，结合盾构型式本身的适应条件来制定进出洞施工技术方案。
对泥水加压式盾构而言，选用这类盾构正是因为地质条件很差，开挖面土体常为松软的含水地层。盾构面对的是难以自立的软土，盾构施工时对地面沉降变形要进行严格的控制。因此，泥水加压式盾构出洞前必须对洞口进行处理，使洞口土体经过改良处理达到可以自立的状态才能让盾构出洞。此外，盾构工作井在制筑和下沉过程中，在不同程度上会对周围的土体产生扰动，对盾构始发井和接收井而言，其所处位置通常是在覆土较浅的地段，对出洞时建立泥水盾构的正常泥水循环系统是不利的。
在诸如上述不利的地质条件和工况条件下，如果不针对工作井洞口地基进行认真处理，泥水加压式盾构施工时势必将面临许多难以想像的恶劣境地。常见的有下列一些不利状况：（1）泥水加压式盾构的切口水压不稳定；（2）泥水冒溢；（3）泥水循环不通畅；（4）盾构掘进机下沉；（5）盾构掘进机上飘等。这些状况的出现常使泥水加压式盾构施工陷于困境。
从泥水加压式盾构开挖面的稳定情况来看，泥水加压式盾构前部有旋转切削刀盘，其后面装有密封隔墙，中间形成泥水压力舱。在盾构推进过程中将泥水送入泥水压力舱，以保持盾构开挖面的稳定。在盾构推进过程中，盾构开挖面的土壁是呈垂直状态，旋转刀盘不断地旋转切削土体的同时，又不断地形成新的开挖面，这种盾构开挖面的稳定是依设定的泥水压力和比重等来平衡土体压力，泥水是处于循环的流体状态，具有流动的动态性质。因此对泥水加压式盾构进出洞施工技术考虑时，应明确泥水盾构中的泥水是处在密闭加压状态的条件下来达到开挖面土体的稳定，这是泥水盾构与其它类型盾构在进出洞施工技术方面的一个不同之处。如果不注意到这一特点，洞口没有处理妥当，以致泥水没有能处于密闭的加压状态条件下，是难于保持开挖面的稳定。
泥水加压盾构外壳与工作井洞口之间的空隙安装止水密封圈，用来保持盾构泥水压力舱中的泥水压力。在止水密封圈作用下，盾构泥水舱内的泥水不致通过建筑孔隙外泄，则泥水压力舱内的泥水就能保持规定的压力。若止水密封圈破损，失去密封性能，则循环的泥水流失，泥水压力不稳定，盾构周边土体扰动严重，洞口土体将坍塌并影响地表沉降过大；更严重的是泥水加压式盾构将难于正常运转施工，从而将延误泥水加压式盾构的推进工期。同样情况，在泥水加压式盾构靠近盾构接收井时，若盾构接收井洞口没有处理妥善，盾构泥水压力舱内的泥水将大量涌入接收井内，会造成泥水压力舱内的泥水无法正常循环运行，其后果是严重影响泥水加压式盾构安全进洞施工。
综上，为确保泥水加压式盾构安全而顺利的出洞和进洞，必须按照泥水加压式盾构的特性及进出洞时的具体施工工况条件，切实制订有效的泥水加压式盾构进出洞施工技术工艺。
5、泥水加压平衡盾构施工的发展：气垫加压式泥水平衡盾构
盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同主要分为压缩空气式、泥水式，土压平衡式盾构机等不同类型。泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。
气垫加压式泥水平衡盾构是采用一种应用于隧道工程施工机械行业中的气垫式泥水加压平衡盾构机施工，有开挖模式、旁通模式、隔绝模式、逆转模式四种运行模式，其工作原理是，气垫 式泥水加压平衡盾构机是借助气垫来调整开挖室内封闭压力的一种泥水盾构， 在开挖不稳定地层过程中，使用一定压力的流体介质膨润土泥浆支撑稳固隧道 掌子面；通过控制气垫压力和泥浆与气垫界面的高程实现掌子面压力的控制， 以达到对地层干扰小的目的；在盾构泥水室内，装有一道隔板，将泥水室分隔 成两部分，在隔板前面充满压力泥浆，隔板后面在盾构轴线以上部分加入压缩 空气，形成气垫。该装置对地层的扰动小、沉降小，适用于高地下水压，江底、 河底、海底隧道施工，土质适用范围广，控制系统更为简单，对开挖面土层支 护更为稳定，对地表沉陷控制更为方便。
参考文献
1、刘豫东，王洪新。泥水加压盾构泥水分离与处理方法及模式，现代隧道技术，2007年 第44卷第02期
2、赵凯军，等。气垫式泥水加压平衡盾构机 ，中华人民共和国国家知识产权局 2007年