土压平衡盾构机类泥水模式掘进施工技术

土压平衡盾构机类泥水模式掘进施工技
术
摘要：为解决上砂下岩富水地层盾构掘进施工的技术难题，文章结合佛山地
铁某盾构区间施工案例，对该地层盾构的施工难题开展技术分析及研究。

基于土
压平衡盾构机采用泥水平衡盾构掘进原理的掘进技术，通过向土仓注入膨润土泥浆，建立满仓泥水压（达到泥水盾构建立泥水仓的效果），对开挖面前方砂层地
质进行平衡稳定，再辅助满仓实压模式掘进的施工方法。

通过实施表明，此技术
可有效的降低超排量，控制施工风险，保护地面环境安全。

关键词：上砂下岩；膨润土；盾构；类泥水；渣土改良
1前言
土压平衡盾构是采用掘进渣土平衡地层水土压力，由于砂质地层含沙量大，
含泥量低，具有含黏度低、水量大且具有一定水头压力，渗透系数高，流动性大
等特点，土压平衡方式在砂层中很难做到掌子面稳定，其次盾构掘进对地层的扰
动容易造成涌砂和涌水，而此时盾构机土仓没法建立满仓土压（满仓实土会造成
掘进推力大，无速度），给砂水有流动的空间，从而导致上覆水土压力流失，严
重的可能造成多米诺骨牌效应，造成地面塌陷、掘进困难等组诸多难题。

而采用
泥水平衡原理，可在土仓建立满仓泥水压，有效平衡地层水土压力，稳定上部砂层，且能保证盾构正常掘进。

因此，在盾构机掘进时向土仓主动加注膨润土泥浆，安全快速地建立主动土压力平衡掌子面的被动土压力，伴随增加土渣渣土的粘度，不形成喷涌、突水等情况，从而避免上述问题。

因而总结形成了“上软下硬富水
含砂土压平衡盾构机类泥水模式掘进施工工法”，以期能为类似工程盾构掘进施
工提供借鉴思路。

2工程地质水文情况
佛山地铁某盾构区间隧道洞身存在长约243m，最大侵入隧道深度6m的<3-2>
中粗砂地层，<3-3>砾砂地层，砂层上方为<2-1b>淤泥质土，<2-2>淤泥质粉细砂、<2-3>淤泥质中粗砂、<2-4>粉质粘土。

隧道洞身范围主要为基岩风化裂隙水，承
压水头5.0~26.8m，承压水头埋深比稳定水位深，承压作用强，预测掌子面涌水
量约700m³/d。

3操作要点
3.1施工准备
土压平衡盾构机采用类泥水模式掘进成败关键在于膨润土添加的实现。

在掘
进过程中能实时添加膨润土泥浆，携带土仓切削的砂石进行排渣。

因此前期的准
备至关重要。

施工准备工作主要包括膨润土泵送方案设计、盾构机改管、膨润土搅拌装置
安装及材料准备。

（1）膨润土泵送方案设计：
采用土压平衡盾构机进行类泥水模式掘进前，要制定膨润土泥浆实时添加的
方案。

本工法采用地面集中拌制膨润土，泵送至台车的膨润土罐进行储存，掘进
过程通过管路实时向土仓添加。

膨润土泵送方案示意图如下;
图
3.1膨润土泵送方案示意图
（2）盾构机改管：（以Φ6280mm土压平衡盾构机为例）
①刀盘喷水：原设备设有四个刀盘喷水注入口，将刀盘喷水管路改为刀盘喷
膨润土泥浆；
②泡沫喷管：原设备土仓设有6路泡沫喷射口，将1#泡沫管路改为注膨润土
泥浆；
③盾壳膨润土：原设备盾壳设有两路膨润土管路，但流量较小。

将其管路接
入膨润土注入泵直接泵送注入。

（3）膨润土搅拌装置安装：
盾构机土仓、刀盘注入膨润土泥浆主要有两个之作用：①粘稠的膨润土泥浆
能减小上部砂层流动，起到稳定掌子面的作用。

②增大开挖渣土的流塑性，并携
带渣土排除，减小螺旋机喷涌。

因此，盾构机掘进过程中，膨润土泥浆的消耗量
极大，故采用地面集中拌制，再泵送进土仓。

搅拌装置设置：单环掘进膨润土泥浆消耗量在25-30m³左右，因此地面采用
钢板焊接两个6m*4m*1.5m的搅拌箱（一备一用），每个搅拌罐设置两个搅拌棒，加速膨润土搅拌。

（4）材料准备。

盾构机掘进过程中，膨润土泥浆的消耗量极大，故采用地面集中拌制，再泵
送进土仓。

3.2膨润土泥浆拌制
（1）配比：膨润土采用高粘度膨润土，膨润土材料：水=1:9（质量比），
具体配比根据试验确定，每次搅拌先加18m3水，再使用剪切泵加2t的膨润土，
加料顺序为先加水再加膨润土。

（2）试验检验：膨润土泥浆拌制完成后，经检测其塑化粘度需达到90s以上。

（3）搅拌：膨润土泥浆采用剪切泵充分搅拌均匀，搅拌完成后利用剪切泵循环10～15min，直至无干粉结团颗粒（即无悬浮颗粒）为止，搅拌完成后需给与时间进行膨化（膨化时间保证不小于40min）。

拌制并膨化完成后的膨润土泥浆通过管路泵送至台车上的膨润土罐（掘进过程也可实时泵送）。

3.3土仓渣土置换
盾构掘进前，需对土仓渣土仓位进行判断，若土仓实土仓位高于50%，需先进行土仓渣土置换，渣土置换采用粘度较高的膨润土泥浆，溶液粘度应控制在150s以上。

渣土置换原理：通过向仓内注入膨润土泥浆，代替仓内渣土建立土压。

注入膨润土泥浆同时同步排出渣土，期间保持仓内土压恒定。

待螺旋机排出渣样中膨润土泥浆含量大于90%即代表渣土置换完毕。

渣土置换操作：在盾构机操作面通过膨润土泥浆管直接从土仓隔板的3点、9点位球阀注入孔泵送至土仓内，为保证能将土仓内渣土置换干净，采取将膨润土泥浆分三阶段注入，完成渣土置换。

第一阶段：将两根膨润土泥浆管改接至人闸处球阀，注入15m³左右膨润土泥浆，同时盾构机螺旋输送机进行下部排土，期间控制仓内土压力稳定，波动范围控制在±0.2bar左右。

第二阶段：第一阶段完成后，将膨润土泥浆管改接至土仓腰部球阀，继续注入膨润土泥浆，同步排出渣土，控制土压稳定，直至渣土置换完成。

第三阶段：土仓渣土置换完成后，停止螺旋机排土，将膨润土泥浆管改接至人闸处球阀，继续向土仓注入膨润土泥浆，确保满仓膨润土泥浆材料为止（判断标准：人仓球阀流出为膨润土泥浆）
3.4掘进参数设置
土压平衡盾构采用类泥水模式掘进，土压（满仓实压）稳定控制为第一要素，确保地层砂层不因盾构掘进扰动而塌陷，故掘进前要根据隧道埋深及地层水土压
力合理设定掘进土压P，掘进时土压波动控制在±0.2bar。

以上部土压力P为控制值，缓慢进行盾构掘进，刀盘转速保持低转速
（1.0~1.1r/min），尽量降低对周边地层的扰动，保持类泥水模式下的泥水平衡。

掘进总推力应视速度而定，控制掘进速度15-20mm/min，以防在砂层因刀具
进尺太深而发生刀具快速偏磨。

若土仓压力升高，无速度情况，可能是仓内实土增多，需及时进行实土置换，重新换仓，实土置换期间确保顶部压力不低于Pbar的同时缓慢将实土排出，以
防因土压下降导致顶部砂层下涌。

3.5类泥水模式掘进
土压平衡盾构采用类泥水模式掘进，主要是借鉴泥水平衡盾构的掌子面平衡
原理：通过建立泥水仓，以平衡地层的水土压力。

主要从以下三个步骤来实现。

①掘进以设定土压力P为控制时，通过泡沫管路同步注入泡沫及膨润土泥浆，进行渣土改良。

②掘进过程关注刀具扭矩变化，控制在3000KN·m，若扭矩偏高，通过注入
膨润土进行调节。

③掘进过程同步往盾壳注入膨润土，润滑盾体外壳，减小地层对盾体前进的
阻力。

4结语
土压平衡盾构在富水含砂地层段盾构掘进施工中采用类泥水模式掘进控制措施，可有效保证地层稳定，上部砂层不下涌，土仓土压形成一定的支护作用，可
大幅减少地层超挖超排，有效的控制地面沉降，避免由于超挖导致的地面沉降超标、周边建筑物塌陷等施工问题，降低施工安全风险，创造了良好的社会效益和
经济效益，并具有一定的推广运用价值。

参考文献：
[1]李陶然. 土压平衡盾构机出洞技术分析[J]. 安阳师范学院学报,2022(2):104-107. DOI:10.3969/j.issn.1671-5330.2022.02.022.。