浅析土压平衡盾构机过全断面砂层施工技术
摘要：以某全断面盾构砂层施工区间为例，针对土压平衡盾构机施工过程中的参数设置及主要技术措施等方面进行分析，给出土压平衡盾构机过全断面砂层施工技术方案，并结合地质情况，给出相应预防及应急措施。
关键词：土压平衡盾构机；掘进参数；技术措施；应急措施
0前言
随着城市轨道交通建设的快速发展，盾构法施工因掘进速度快、质量优良、安全环保等优势在轨道建设中发挥着重要作用，而土压平衡盾构机因其能较好的控制地表沉降、污染小、适应在市区和建筑密集处施工等优点，在我国城市建设中得意广泛应用。本文分析土压平衡盾构机穿越全断面砂层主要参数设置及相应技术措施，并给出应急预案。
1工程概况
以某地铁盾构区间为例，地层的沉积年代为第四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl），开挖面地层主要以低压缩性的中粗砂层、粉细砂层为主（地基的基本承载力σ0>300KPa）,局部夹有少量的粉质粘土层，隧道开挖面上部大部分为砂层，含少量粉质泥土，下部持力层为密实的砂土层及粉质泥土层。
区间沿线建筑物较少，大部分为市政道路、农田、蔬菜大棚和树林，且有一条10m宽河流穿越本线路。线路平面上最小曲线半径为R=1500m，区间线路纵向呈\"V\"字坡，隧道纵坡最大坡度23‰，区间隧道底埋深16.57~23.26m。地下水有两层，水头埋深分别为4.72~6.02m和8.35~11.10m。
2土压平衡盾构机主要性能参数
针对砂性土层埋深较浅、存在潜水及承压水的特点，盾构机配备专门的加泥、加水、泡沫系统，螺旋输送机需设置放喷涌装置，其主要性能参数见表1。
表1盾构主要性能参数
序号性能指标
1盾构本体盾尾外径/mm6150
盾尾间隙/mm30
盾构本体长/mm9340
2推进系统最大总推力/KN约36000
最大推进速度/cm×min-18
3铰接（主动铰接）设计曲线最小半径/m250
4辐条式刀盘转速/r×min-10~2.66
最大扭矩/KN×m7580
刀盘开口率43%
5刀具配置先行刀/mm150
刮刀/mm90
6螺旋输送机转速/r×min-11.0~16.0
7土体改良系统3台泡沫泵
2台加泥泵/L×min-10~150L/min
3盾构机掘进参数设置
根据该地铁盾构区间隧道的具体地质情况（以中、粗砂为主），应采用土压平衡掘进模式，使开挖面保持一定的土压力，控制地表沉降及开挖地层的坍塌。
根据地层的特性，通过砂层的掘进参数参考如下：
1）土仓压力P
土仓压力通常与土仓所处地层的应力相等，计算盾构荷载时，应选择盾构施工区间的典型断面作为计算断面，即盾构通过软弱地层覆土最厚处的断面。盾构外部荷载按照最大厚度处的松动土压或两倍盾构外径的全土柱土压计算，并取两者中的较大值作为盾构计算的外部荷载。（注：地层在含水层中，计算时均考虑土体的重度为浮重度）
图1盾构外荷载示意图
①松动土压力计算
由泰沙基公式可得
（1）
其中，，
为土密度（t/m3）,
为黏聚力（kPa），
为土压力系数，
为土的内摩擦角（°），
为最大覆土厚度（m），
为刀盘半径（m）。
②2倍盾构直径全土柱土压力
（2）
盾构底部土压
（3）
盾构上部和下部的侧压力分别为
（4）
（5）
其中，为盾构外径（m），
为盾构主机长（m），
为盾构主机质量（t），
为水平侧压力系数。
在土压平衡掘进时，分别计算出此标段盾构机的最大土压力值与最小土压力值，最终将盾构机的土压力控制在最小值与最大值之间，同时兼顾地表监控的数据对土压力的设定参数进行反溃。
经计算，盾构机刀盘中心附近的土压平均值在88.9-124.4KPa。（由于篇幅的原因，省略了计算过程）
2）盾构机的推进阻力
盾构推力包括：克服外壳与土之间摩擦阻力的推力；克服刀盘承受的主动土压力所需的推力；克服土的粘结力的推力；克服管片与盾尾间摩擦阻力的推力；后续后配套设备所需的牵引力。即所需的总推力
（6）
其中；
；
；
；
；
为刀盘中心处的侧向土压力，；
为钢材与砂卵石的摩擦因数，为每环管片的质量（t），为后配套设备牵引因数，为后配套设备质量（t）。经过计算，盾构机的推力阻力为1370t，考虑到盾构需进行曲线开挖，推力应增加约10~30%，因此盾构应提供的总推力为：t。
3）刀盘转速与刀盘扭矩
根据北京类似地层的施工经验，盾构掘进时的刀盘转速一般为1.0rpm；以此转速下，驱动电机能发挥最大扭矩。
刀盘扭矩主要包括：刀具切削土体所需的扭矩；刀盘自重所产生的阻力矩；刀盘密封装置产生的阻力矩；刀盘周边的摩擦扭矩；刀盘辐条和搅拌装置对土体的搅拌扭矩。则刀盘总扭矩为
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