贺婷1，朱晓洁2
广州地铁集团有限公司，广东 广州 510180
摘要：土压平衡式盾构施工过程中，一般采用统计每环出渣方量来估算该环是否存在超挖以及超挖量。但是由于现场计量的精度不高，以及施工时可能存在掺入气泡甚至直接加水等措施，排土量的体积估算存在较大的误差，导致地面沉降甚至开挖面塌方事故时常出现。由于直接称量在现场存在较大的施工误差，本文引进了渣土的松散系数，将盾构出渣方量反算得到实际的超挖量，然后就可以计算得到每环的超挖率。由于只要通过测试渣土含水率即可得到开挖土体的松散系数，极大地方便了实际出渣量的控制，为盾构隧道开挖控制提供了一种新的、有效地控制方法，有助于盾构施工时挖排土量平衡的控制，从而能够尽可能减少对周围环境的影响。
关键词：土压平衡式盾构；排土量；超挖；松散系数；含水率
New control method of discharged soil volume for EPB shield tunnelling
Abstract：In construction processing of EPB shield tunneling, the discharged soil volume of each ring is investigated to determine whether there is overcut and overexcavation volume. However, because of the low measuring accuracy and existence of supplementing water into the pressure chamber to improve the plastic flow status of soil, there is great error to estimate the discharged soil volume and a large of subsidence accidents happen. therefore, the thesis imports the loosening coefficient to calculate the actual overexcavation volume and overexcavation ratio for each ring. In the calculation of overexcavaton, only the loosening coefficient and dry density should be tested, this control method on discharged soil volume is so simple and accurate and effective. The application to the line 21 of Guangzhou Metro also proved that the method is helpful to control the balance between the excavation volume and discharged volume, and also sharply reduce the surface settlement.
Key word: shield tunnel; discharged soil volume; overexcavation; the loosending coefficient; water content
0 引 言
随着社会经济的发展，城市人口、规模快速扩张，城市汽车保有量大幅增加，交通拥堵已经成为了现代城市发展的重大瓶颈。而城市土地的越来越紧张，已经无法为城市道路的拓宽提供足够的土地供应，发展公共交通特别是轨道交通成为必选。城市地下轨道交通和城市越江隧道的建设和利用成为城市可持续发展的重要方向，为解决城市交通拥堵提供了新的解决途径。但是在建筑物密集的市区，施工场地狭小、道路不能完全封闭等城市环境因素存在，传统的施工方法已经不能适应这种地下交通的建设。在这种情况下，对城市居民生活和日常出行影响很小的施工工法，盾构工法受到了越来越多的关注，并且在地铁施工领域已经有了较为广泛的使用[1]。而盾构法以其地层适应性强、施工速度快、对周边环境影响小，施工较为安全而在城市轨道交通建设中得到广泛应用。在目前采用的盾构工法中，应用最多的是土压平衡式盾构。因为土压平衡盾构施工成本低、出土效率比较高、适用的地层广泛，施工场地小。
在盾构施工过程中，需要严格注意开挖的土量，不能有较大超挖，否则会在地层中产生空洞，导致地面出现较大沉降[2]，引起地面建筑物发生开裂或者坍塌，当超挖严重时则会引起地面坍塌，造成安全危险，带来严重的经济损失[3]。因此在盾构施工中需要严格对每环的挖排土量进行有效监测，避免超挖情况带来损失。
盾构施工由于其能够有效降低对周围环境的影响，特别适合城市中修建隧道，因此在我国地铁隧道建设中得到了广泛的应用。陈建（2005）[4]提出了土压平衡式盾构掘进过程中要进行排土量管理，主要采用激光扫描的方式进行排土量的管理，与实测的排土量误差在1%左右。胡国良（2008）等[5]介绍了土压平衡盾构螺旋输送机的工作原理,设计了一种采用比例反馈控制及蓄能器补油的盾构螺旋输送机液压系统，采用自整定PID控制技术实现了螺旋输送机的自动排土控制，有利于更好地控制舱内压力和开挖面的稳定。李守巨（2011）[6]提出了对盾构机掘进过程中的力学平衡问题进行了解析分析,建立了盾构机油缸推力与掘进阻力的平衡方程，并给出了通过控制螺旋排土器更加有利于保证舱内压力稳定。周冠南(2013)[7]提出了螺旋输送机的排土和保压作用的发挥对土压平衡盾构的施工安全与效率有重要影响，盾构施工中压力平衡和挖排土量的平衡。
土压平衡式盾构掘进关键是要控制开挖面的支护压力要能够有效抵抗开挖面的土水压力，同时还要需要考虑挖排土量的平衡，尽量减少超挖[8,9]对周围环境的影响。
目前，在盾构施工过程中，一般可根据排出土量的方量，比如出渣斗数来控制排土量。但是由于盾构施工中为了改善渣土状态，通常需要掺入气泡剂或者掺入水使之达到“塑性流动状态”，因此，仅对渣土方量进行简单估算就存在较大的人为误差。
河海大学于2006年广州地铁6号线盾构施工时，提出了根据现场渣土车称量和渣土含水率测试，反算出渣土的干物质，然后与每环的理论开挖量的干物质进行比对，即可判断是否存在超挖以及超挖量情况,得到了工程单位的认可。但是由于需要使用起重吊车的磅秤进行称量渣土的重量，起重吊车的磅秤稳定性存在较大的问题，也给测试数据带来较大的误差。
为了提高渣土排土量测试精度和现场测试的便利性，本文希望可以通过统计每环出渣渣土的土体体积，同时引入松散系数[10]的概念，来对挖出的渣土的体积进行换算得到实际出渣体积[11]，对比理论出渣体积得到每环的超挖情况。在渣车中标注体积刻度后，盾构机出土的时候，渣车静止，此时读出渣车中的渣土体积较为精确，而且省时省力，同时取渣土样进行含水率测试，最后通过计算反推实际出渣量并与理论渣土量进行对比即可判断超挖情况。
1 渣土松散系数试验及分析
地层经过上亿年的地质作用，土体处于较为密实状态。盾构开挖会对原本密实的土体产生松动效应[12]，土体变得松散，体积变大[13]。采用松散系数k表征盾构机施工过程中对土体的扰动程度，使用开挖后的土体体积v2与开挖前的土体体积v1的比叫做松散系数，即：
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2 土压平衡式盾构挖排土量现场控制
广州地铁21号线18标盾构段起始于庄水村东侧朱村站，之后路继续沿广汕公路向东行进，途中经多个规划路口及暗渠，途径广州大学松田学院于盈园东侧设象岭站，广汕路两边一般为民居及商铺等民用建筑，房屋较密集，多为二至六层高建筑物。隧道上覆土地层很薄，最小仅为6.0m，小于1D（D为隧道直径），属于典型的超浅覆土施工，盾构施工如果控制不当，将对地层扰动影响非常明显，如果出现较大超挖就会进一步加剧对地层扰动的影响，甚至造成地面坍塌。因此在施工过程中需要严格监控每环超挖情况。
现场施工时，在渣土排入渣车过程中，对已放入渣车的渣土体积进行统计，得到每环的出渣量。
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在渣车中随机位置选择渣土取样，进行含水率与密度的实验测定：
1）测定盛放渣样的容器质量；
2）测定渣样质量；
3）将渣样放入烘箱中完全烘干；
4）测定烘干后渣土质量；
5）测试取样罐的体积；
6）测试取样罐的渣土质量；
7）计算该环施工时松散系数以及该环的超挖率。
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通过对工程右线310环-390环随机环的渣土含水情况以及松散系数进行测定如下：
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对310-390环随机环号的超挖情况实测如表1所示。
表1 310环-390环随机环取样渣土松散系数测定与超挖情况
Tab1.Determination of Loose Coefficient and Overshooting of Sediment in 310 Ring - 390 Ring
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通过以上计算分析可知，右线盾构310-390环掘进时，施工超挖量控制非常好，基本2m3之内，超挖率在5%以内。少量超挖，完全可以通过适当增加同步注浆量来减少地层损失带来的地面沉降，将地面沉降控制在安全范围之内。地面沉降如图10所示。
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3 土压盾构排土量控制讨论
土压平衡式盾构强调的平衡应该有两方面的含义：一是在开挖面上建立支护压力平衡开挖面上的土水压力；二是盾构掘进过程中每环的实际排土量与理论排土量应基本一致。实际工程经常出现的是，在开挖面上建立了压力平衡的前提下，地表仍然出现了较大沉降，导致监测报警出现。这就是因为挖排土量不平衡导致的结果，因此盾构施工现场应加强挖排土量的统计和分析。
现场施工中一般根据体积测算来确定排土体积，然而通常情况下地层中的土体开挖以后都存在一定的松散性，其体积有明显增加，如何快速测量是统计渣土准确性的关键指标。同时，由于盾构施工过程中一般都需要对开挖渣土进行一定的改良，需要掺入膨润土泥浆和泡沫，一时之达到良好的流塑性状态，便于渣土顺利排出时在开挖面上建立起稳定的支护压力，以保持开挖面的稳定。泡沫在土重存在的时间较短，且没有重量可以忽略不计；膨润土泥浆则需要在现场统计掺入量和膨水比或泥浆密度，计算出每环掘进过程掺入的膨润土干质量。
由于盾构开挖的渣土存在大量的水，包括地下水，施工过程中掺入的水和泥浆中水，所以进行排土量统计的时，应该扣除所有的水（需要准确掌握地勘报告中的盾构穿越地层的干密度、现场烘干试验测试现场渣土的含水率），按照土的干质量进行对比分析，将能确保排土量的精度，也就能够准确计算盾构掘进过程中每环的超挖率，从而有利于把握盾构掘进的安全。
现场如何精确测量每环排出来渣土的总质量或总体积也是渣土统计中的重要工作。总质量可以通过渣土车吊车称量，需要吊车上安装的称满足相关精度的要求。总体积的测量则需要在渣土车侧边上做体积量的记号，并在现场对每辆渣土车做体积记录。
进行含水率试验时取样应在皮带上取样，每环至少取3次样，以确保试验测试数据的准确性。渣土车装满土样后，表面往往有析出来的水，而且渣土密度沿深度的分布都会有一定的差别，不建议在渣土车表面取样。
4 结 论
通过以上分析可知：
（1）引入松散系数的概念，对排出渣土体积进行反算推出渣土的实际开挖量，并与理论开挖量进行对比确定是否存在超挖以及超挖率的方法，是一种精度较高、工作量较少的一种有效可靠方法，便于盾构施工现场进行螺旋排土器渣土的控制。
（2）松散系数测量方法，对渣土进行取样时，为了减少人为误差，应在渣土传输带上进行渣土取样。渣土含水率和干密度称量时，应该进行三个以上试样测定然后取平均值。
（3）为了便于渣土体积精确测量，在渣土车中增加体积刻度标识有利于提高对渣土体积统计的精度。
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