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3.10 开挖面稳定技术

6.10.1 泥水盾构开挖面稳定机理

泥水盾构开挖面稳定机理如下：

1）以泥水压力来抵抗开挖面的土压力和水压力以保持开挖面稳定，同时，控制开挖面变形和地基沉降。

2）在开挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水压力有效作用于开挖面。

在开挖面，随着加压后的泥水不断渗入土体，泥水中的细颗粒填入土体孔隙中，可形成渗透系数非常小的泥膜。而且由于泥膜形成后减小了开挖面的压力损失，泥水压力可有效地作用于开挖面，从而可防止开挖面的变形和崩塌并确保开挖面的稳定。因此，在泥水盾构施工中，控制泥水压力和控制泥水质量是泥水盾构的两个重要施工关键点。

本工程具有直径大、水压高、地层渗透性强、部分里程覆土浅等特点，开挖面稳定控制的要求非常高，建议本工程采用泥水加压平衡盾构（膨润土-气垫式泥水盾构），开挖面稳定所需支护压力由前舱（开挖舱）膨润土泥浆提供，但压力大小由后舱气垫（压缩空气）进行精确调节。气垫调压舱结构见右图：

人闸 气垫 后舱 前舱

气垫调压舱结构图

6.10.2 压力调节要求

1、调节器调节作用的实现无需电力，调节器安装两个独立的单元来防止可能出现的干扰，并用于维保停机阶段和断电情况（高压电缆延伸时）；

2、压力调节范围0~8.5MPa；

3、传输到膨润土悬浮液的支持压力精确率为+/- 0.05bar；

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4、泥浆管路内的浮动变化能被准确、迅速平衡；

5、在高压情况下，工作人员通过安装在压力舱板内的人闸可以安全地进入气垫调压舱；

6、压力调节稳定可靠，检查刀盘时不需要对隧道开挖面进行土体改良。 6.10.3 泥水压力的取值

土体经盾构开挖，其原有的应力被释放，并将产生向应力释放面的变形。此时，为控制地基沉降，保持开挖面稳定，必须向开挖面施加一个相当于释放应力大小的力。

在泥水盾构中，采用泥水压力来抵抗开挖面的释放应力，但在决定泥水压力时，必须考虑开挖面的水压力、土压力和预留荷载。

1）水压力。开挖面的水压力一般可根据钻探资料准确把握，但当季节变化或隧道离河流较近时，要综合考虑其他因素对水压力的影响。

2）土压力。土压力分为静止土压力、主动土压力和松动土压力几种。静止土压力作用下，理想状态下土体不因隧道开挖产生附加应力，开挖面处于理想状态不发生变形。但是开挖面土压力大时，设备推力也较大。主动土压力是开挖面发生破坏前的极限土压力，是土压力管理值的最小值。另外，当土体自稳性良好且覆盖层较厚时，可以考虑土体自身有成拱效用，此时可按松动土压力进行土压力管理。

3）预备推力

预备推力是为弥补施工中发生的土压力损失而设定的压力，通常可参照10~20kN每平方米取值。

4）土压力管理。施工过程中，可根据地质情况将盾构前方分为区段（如设置20m左右作为一个管理区段），对区段内的地质条件计算土压力的上限值与下限值，在土层自稳能力较好的情况下可取较小值，在地基变形控制要求高的地段可取较大值，进行土压力管理

5）计算公式

泥水压力上限值：Pmax?地下水压力?静止土压力?预备压力；

泥水压力下限值：Pmin?地下水压力?主动土压力（或松动土压力）?预备压力； 静止土压力：p?K0rh，K0?1?sin? 主动土压力：p?Karh，Ka?tan2(??)

42?

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松动土压力可查阅相关资料进行取值，通常可按太沙基松动土压力理论考虑。 实际压力控制和设定过程按以下方法进行：

气垫调节舱内的压缩空气气垫产生压力并将该压力传至膨润土悬浮液，调节液位高度使受压后的悬浮液，其液位则刚好达到盾构机轴线的位置，便于压力计算与控制。支护压力计算示意如下：

6PSO?PI???hI7532hI1PId4PSU?PI????d?hI? 开挖面压力分布 1 2 3 4 5 6 7 膨润土 膨润土液位 压缩空气气垫 压力舱板 分隔挡板 支撑区域 处于外界压力下的区域 Pl 空气压力 Pso 顶部悬浮液压力 Psu 底部悬浮液压力 ? 悬浮液密度 D 盾构直径 hl 承压舱高度 6.10.4 特殊条件下的开挖面稳定

1）互层地基开挖面的稳定

由于互层地基的开挖释放应力跟各层土性有关联，这就产生由哪一层土的土压力作为控制土压力的问题，一般认为以释放荷载大的那一层来决定控制压力交合合适，此时释放荷载小的地层则将被动压缩，但一般情况下地基被动压缩能收能力较强，可以参照被动土压力理论进行估算。

2）软土地基开挖面的稳定

软土地基的静止土压力与主动土压力接近，若采用主动土压力控制，则压力稍微一降低将产生土体主动破坏而开挖面失稳，因此最好是加大预留压力，即，此时可适当提高控制压力，但是软粘土压缩过度将产生地表隆起，同时在盾构推进后出现工后沉降较大，因此必须通过施工中调整试验对泥水压力的取值进行进一步验证。

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3）大断面盾构的开挖面稳定

大断面盾构的开挖面可能会出现大的变形、地基沉陷、地基隆起等问题，由于开挖面变形与开挖半径的4次方成正比，当开挖半径大，地基变形非常敏感，因此大断面开挖面稳定与地基变形问题将是泥水盾构施工技术的关键问题。 3.11 施工辅助设备 6.11.1 辅助施工设备概述

盾构隧道工法施工设备，严格地说包括盾构机（主要设备）和其他用到的所有设备（辅助施工设备），本节介绍辅助施工设备的主要内容，盾构设备厂家应根据工程条件结合以往施工经验对本节进行细化与补充。 6.11.2 冷却管路

盾构机需按装一个闭合的冷却循环，用来冷却盾构机上的电气和液压部件。闭合循环上安装了一台耐用的内部泵和调节罐。在工业水循环的回路上将安装一个中间罐。另外还将在回路上安装一台水泵，用来将工业水运输到地面。买方续提供新鲜的冷却水（大约25°C到28°C）；根据水温，总能力为140m3/h到160m3/h。冷却水的温度上限为30°C。

6.11.3 压缩空气设备

需提供以下空压机设备：

(1) 4个90kW~120kW 空压机，需满足在12.75 bar压力下时，充气能力11m3/min； (2) 4个空气罐，4m3 @ 11bar，装配有一个安全阀、一个单向阀和压力表； (3) 1套管路，分配回路通过2级过滤程序来过滤（油和颗粒），并由带有自动分水设备的干燥机进行干燥。 6.11.4 呼吸空气过滤设备

空压机上需安装呼吸空气过滤器来提供给空气闸、材料闸和开挖舱空气。 6.11.5 鳄式破碎机

为有效应对超大粒径孤石，刀盘隔板下方应安装液压驱动颚式破碎机，破碎机需同时具备人工和自动两种操作模式。破碎机破碎能力：粒径>800mm，孤石强度>150 MPa。

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鳄式破碎机

6.11.6 管片等其他设施运输设备

盾构工程中，管片、物资和器械等运输时间在施工周期中所占的比例相当大，并且频繁的进行，主要包括：竖井内的挂钩悬吊作业、竖井下的台车装料作业、竖井到掘削处的搬运作业。 6.11.7 管片拼装设备

一次衬砌设备的设计应考虑衬砌的材料、形状、尺寸、质量等要求，能方便正确的进行衬砌组装。一次衬砌设备及其器具主要有组装机、衬砌组装紧固工具（棘轮扳手、套筒扳手、电动扳手、扭矩扳手）以及真圆度保持设备等。 6.11.8 操作台车

操作台车要求能容纳二次注浆、嵌缝、管片螺栓的二次紧固、处理漏水等一系列作业的材料和机械设备的规模，并同时可作为备种作业的脚手架适用的功能，操作台车的形状、配置必须根据作业内容、作业流程和工程进度确定。 6.11.9 管片自动组装系统

自动组装系统主要由管片供给装置、管片夹持装置、管片定位装置及螺栓连接装置组成。管片组装系统的控制系统由总体管理程序控制器、控制拼装的计算机等配件组成。 6.11.10 作业辅助设备

作业辅助设备主要指电力、照明、通信、通风、给排水、安全设备等。 6.11.11 超挖装置

在进行曲线施工及纠正施工偏差时，为了减轻盾构隧道在方向变化时所产生的抵抗土压力，通常在开挖外径以上要求设有超挖装置。

超挖装置分为全周超挖装置（超挖刀）及部分超挖装置（仿形刀），都装有从刀盘的外周用液压千斤顶来伸缩的特殊刀具。

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当为仿形刀时，是在隔板后方位置的刀盘旋转中心，设置旋转液压接头（旋转联轴器），即便是刀盘正在旋转，千斤顶也能执行伸缩操作，就可以超挖开挖面外周的任意范围。

所需超挖量可由方向改变时的盾构与地基之间的位置关系求得，但是，盾构中装置的超挖能力，应按计算值的1.5倍来进行设计。

能进行大超挖的超挖装置，当然要有从刀盘外周呈悬臂状态伸处比较大的刀具，所以必须充分研究其强度。