土压平衡盾构土舱压力控制技术 提要：近年来，随着大量盾构隧道工程的兴建，土压平衡式盾构机使用也越来越广泛。本文结合工程实际，就土压平衡式盾构土舱压力控制技术有针对性地进行探讨。 关键词：土压平衡、土舱压力、土体状态 1 前言 在土压平衡式盾构的施工法中，为了确保开挖面的稳定，需要适当地维持压力舱压力，一般，如果压力舱压力不足，会引起前方地基沉降，发生开挖面的涌水或坍塌的危险就会增大。如果压力过大，又会引起刀盘扭矩或推力的增大而发生推进速度的下降或喷涌等问题。因此，设置合理的施工土舱压力，提高盾构隧道在施工过程中的稳定性，对于控制地表沉降、提高掘进速度、降低掘进成本有着非常重要的意义。 2 土压平衡盾构的工作原理 土压平衡盾构的开挖土舱由刀盘、切口盘、隔板及添加剂注入系统组成。将刀盘切削下来的碴土填满土舱室，在切削刀盘后面装有使土舱室内土砂强制混合的搅拌臂。借助盾构推进油缸的推力通过隔板进行加压，产生泥土压，这一压力通过碴土及刀盘作用于整个作业面，使作业面稳定，同时用螺旋输送机排土，螺旋输送机排土量与盾构推进量相适应，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量平衡，维持土舱内土压力稳定在预定范围内。土舱内的土压力通过土压传感器进行测量，为保证预定的土压力可通过控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速来控制，控制原理见土舱土压力控制示意图1：
地下水位
PEPB土舱压力Pw+PE=PEPB
PE土压力w水压力
地表面图1 土舱土压力与地层水土压力平衡 当土舱内的土压力大于地层土压力和水压力时，地表将会隆起；当土舱内的土压力小于地层土压力和水压力时，地表将会下沉；因此土舱内的土压力应与地层土压力和水压力平衡。 3 土舱压力引起地基沉降或隆起 以上海地铁M8线延吉中路站～黄兴路站区间下行线施工中反映出的土舱压力和地表沉隆之间关系进行说明： 盾构推进施工前，提前在盾构通过的轴线上方设置地面变形监测点，每隔5m一个，盾构施工前测定初始值。 推进39环时，覆土厚度11.8m，计算土舱压力0.22Mpa，实际设定为0.26Mpa，推进时，反映的土舱压力和地表沉隆之间关系如下图所示：
土舱压力与机头前方地表沉隆的关系(一)
-3-2-101234
0m5m10m15m20m22m25m距机头的距离地
表
沉隆值(mm)
盾构推进39环前方地表沉隆变化盾构
由以上图分析可知，土舱压力设定值与计算值有较大差别,盾构前方地面隆起较大，说明土舱压力设定值偏大，而实际的土压力小于设定值。 推进60环时，覆土厚度12.1m，计算土舱压力0.23Mpa，实际设定为0.23Mpa，推进时，反映的土舱压力和地表沉隆之间关系如下图所示： 土舱压力与机头前方地表沉隆的关系(二 )
-3-2-101234
0m5m10m15m20m25m距机头的距离地
表
沉隆值(mm)
盾构推进60环前方地表沉隆变化盾构
土舱压力设定值与计算值相同,盾构前方地面沉隆变化也很小，说明土舱压力设定值适宜，实际的土压力与计算值基本吻合。 由以上两图看出土舱压力的设定与盾构机切口前方地面的沉隆情况密切相关，影响通常在1.5D+H(D为盾构机外径，H为盾构中心至地面高度)范围内，由盾构刀盘向前方递减。 4 土舱压力控制技术 4.1 土舱压力的设定与调整 4.1.1 土舱压力的计算方法 （1）水土压力计算 盾构推进施工中，如何对推进土压力进行设定，必须经过周密的计算。而土压力的计算，采用何种条件，需要根据地质情况而定，计算土压力的方法有两种，一种是将土压与水压分开的计算方法；另一种是将水压作为土压的一部分进行计算的方法。采用土压分算或合算不能一概而论，一般而言，在砂性土地层中，认为土压和水压是分别作用的；在粘性土地层中，土压和水压可认为是相互间成为一体作用的。但是由于正确地掌握土中水的变化、地下水位等是非常困难的，即使进一步根据地质条件、盾构设备状况慎重地进行分析也难以作出判断时，可以使用两种方法同时进行计算，然后根据施工情况选用较安全一侧的方法。 （2）土体重度 采用水土分算时，对土的重度，在地下水位以上时采用湿重度，在地下水位以下时采用水中浮重度。采用水土合算时，在地下水位以上，也采用湿重度，而在地下水位以下时采用饱和重度。土的重度，原则上根据工程地质勘察结果来决定。根据过去的经验，使用水土分算时，地下水位以上一般为16～18KN/m3,水中浮重度为8～10KN/m3；使用水土合算时，地下水位以上一般采用18～20KN/m3的值。 （3）附加土压 由于部分地面上有构筑物或活荷载等附加荷载存在，另外施工中还有许多不可预见的因素，致使施工土压力往往小于原状土体中的静止土压力。按照施工经验，在对沉降要求比较严格的地段计算土压力时，通常在理论计算的基础上再考虑(0.01～0.02)MPa的压力作为附加土压。 （4）经验公式 上海地区地层是洪积层和冲积层交错的，隧道穿越的地层很少出现单一的土质情况。但上海地区的盾构隧道大多是从灰色淤泥粘土④层，灰色粘土⑤层中穿越，因此，采用土压合算比较接近实际情况，经过一、二、四、八线地铁的施工实践，总结经验计算公式如下： P=KrH K-----土压力系数（K=0.7～1.0） r------泥土容重 H-----地面至盾构中心覆土厚度 4.1.2 施工中土压力的及时调整 土舱压力应随隧道上覆土厚度的变化而变化，但如单凭理论土压来设定土舱压力显然不是很合适的，由于土层的复杂性，如地面超载作用力的大小及建筑物基础结构的不准确性，另外，盾构机内部的土压传感器和自动模式控制器存在系统误差，造成了土压力设定值的计算结果不可能十分准确。 目前，主要通过预先在盾构施工的轴线上布置地面变形监测点，盾构施工中用精密水准仪每天2次对机头前30m的监测点进行观测，并把监测点的高程变化及时反馈盾构操作者，以便及时调整设定土压力。直至地面不在发生大的沉隆为准。所以盾构前方地面沉降监测结果可直接反映土压力设定值与自然土压力的吻合程度。 在实际的施工中，可根据地表沉隆要求控制盾构机前的地面沉隆量在-2～+2mm之间，如隆起过大则应适当调低压力设定值，如发生沉降则应适当调高压力设定值。 4.1.3 协调好推进速度、螺旋机转速和土舱压力之间的关系 土压平衡式盾构，施工中可采用自动土压控制装置，通过装在盾构机土舱隔壁上的土压计对掘进中的土压进行常时监视，利用装在后续台车上的操作盘内PLC计算出与操作目标值(管理土压值)的差值,通过ＰＩＤ控制，自动调整螺旋机转速的控制指令值，如下图所示： 计测土压(左右土压的平均值)高于目标值时增加回转速度，反之减少回转速度如下图所示： 掘进速度变化时的自动土压控制动作
由外部因数引起的掘进速度变化的例子.
掘进速度变化时土舱土压的变化情况.由于土压偏离目标值,产生偏差,这时通过自动控制螺旋机回转速度来减少偏差量. 改变目标土压值时的自动土压控制动作
掘进速度不变的情况下改变土压目标值时的例子
与变化计测土压时一样,同样产生土压偏差. 由于土压偏离目标值,产生偏差,这时通过自动控制螺旋机回转速度来减少偏差量.
4.2控制好土舱内土体状态，建
立土压平衡 保持土舱内的泥土处于有良好的流动性、不透水性的状态更容易建立土压平衡并保持开挖面的稳定。
土压计测 螺旋机 回转速度指令
螺旋机 回转速度计测
管理土压设定 自动土压控制系统图
偏差 目标値 时间 土压 螺旋机 回转速度
掘进速度
偏差 目标値 時間 计测土压 螺旋机 回转速度
掘进速度 4.2.1影响土舱内土体的稳定的因素 当土舱内泥土砂、石含量超过一定限度时，由于泥土的摩擦角增大，流动性差，靠刀盘开挖扰动和土舱内搅拌臂的搅拌，很难使泥土达到足够的流塑状况，一旦在泥土舱内充满过量，就会压密固结，致使排土阻力太大，无法进行排土。有时还会产生拱效应，造成泥土疏密不均。 当土内地下水含量丰富时，螺旋输送机内的泥土就不能起止水作用，而且会引起开挖面土层崩塌，致使盾构无法继续开挖和排土。 对于粘土矿物含量超过25％的各类土层，推进中极易产生泥饼现象，造成土压力忽高忽低、推进阻力增大、地面隆起、建筑物被破坏、盾构机损坏等现象。 4.2.2土体状态的控制方法 （1）在盾构选型时应根据施工范围内地质、水文情况，选定符合要求盾构机的刀盘系统、搅拌系统、排土系统等。 1）刀盘系统 刀盘系统决定着地层的破碎机理，其中刀盘刀具的数量、布置形式、种类、开口率、开口孔隙的规格、刀盘辐条的钢结构形式、刀盘转速等对进入土舱内土体的影响最大。刀盘的扭矩大小和土压计精度、耐久性也非常重要。 2）搅拌系统 搅拌装置必须在刀盘的开挖部位、取土部位有效地使土砂进行相对运动，防止发生共转、附着、沉淀等现象。搅拌装置有以下几种，可单独使用，也可组合使用。 ①刀盘（刀头、轮辐、中间梁） ②刀盘背面的搅拌翼 ③设置在螺旋排土器芯轴上的搅拌翼 ④设置在隔壁上的固定翼 ⑤独立驱动搅拌翼 这些搅拌臂共同的作用就是入的土体进行搅拌，使土体变得更加均匀，流塑性更好。 3）螺旋输送机系统 排土系统必须是能够保持渣土和土压力、地下水的平衡、并具有按盾构推进