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摘要：土压平衡盾构在上软下硬地层中掘进时，硬岩层会造成盾构刀具磨损，开舱换刀作业难以避免，尽管可采取压气作业进舱的方式，但仍存在一定的风险。本文通过对我国某城市轨道交通盾构区间工程实例进行分析，探讨盾构在上软下硬地层中压气开舱的风险控制措施。
关键词：土压平衡盾构，压气作业，风险控制
中图分类号：U455文献标识码： A
1引言
近年来我国珠江三角洲地区城市轨道交通建设规模发展迅速，盾构法逐渐成为轨道交通隧道的主要施工方法之一。珠江三角洲地区各主要城市盾构穿越的地层较为复杂，其中由松软土层、砂层或全风化岩等软弱地层与硬岩层的组合即上软下硬地层为该地区的一种典型地层。盾构破除硬岩时必然造成刀具磨损，以致不得不在上软下硬地层中开舱换刀，盾构开舱作业是盾构施工过程中的高风险作业，本文通过对相关工程实例进行分析，提出降低施工风险的管控措施，为指导工程施工提供参考。
2工程实例概述
某城市轨道交通盾构区间右线盾构机掘进进入上软下硬地层时，盾构掘进困难，刀具发生磨损，需进行开舱更换刀具。隧道在该位置穿越的地层为上部<6-6>硬塑状砂质粘性土，下部<10-4>微风化混合片麻岩，为典型的上软下硬地层，如图1所示。<6-6>硬塑状砂质粘性土层呈粘性土夹砂状，土体中存在一定的孔隙。2014年12月27日上午，在尝试压气进舱期间，由于上部地层漏气而难以维持稳定的压力平衡，盾构开挖面及其上部土体失稳掉落，导致盾构机附近上方地表的道路及其绿化隔离带出现沉陷。
图1右线盾构机刀盘所在位置地质情况
3工程风险分析
盾构压气作业的原理是利用压缩空气注入土舱中，置换部分土体为刀具检查和更换作业空间，利用空气压力与开挖面水土压力形成平衡状态以维持开挖面稳定，同时压缩空气可充斥土体中的微小孔隙，阻止地下水渗入开挖面，给作业人员安全进入盾构机土舱提供条件。由此可见，压气作业期间维持开挖面稳定的前提条件是土舱内必须保持足够和稳定的气压。
本工程实例中，由于受上软下硬地层的特性影响，上部松软土层的空隙给压缩空气提供了流窜的通道，以致土舱内无法维持足够的气压来平衡开挖面水土侧压力。同时，因地下水积存在松软土层中，加剧了土層的软化，使土体更容易发生失稳坍塌。
4风险控制措施
盾构在上软下硬地层中进行压气开舱作业前，应采取相应的辅助措施维持土舱内气压稳定，降低施工风险，确保施工作业人员安全，避免开挖面失稳造成周边建筑物、道路、桥梁以及地下管线等受损。
4.1地表预加固措施
在进行盾构施工组织时，应提前选取盾构机刀具检查和更换的位置，尽量选取地面空旷、具备地表加固条件的位置，如穿越城市建筑群的区间隧道，应尽量利用建筑物之间的道路、较宽的街道、绿化带或街心公园等位置。预加固方式可采用地表深孔注浆、水泥搅拌桩或高压旋喷桩等，其加固质量指标应不低于该盾构区间隧道端头土体加固的要求。
4.2隧道内超前注浆加固措施
利用盾构机预留的超前地质钻孔，向刀盘前方打设超前导管，通常采用长度为6m的导管，钻入深度为5.5m，外插角为11°，导管可到达刀盘前方1m。导管为φ42钢管，间隔100mm开孔，呈梅花状布置。浆液采用水灰比1:0.8～1:1水泥浆液，控制注浆压力在1.0MPa左右，采用后退式注浆，至注浆压力可稳压15min内无压力降，结束该孔注浆。超前注浆完成24h后，利用土舱壁上3点和9点位置球阀对浆液凝固状况进行检查，确认加固达到效果后开始进行压气进舱作业。
4.3填舱置换措施
填舱置换为土压平衡盾构模仿泥水盾构制造泥膜的方式，向土舱内泵送浓稠膨润土浆或低强度等级水泥砂浆，浆液在置换土舱内渣土的同时在刀盘前方形成一定厚度和强度的泥膜，该泥膜能在一段时间内，保持开挖面稳定，并具有一定的密封效果。采用水泥砂浆时，为防止砂浆固结盾构机盾体，并在盾体外侧形成止水环，沿盾构中体的径向孔，往盾体外压注油脂或聚氨酯。但应注意的是，泥膜维持自稳性的时间有限，因此对地层也有一定的自稳能力要求，至少为可塑性地层。
4.4设置合理的气压力值
盾构压气作业期间，若气压力值不足，易因不足以平衡开挖面水土压力而导致土体坍塌，土体松动更不利于封闭空间的形成，使压气作业的条件恶化；气压力值过高不利于人员进舱作业，因此，采用合理的气压力值非常重要。
由压气作业的原理可知，盾构土舱内气压力应不低于开挖面水土压力，此时可参考盾构掘进时的压力动态平衡模型进行计算。如图2所示，设开挖面土压力为PE，水压力为PW，土舱压力为PEPB，则：
图2盾构掘进时的压力动态平衡模型
根据上软下硬地层的地质特性，上部松软土层自稳性差，且地下水主要赋存在松软土层中，故以上部土层进行计算，采用软土地层的水土压力合算经验公式如下：
其中，为土压力系数，取0.7～1.0；为水土重度；为地表至盾构中心覆土厚度。对于的取值，在地下水位以上采用湿重度，在地下水位以下时采用饱和重度。
考虑地面上可能存在附加荷载，以及其他施工中的不可预见因素，致使土体中实际土压力大于理论计算值，通常在理论计算的基础上增加0.01～0.02MPa的压力作为附加土压。
盾构进行压气作业时，假设土舱中上半部分为压缩空气，下半部分为土体，则形成的压力动态平衡模型如图3所示，图中PA为气压力。
图3盾构压气作业时的压力动态平衡模型
由图4可知，PA应与盾构掘进时水土压力取值一致，但考虑到气体流通性强，其流失导致气压力值波动，会出现低于水土压力值的情况，为保证土舱内作业人员的安全，通常设定气压力值比水土压力值高0.01～0.02MPa。
5结语
本文通过对盾构在上软下硬地层中压气开舱的风险进行分析，提出了几项风险控制措施，为日后盾构隧道工程的施工组织提供参考。在采取了有效的辅助措施后，可在较大程度上降低压气开舱过程的施工风险，确保作业人员的安全和刀具检查更换的工作顺利进行。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家标准. 盾构法隧道施工与验收规范. 北京：中国建筑工业出版社，2008
[2] 廖鸿雁. 复合地层盾构技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2012
[3] 施仲衡. 地下铁道设计与施工[M]. 西安：陕西科学技术出版社，1997
关键词：土压平衡盾构，压气作业，风险控制
中图分类号：U455文献标识码： A
1引言
近年来我国珠江三角洲地区城市轨道交通建设规模发展迅速，盾构法逐渐成为轨道交通隧道的主要施工方法之一。珠江三角洲地区各主要城市盾构穿越的地层较为复杂，其中由松软土层、砂层或全风化岩等软弱地层与硬岩层的组合即上软下硬地层为该地区的一种典型地层。盾构破除硬岩时必然造成刀具磨损，以致不得不在上软下硬地层中开舱换刀，盾构开舱作业是盾构施工过程中的高风险作业，本文通过对相关工程实例进行分析，提出降低施工风险的管控措施，为指导工程施工提供参考。
2工程实例概述
某城市轨道交通盾构区间右线盾构机掘进进入上软下硬地层时，盾构掘进困难，刀具发生磨损，需进行开舱更换刀具。隧道在该位置穿越的地层为上部<6-6>硬塑状砂质粘性土，下部<10-4>微风化混合片麻岩，为典型的上软下硬地层，如图1所示。<6-6>硬塑状砂质粘性土层呈粘性土夹砂状，土体中存在一定的孔隙。2014年12月27日上午，在尝试压气进舱期间，由于上部地层漏气而难以维持稳定的压力平衡，盾构开挖面及其上部土体失稳掉落，导致盾构机附近上方地表的道路及其绿化隔离带出现沉陷。
图1右线盾构机刀盘所在位置地质情况
3工程风险分析
盾构压气作业的原理是利用压缩空气注入土舱中，置换部分土体为刀具检查和更换作业空间，利用空气压力与开挖面水土压力形成平衡状态以维持开挖面稳定，同时压缩空气可充斥土体中的微小孔隙，阻止地下水渗入开挖面，给作业人员安全进入盾构机土舱提供条件。由此可见，压气作业期间维持开挖面稳定的前提条件是土舱内必须保持足够和稳定的气压。
本工程实例中，由于受上软下硬地层的特性影响，上部松软土层的空隙给压缩空气提供了流窜的通道，以致土舱内无法维持足够的气压来平衡开挖面水土侧压力。同时，因地下水积存在松软土层中，加剧了土層的软化，使土体更容易发生失稳坍塌。
4风险控制措施
盾构在上软下硬地层中进行压气开舱作业前，应采取相应的辅助措施维持土舱内气压稳定，降低施工风险，确保施工作业人员安全，避免开挖面失稳造成周边建筑物、道路、桥梁以及地下管线等受损。
4.1地表预加固措施
在进行盾构施工组织时，应提前选取盾构机刀具检查和更换的位置，尽量选取地面空旷、具备地表加固条件的位置，如穿越城市建筑群的区间隧道，应尽量利用建筑物之间的道路、较宽的街道、绿化带或街心公园等位置。预加固方式可采用地表深孔注浆、水泥搅拌桩或高压旋喷桩等，其加固质量指标应不低于该盾构区间隧道端头土体加固的要求。
4.2隧道内超前注浆加固措施
利用盾构机预留的超前地质钻孔，向刀盘前方打设超前导管，通常采用长度为6m的导管，钻入深度为5.5m，外插角为11°，导管可到达刀盘前方1m。导管为φ42钢管，间隔100mm开孔，呈梅花状布置。浆液采用水灰比1:0.8～1:1水泥浆液，控制注浆压力在1.0MPa左右，采用后退式注浆，至注浆压力可稳压15min内无压力降，结束该孔注浆。超前注浆完成24h后，利用土舱壁上3点和9点位置球阀对浆液凝固状况进行检查，确认加固达到效果后开始进行压气进舱作业。
4.3填舱置换措施
填舱置换为土压平衡盾构模仿泥水盾构制造泥膜的方式，向土舱内泵送浓稠膨润土浆或低强度等级水泥砂浆，浆液在置换土舱内渣土的同时在刀盘前方形成一定厚度和强度的泥膜，该泥膜能在一段时间内，保持开挖面稳定，并具有一定的密封效果。采用水泥砂浆时，为防止砂浆固结盾构机盾体，并在盾体外侧形成止水环，沿盾构中体的径向孔，往盾体外压注油脂或聚氨酯。但应注意的是，泥膜维持自稳性的时间有限，因此对地层也有一定的自稳能力要求，至少为可塑性地层。
4.4设置合理的气压力值
盾构压气作业期间，若气压力值不足，易因不足以平衡开挖面水土压力而导致土体坍塌，土体松动更不利于封闭空间的形成，使压气作业的条件恶化；气压力值过高不利于人员进舱作业，因此，采用合理的气压力值非常重要。
由压气作业的原理可知，盾构土舱内气压力应不低于开挖面水土压力，此时可参考盾构掘进时的压力动态平衡模型进行计算。如图2所示，设开挖面土压力为PE，水压力为PW，土舱压力为PEPB，则：
图2盾构掘进时的压力动态平衡模型
根据上软下硬地层的地质特性，上部松软土层自稳性差，且地下水主要赋存在松软土层中，故以上部土层进行计算，采用软土地层的水土压力合算经验公式如下：
其中，为土压力系数，取0.7～1.0；为水土重度；为地表至盾构中心覆土厚度。对于的取值，在地下水位以上采用湿重度，在地下水位以下时采用饱和重度。
考虑地面上可能存在附加荷载，以及其他施工中的不可预见因素，致使土体中实际土压力大于理论计算值，通常在理论计算的基础上增加0.01～0.02MPa的压力作为附加土压。
盾构进行压气作业时，假设土舱中上半部分为压缩空气，下半部分为土体，则形成的压力动态平衡模型如图3所示，图中PA为气压力。
图3盾构压气作业时的压力动态平衡模型
由图4可知，PA应与盾构掘进时水土压力取值一致，但考虑到气体流通性强，其流失导致气压力值波动，会出现低于水土压力值的情况，为保证土舱内作业人员的安全，通常设定气压力值比水土压力值高0.01～0.02MPa。
5结语
本文通过对盾构在上软下硬地层中压气开舱的风险进行分析，提出了几项风险控制措施，为日后盾构隧道工程的施工组织提供参考。在采取了有效的辅助措施后，可在较大程度上降低压气开舱过程的施工风险，确保作业人员的安全和刀具检查更换的工作顺利进行。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家标准. 盾构法隧道施工与验收规范. 北京：中国建筑工业出版社，2008
[2] 廖鸿雁. 复合地层盾构技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2012
[3] 施仲衡. 地下铁道设计与施工[M]. 西安：陕西科学技术出版社，1997