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盾构掘进辅助气压平衡的关键技术研究

１前言
对于埋深大、裂隙水发育的岩石地层（图１）以及富水、气密性好的复合地层，按常规全土压掘进模式，盾构负荷大，刀具磨损快，常发生喷涌以致盾构施工处于“掘进—喷涌－清碴－装管片”的低效率恶性循环中，导致进度慢，同步注浆质量差，盾尾密封不好和刀盘、刀具加速损坏等问题。

图1 裂隙水发育岩层

为解决这一难题，广州地铁一号线首次尝试应用辅助气压平衡的盾构掘进技术。1996年，广州地铁一号线烈士陵园站一农讲所站一公园前站两个区间选用日本川崎制造的一台土压盾构施工，大部分区段隧道断面的地质条件自上而下为：顶部为硬塑状、可塑状残积粘土层（气密性较好），中部为全、强风化岩层，下部为中、微风化岩，其中中部强风化岩和中风化岩节理裂隙较发育，富水性好。由于盾构刀具配置不甚合理，且为了控制地表和建筑物的沉降，先期均采用全土压模式掘进，盾构掘进过程中负荷大，作为经验丰富的日方承包商也难以克服“喷涌”的发生，而长时期在“掘进一喷涌一清碴一装管片”中“苦苦挣扎”，清碴花费的时间比实际的掘进时间长很多，更令人忧心的是隧道同步注浆质量无保障，管片出盾尾即发生错台，盾尾刷和刀具损坏加速。文章第一作者主持并组织日方、法方著名专家会诊，提出采用辅助气压掘进的模式：即保持下部的半舱土，上部压入自然空气（图２）。随后掘进状况得到很大的改善，进度加快，隧道质量优质。

图2 日本川崎盾构（青木建设施工，1996年）

之后，广州地铁在培训国内施工单位和推广盾构工法过程中，将这－技术推广到全国。经过二十年的实践、摸索和发展，该技术的应用有了长足的进步，也为无数盾构工程在类似地层的实践中带来了良好的工程效益。目前中铁一局在广州地铁十三号线丰乐路-文园站区间建设中，进一步创新和精细化管控，利用泡沫管作为压气通道，气体从刀盘注入（图3），取得了良好效果。

图３海瑞克盾构（中铁一局施工，2016年）

在该技术使用过程中，由于地层气密性问题调查困难，因其不可预见性或预言和应急不到位，导致地表冒气、地表沉降大甚至地陷事件时有发生，造成居民恐慌和环境破坏。为了推动中国盾构工程技术的进步和降低事故发生概率，文章在全面认真分析辅助气压盾构掘进代表性工程案例的基础上，进一步研究提升盾构掘进辅助气压平衡的关键技术及其次生风险的预防和应急对策，以籍为类似地层采用相同工法施工提供借鉴。
２辅助气压平衡机理和应用
2.1 辅助气压平衡机理
2.1.1 地层按“相态”分类
盾构周围岩土体一般由固相（态）、液相（态）和气相（态）组成，地层按三相组成和比例可分成以下三类：
(1)Ａ类：固相，几乎不含水和气体，以深成未风化的岩浆岩类和变质岩类以及高寒地区冻土层为主。
(2)Ｂ类：固相＋液相，即地下水位以下的松散地层和风化岩层。
(3)Ｃ类：固相＋液相＋气相，以地下水位以上的松散地层、溶岩地层、沉积地层为主（含天然气、煤成气）。
Ｃ类地层在个别城市和地域存在，如果存在不良气体则要进行预排处理或盾构防爆防毒处理。
城市一般傍水而建，目前城市盾构施工中遇到的大多数或绝大多数是B类地层，即将地层看成是“固相”和“液相”的组合体。在盾构掘进过程中，大部分水以液态排出，但在盾构掘进困难时，因摩擦生热，部分机械能转化为热能，液态水在热能作用下转化为蒸汽，成气相。一旦盾构停机降温，蒸汽又转化为液态水。这部分能量转化尚待评估，但这一转化过程对盾构是有影响的，如在北京、成都等城市的盾构施工中均有明显表现。
2.1.2 平衡介质
盾构掘进平衡介质，常规说是“泥水”和“碴土”，分别对应于泥沙平衡盾构和土压平衡盾构。若平衡介质为液相（泥水），即为泥水平衡模式。泥水均质性好并形成泥膜，能很好地阻挡地层中的固态土和液态水，平衡精度相对较高。从地层颗粒分析宜采用泥水盾构，但泥水盾构造价高。且庞大的泥水处理系统占地面积大，因此在城市隧道施工中泥水盾构的使用有局限性。
若平衡开挖面的介质以固相（碴土）为主，即为土压平衡模式。为了更好的传递压力要求开挖下来的碴土均匀且“和易性”好，而实际上因地质的复杂性，盾构掘进切削的碴土规格有“随机性”，在未加添加剂的情况下要做到“和易性”好有难度，因此碴土（土压）精度相对较低，沉降控制较难。另外“碴土”平衡介质较难阻挡地层中非均态分布的液态水。
在土压平衡盾构施工中，考虑到“碴土”平衡介质的缺陷，在地层气密性允许的情况下，若采用“土体＋气体”的混合平衡介质，即气压辅助土压平衡模式，可达到较好的效果。
2.1.3 辅助气压平衡
辅助气压平衡是指利用自然空气（气相）注入到土舱内来平衡固相与液相分离的开挖面、固相与液相混合的碴土、盾构三大密封系统的油脂（液相）。
通常情况下，物的三相中气相流动速度（占据空间）最快，液相次之，最后是固相。若固相中出现间隙，气相和液相会马上进入，而气相压力足够时可以逼退液相所占据空间。
自然空气均质、比重轻、流动快，“无孔不入”。如图４所示，自然空气注入到土舱内与土舱中下部碴土达到平衡（ａ），并与碴土共同平衡开挖面（ｂ），进入盾壳与地层的开挖间隙，平衡盾壳周围土体和地下水（Ｃ），同时平衡盾构三大密封系统—主轴承密封（d）、铰接密封（e）、盾尾密封（ｆ）的油旨。

图4 辅助气压平衡机理

自然空气由CO₂、O₂、NO₂等构成，短期内在常温常压下不会和水、地层、碴士、密封油脂、钢结构发生化学反应，也不会发生体积变化，且本文不考虑前面所述的盾构掘进过程中因能量转换出现气体的情况。
2.2 辅助气压应用工艺
2.2.1 辅助气压气源和注入方式
气源为隧道内或隧道外的自然空气，具体注入方式及设备见表１。

表1 气体注入方式及设备

2.2.2 辅助气压的压力设计和监控
(1)压力设计
以土舱顶部土压力计为计算埋深(图5),压力设计下限为静水压力+压力表到气碴界面的高度h₁+(h₂-h₁)=h₂,即地下水位到气碴界面的高度;压力设计上限P_上限为气碴界面处水土合算的侧向土压力,因此P_上限≥P≥P_下限。在实际施工过程中，先选用P_上限进行试验,再结合刀盘上方地表隆起值逐步微调下降，以刀盘正上方隆起值0~5mm来确定P值。

图5 压力设计示意

(2)舱内压力监控
由于土舱内的土压力计易因长期受有压碴土“掩撞”而失准,非常有必要在隔板舱上半部增设两个监测孔,外接机械式气压表，既可监控确认舱内气压力，又可估测气碴界面高度，如图6所示。

图6 监测孔布置示意

(3)舱内压力提升
根据公式(1),有两种方法提升舱内压力:即压缩气体体积和升高气体的温度。压缩体积即提升单位体积浓度，通过机械式压入即可;而通过提高气体温度来提高气体的压力，目前尚未主动尝试过，可作为今后研究方向。
值得注意的是实际施工过程中注入到土舱内的空气会因温度变化而产生压力变化，如公式(2)所示，因此舱内空气压力需动态跟踪、比较和分析。如忽视这个因素，易使盾构失衡而引发沉降甚至塌陷,在成都地区发生过类似的案例。

式中P为气压:V为气体体积;T为气体温度。
2.2.3 气碴最低界面
气碴最低界面主要根据顶部和断面的地质条件进行确定：
(1)顶部为富水砂层和流塑状淤泥地层，原则上不宜使用辅助气压掘进。
(2)项部为可塑性粘土且具有一定的厚度，或短时能稳定的地层，碴面高度应超过土舱高度的½，、即

为宜。
(3)顶部为稳定岩层,为防螺旋输送机突发泄气，碴面高度也宜超过土舱高度的三分之一，即

为宜。
如选择

气碴界面高度掘进时，必须满足以下两个前提条件:
①碴土的和易性(含改良后)和气密性良好。
②盾构掘进司机必须精细管控出碴量，且须通过调整螺旋输送机转速来调整出土量,不宜通过频繁调整闸门的开口度来调整出碴量。
施工过程中应尽可能避免气/碴界面的频繁变化，即避免因辅助气压“拉风箱式”冲击开挖面而引起失稳。
3 辅助气压掘进的优点
3.1 辅助气压掘进案例
广州地铁十三号线丰乐路站一文园站区间隧道某段地层以全断面中风化混合花岗岩为主，平均抗压强度45MPa,局部107MPa,采用海瑞克S347土压平衡盾构施工,刀盘刀具配置为双刃滚刀(图7)。

图7 刀盘配置情况

初期采用常规全断面岩层掘进模式一空舱掘进,水的问题不能很好解决，碴土含水量大，有一定喷涌,地面沉降较大。盾构掘进至74环时,进入6z/7z/8z地层交界面施工，采用全土压施工，舱压保持在0.18MPa,出现盾构负荷大、温度高、刀具磨损大等问题。而后掘进至79环时采用辅助气压模式掘进，施工状况明显好转，具体过程见表2。

表2 三种掘进模式施工状况对比

3.2 辅助气压掘进优点
由上述案例可见，在富水岩层中采用辅助气压模式优势明显,具体如下:
(1)减轻盾构掘进的负荷。盾构刀盘扭矩是由开挖面土体和土舱内土体共同作用产生的，尤其在埋深大的情况下,盾构的负荷更大。若采用辅助气压掘进舱内碴土量少，可减小扭矩,增大有效推力，降低总推力。
（2）气密开挖面和盾构后面的来水，逼退地下水。辅助气压掘进能够使气压同开挖面裂隙内水压平衡,同时在盾体的开挖空隙中形成气压，保证盾体上方地层内地下水和盾构后面来水不进入盾体与地层间的空隙内,减少了舱内外来水的进入，防止喷涌，也减少了地下水的流失,有利于控制地面沉降或塌陷。
(3)保证同步注浆质量。辅助气压掘进在减少地下水进入的同时，保证了脱出盾尾部分土体的干燥,使管片与地层间空隙由气体填充而非地下水,同步注浆不会因地下水稀释而降低浆液性能,保证了同步注浆质量。
(4)降低刀盘刀具磨损。辅助气压掘进有效地降低了土舱内碴土高度,减轻了开挖面同舱内碴土对刀具及刀盘的磨损。
(5)保护盾尾密封和铰接密封,避免加速结块硬化损坏。
(6)提高掘进效率。减轻盾构负荷后可有效提升掘进速度，且防止喷涌，也减少了因喷涌带来的清碴时间,盾构总体掘进效率大大提升，且盾构内部环境也得到了改善。
4 辅助气压掘进次生风险分析
4.1 辅助气压掘进次生风险案例
某城市某区间隧道埋深19.5m,上部<6z>全风化混合花岗岩,中部<7z>强风化混合花岗岩，下部<8z>中风化混合花岗岩，隧道顶部自下而上依次为全风化混合花岗岩、砂质粘性土、粉细砂层、淤泥质粘土及人工填土。盾构采用辅助气压掘进模式。盾构掘进至332环地层开始发生变化，碴样颜色变褐黄色，地下水增多。
4.1.1 事件经过
辅助气压掘进地面塌陷事件过程如表3所示。

表3地面塌陷事件过程

图8 塌陷初期情况

图9 塌陷范围扩大

4.1.2 原因分析
塌陷处混凝土回填量约12m³。与一般塌陷坑不同，该塌陷处呈“孔柱状"(图10),分析认为气体对塌落孔周边产生压力，避免塌落孔壁土体进一步剥落，形成孔柱状塌陷孔。造成地表塌陷的原因分析如下:
(1)塌陷处存在不良地层，淤泥层及砂层较厚。且该道路为一年内新修路面，发生塌陷前的一段时间雨量较大，路段发生水浸，塌陷处为水浸最深位置，在雨水的冲刷下，刀盘上方地层可能产生空洞，盾构施工打破空洞平衡。
(2)塌陷处由于勘察孔封堵不密实或时间过长可能造成封堵材料收缩形成空隙，使土舱与外界形成通道，发生泄气。
(3)第一次出现压力下降时，盾构操作手关闭土舱气压平衡系统及螺旋输送机时未关闭刀盘，停机后刀盘的转动对地层持续扰动，导致塌陷范围扩大。

图10 盾构上方土体塌陷形状

4.2 辅助气压掘进次生风险分析
(1)盾构机刀盘及盾体上方地面沉隆大或塌陷辅助气压掘进产生的地面沉隆大或者塌陷主要与气压控制有关。若地面产生较大隆起则土舱气压大;若地面沉降大甚至发生塌陷，则土舱气压小，能发生漏气，而产生漏气的原因主要如下:
①地层本身气密性差,保压效果不好，例如松散砂层。
②地层中存在污水井、古井、人工钻孔、管道、树木根系等通道,气体沿着通道发生泄漏，造成土舱压力无法保持。
(2)开挖面失稳
辅助气压掘进过程中，若出现供气不足和气/碴界面频繁发生变化时，可能出现辅助气压“拉风箱式”冲击开挖面而引起失稳。
(3)螺旋输送机口喷气
辅助气压掘进过程中，土舱内气碴界面是重点监控对象。尤其是在舱内气体体积比例大、碴土量少的情况下,若施工过程中气碴界面监控不到位出现多出碴时,很可能造成气体击穿螺旋输送机口处薄弱碴土而发生喷气现象。
(4)击穿密封
辅助气压掘进时，气体会通过刀盘进人盾壳与也层的开挖间隙中,因此，若铰接及盾尾密封油脂注入量不够,均匀度差以及压力不足，则可能发生气体专穿密封现象。
(5)成型隧道和运营过程中上方地面塌陷。
4.3 辅助气压掘进次生风险对策
4.3.1 预防措施
(1)地质勘查:与各管线单位沟通，收集齐全的管线种类、埋设、走向等资料，施工过程做好管线沉降监测;提前排查勘探孔、空洞等及其填充封堵情况。
(2)提前处理:根据勘察情况提前对有需要的地层进行填充或者加固。
(3)全土压掘进:针对不适合辅助气压掘进区段，综合考虑后又不适合提前处理的情况,可在进入该区间前慢慢转换成全土压模式掘进。停机时满舱土建压或持续保持气压平衡，防止“拉风箱式"保压。
(4)微漏气地层处理:在微漏气地层适当调整泡沫系统泡沫比例，将空气锁定在固定的泡沫空间内.填充漏气缝隙，达到气压辅助效果,解决漏气问题。
(5)在盾构停机拼装管片松开千斤顶时，由于舱内压力，盾构会产生些微后退,且停机期间舱内气体会沿地层不断深人，因此需留有操作手在操作室内，随时准备好向舱内补气工作，避免在拼装过程中造成舱内失压,出现掌子面坍塌。
4.3.2 应急措施
(1)若出现舱内气压下降，应立即采取逼土掘进模式，利用渣土置换气体,尽快将舱填满。若填舱速度达不到要求，可快速往土舱内加泥浆或水。
(2)若土舱气压骤降后，地面发生塌陷。此时不宜停机、应继续推进并采用逼土模式将舱填满，以保证土舱压力与地层相适宜，防止地面塌陷进一步扩大。
(3)若舱内气压突然增大而地面未发生塌陷，此时地层内部可能已出现小塌陷，但未发展到地面上，宜停机处理后再掘进。
(4)若出现铰接密封和盾尾密封漏气现象，应立即停机注入油脂密封。
4.3.3 成型隧道周边空洞的监测和处理
为了保证成型隧道外壁注浆填充密实,需在成型隧道顶部吊装孔安装球阀并击穿检验注浆是否已填充饱满。如发现漏气,需立即关闭球阀，在相邻管片顶部安装球阀，击穿后通过球阀注浆，同时从另一球阀放气泄压,保持同一压力进出，等放气球阀出浆后，停止注浆并关闭球阀，确定注浆已完成。
5 结论
在某些地层中，辅助气压平衡工法拥有较大优势但大多数承包商缺乏经验,应用过程中风险不容小觑。为给类似地层采用该工法施工提供借鉴,本文通过分析实际工程案例，提出以下几点关键控制技术:
(1)地层适应性:地层气密性满足要求是采用辅助气压平衡模式的基础，埋深大、裂隙水发育的岩石地层和富水、气密性好的复合地层适合采用辅助气压平衡工法。尤其是在裂隙水发育岩层,该工法可同时解决地下水大量汇聚到盾构内的风险,，而松散的砂层或埋深较浅的隧道不适合该工法。
(2)地质勘查:提前对线路周边管线、勘探孔、空洞等可能产生漏气通道的地方进行排查和处理，若不适合提前处理,则考虑全土压模式掘进。
(3)压力控制:辅助气压平衡的关键因素是“气压”。初始压力大小根据地层覆土厚度计算得到,但实际施工一定要进行试压。根据经验,土舱内气压大小以逼退地下水(即碴土较干)及前方隆起量在0~5mm以内为宜;另外，盾构操作手一定要注意舱内气压的变化，若出现气压骤变需采取合适的措施，因此该工法对盾构操作手经验要求较高。
(4)气碴界面高度:不同地层对舱内碴土高度的要求不同,在气密性满足的条件下,尽量降低碴土界面高度，但最低不得低于土舱高度的三分之一。
(5)盾构参数控制:要关注土舱压力、扭矩、推力、刀盘转速等参数之间的关联性;要确保舱内压力读数的准确;降低贯入度，减小扭矩;在扭矩稳定的情况下，推力可适当增加，以掘进速度达到最佳为宜；刀盘转速在保证刀盘温度不超过55℃情况下可适当提高；土舱压力稳定的情况下，螺旋输送机转速以保证舱内进出碴平衡即可。
6 展望
(1)地层气密性是采用辅助气压工法的基础,但目前对于地层气密性问题仍停留在工程类比和经验判断阶段,如何将气密性问题定量化需进一步研究。
(2)盾构施工过程中由于机械摩擦发生温度变化，而温度改变对气体的压强和体积都会产生很大的影响。目前施工实践中大多从温度带来的不良反应角度去看待问题，建议可从如何利用温度变化影响为施工所用的角度去思考和解决问题。