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摘要：郑州市4号线龙湖段市政配套工程盾构区间三次穿越龙湖，龙湖湖水深度7.0m，盾构区间最小覆土约6.0m。区间穿越土层主要为2-4细砂层、3-4细砂层与3-5中砂层，土层含水量高，渗透性高，采用常规的土压平衡盾构机施工存在较大风险。
关键词：盾构施工;富水砂层;盾构穿湖
1工程概况
郑州市轨道交通4号线龙湖段市政配套工程有3座区间下穿龙湖，分别为：龙湖内环路站～龙湖岛站区间、龙湖岛站～副CBD内环路站区间、副CBD内环路站～鑫融路站区间。根据野外钻探编录资料，本盾构区间穿越土层主要为：2-4细砂，3-4细砂，以及3-5中砂。
区间的主要参数见下表：
表1 区间参数表
序号
区间名称
区间最小覆土（m）
区间穿湖长度（m）
1
龙湖内环路站～龙湖岛站区间
6
335
2
龙湖岛站～副CBD内环路站区间
6
450
3
副CBD内环路站～鑫融路站区间
5.8
110
2土压平衡盾构在软土、砂层掘进的风险
土压平衡盾构机盾头与刀盘间设有密封隔板，可与开挖面土层形成一个密封的泥土舱，并在掘进时通过调整推进油缸的顶进速度、控制开挖量及出土量等措施调控土舱压力来平衡工作面的水土压力，从而保持掌子面土层稳定。
当出土螺旋输送器打开时，土仓的压力会出现损失与下降。如果工作面的岩、土层性能较好自稳能力又较强时，土仓压力将出现短暂损失，但围岩仍能维持稳定，掌子面不会出现坍塌，地面也不会出现较大的沉陷。
即使工作面岩土层物理力学指标较差，如仍具有一定的粘结性能时，尚可通过调整螺旋输送器排土量，尽量缩小排土时间，减少土仓压力损失量及损失时间，工作面岩土层虽有一定变形但仍能维持稳定，地面可能出现一定的沉降与变形，但不会出现坍塌。
但当工作面是稳定性较差的富水砂层、流塑状的淤泥时，螺旋出土器出土，那么盾构机土仓所剩余的压力无法与工作面水土压力平衡，掌子面的水土会涌入土仓，出现坍塌并引起地面较大的沉陷。因此采用适应于塑态土层和软质岩石中掘进的土压平衡盾构在流塑状淤泥、富水砂层中掘进，风险是比较大的。
龙湖湖水深度为7.0m，盾构区间最小覆土约6.0m。区间穿越土层主要为2-4细砂层、3-4细砂层与3-5中砂层，土层含水量高，渗透性高。当螺旋出土器出土时，盾构机土仓所剩余的压力无法与工作面水土压力平衡，掌子面的水土会涌入土仓，出现坍塌并引起地面较大的沉陷。盾构下穿湖底的区间总长度为895m，长距离的下穿龙湖，给盾构施工增添了风险。
3盾构机选型的依据
根据平衡开挖面土压与水压的不同原理，密闭式盾构机可分为土压平衡式盾构和泥水加压平衡式盾构两种。
根据国内的施工经验及工程实例，土压平衡式盾构与泥水加压平衡式盾构的适用范围一般从以下几个方面分析：
1）渗透系数：
当渗透系数小于1.0×10-7m/s时，宜选用土压平衡盾构;
当渗透系数大于1.0×10-4m/s时，宜选用泥水加压平衡盾构;
当渗透系数大于1.0×10-7m/s，小于1.0×10-4m/s时，可选用土压平衡盾构或泥水盾构。
2）地下水压：
当水压大于0.3MPa时，宜选用泥水加压平衡盾构;
当水压小于0.3MPa时，宜选用土压平衡盾构。
3）颗粒级配：
一般来说，当岩土中的粉粒、黏粒的总量小于40%时，通常采用泥水加压平衡盾构，相反采用土压盾构。
4）施工场地及环境影响
土压平衡盾构始发场地一般为3000m2～5000m2，始发需求空间相对较小。对周边环境影响较小。
泥水平衡盾构机施工场地一般为8000m2～10000m2。施工过程会产生大量泥浆，对周边环境影响较大。
4加泥型土压平衡盾构的工作特点
经技术分析比较，龙湖区域的地层多为细砂、中砂等砂层。区域内水位高且渗透系数大，3-5中砂层为高透水层，渗透系数达1.7×10-4m/s。全断面穿越渗透性高、水压力大的砂层，易发生喷涌、盾尾漏水等问题。采用泥水加压平衡盾构更易保证工程安全。
但龙湖段地质又有自己的特点，3-4细砂与3-5中砂，其标贯值分别为47、54，为密实性固结砂层，具有一定的自稳能力，可通过加强土压平衡盾构机的洞内控制，以保证掌子面的稳定。土压平衡盾构机通过添加高分子聚合物、膨润土等材料，实现砂土改良，提高土体的止水性、流动性、可塑性;通过加强盾尾刷的检修和盾尾油脂的注入，保证盾尾密封效果，防止盾尾冒浆、漏水。施工过程中，加强同步注浆、二次注浆，及时封闭管片与土体开挖面的空隙，防止形成水路和产生地面沉降。
近年来，随着国内外土压平衡盾构技术的发展，土压平衡盾构的适应地层越来越广，过江、河、湖泊的工程实例越来越多。土压平衡盾构与泥水加压平衡盾构相比，具有占用施工场地小，污染小，对周边环境影响较小，且工程造价低的优势。
“加泥土压平衡盾构机”就是为满足在复杂地层条件下可调整盾构机的掘进模式而构思的。它采用两种出土系统进行出土，使土仓可按工程地质条件的变化而改变出土模式：当线路中存在部分高水压、高渗透性地层时，盾构机的出土系统可由螺旋输送机出渣改为由柱塞泵输送开挖下来的渣土，以避免螺旋输送器的喷涌和开挖面上方的坍方。这种“双出土系统”可使加泥型土压平衡盾构机适用复杂的地质条件。
加泥型土压平衡盾构机在施工过程中还可通过加强管片同步注浆与二次注浆防止后喷涌，通过注入碴土改良材料改善土仓碴土性能，控制前喷涌。鉴于加泥型土压平衡盾构机的特点，最终经各地专家多方论证后认为在4号线龙湖区域可以采用加泥型土压平衡盾构机。
5结语
采用土压平衡盾构在富水砂层中掘进时要满足掌子面的水土压力平衡，减少地面的沉降，最主要的措施是：根据工程地质和水文地质条件选择合适的土仓压力参数并严格控制压力波动范围，维持掌子面的稳定性;严格控制出土量与掘进量相匹配，禁止超量出土。“加泥土压平衡盾构机”可在复杂地层条件下调整盾构机的掘进模式，在郑州4号线穿龙湖段区间富水砂层中可以使用。
参考文献：
[1]李凤远.盾构选型和关键参数选择讨论[J].建筑机械化，2008（8）：40-43
[2]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.
[3]李昀;张子新.泥浆渗透对盾构开挖面稳定性的影响研究[J].地下空间与工程学报，2014（04）.
[4]周洪波佳.地铁盾构法隧道工程建设风险识别与应对[J].地下空间与工程学报，2006（03）.
关键词：盾构施工;富水砂层;盾构穿湖
1工程概况
郑州市轨道交通4号线龙湖段市政配套工程有3座区间下穿龙湖，分别为：龙湖内环路站～龙湖岛站区间、龙湖岛站～副CBD内环路站区间、副CBD内环路站～鑫融路站区间。根据野外钻探编录资料，本盾构区间穿越土层主要为：2-4细砂，3-4细砂，以及3-5中砂。
区间的主要参数见下表：
表1 区间参数表
序号
区间名称
区间最小覆土（m）
区间穿湖长度（m）
1
龙湖内环路站～龙湖岛站区间
6
335
2
龙湖岛站～副CBD内环路站区间
6
450
3
副CBD内环路站～鑫融路站区间
5.8
110
2土压平衡盾构在软土、砂层掘进的风险
土压平衡盾构机盾头与刀盘间设有密封隔板，可与开挖面土层形成一个密封的泥土舱，并在掘进时通过调整推进油缸的顶进速度、控制开挖量及出土量等措施调控土舱压力来平衡工作面的水土压力，从而保持掌子面土层稳定。
当出土螺旋输送器打开时，土仓的压力会出现损失与下降。如果工作面的岩、土层性能较好自稳能力又较强时，土仓压力将出现短暂损失，但围岩仍能维持稳定，掌子面不会出现坍塌，地面也不会出现较大的沉陷。
即使工作面岩土层物理力学指标较差，如仍具有一定的粘结性能时，尚可通过调整螺旋输送器排土量，尽量缩小排土时间，减少土仓压力损失量及损失时间，工作面岩土层虽有一定变形但仍能维持稳定，地面可能出现一定的沉降与变形，但不会出现坍塌。
但当工作面是稳定性较差的富水砂层、流塑状的淤泥时，螺旋出土器出土，那么盾构机土仓所剩余的压力无法与工作面水土压力平衡，掌子面的水土会涌入土仓，出现坍塌并引起地面较大的沉陷。因此采用适应于塑态土层和软质岩石中掘进的土压平衡盾构在流塑状淤泥、富水砂层中掘进，风险是比较大的。
龙湖湖水深度为7.0m，盾构区间最小覆土约6.0m。区间穿越土层主要为2-4细砂层、3-4细砂层与3-5中砂层，土层含水量高，渗透性高。当螺旋出土器出土时，盾构机土仓所剩余的压力无法与工作面水土压力平衡，掌子面的水土会涌入土仓，出现坍塌并引起地面较大的沉陷。盾构下穿湖底的区间总长度为895m，长距离的下穿龙湖，给盾构施工增添了风险。
3盾构机选型的依据
根据平衡开挖面土压与水压的不同原理，密闭式盾构机可分为土压平衡式盾构和泥水加压平衡式盾构两种。
根据国内的施工经验及工程实例，土压平衡式盾构与泥水加压平衡式盾构的适用范围一般从以下几个方面分析：
1）渗透系数：
当渗透系数小于1.0×10-7m/s时，宜选用土压平衡盾构;
当渗透系数大于1.0×10-4m/s时，宜选用泥水加压平衡盾构;
当渗透系数大于1.0×10-7m/s，小于1.0×10-4m/s时，可选用土压平衡盾构或泥水盾构。
2）地下水压：
当水压大于0.3MPa时，宜选用泥水加压平衡盾构;
当水压小于0.3MPa时，宜选用土压平衡盾构。
3）颗粒级配：
一般来说，当岩土中的粉粒、黏粒的总量小于40%时，通常采用泥水加压平衡盾构，相反采用土压盾构。
4）施工场地及环境影响
土压平衡盾构始发场地一般为3000m2～5000m2，始发需求空间相对较小。对周边环境影响较小。
泥水平衡盾构机施工场地一般为8000m2～10000m2。施工过程会产生大量泥浆，对周边环境影响较大。
4加泥型土压平衡盾构的工作特点
经技术分析比较，龙湖区域的地层多为细砂、中砂等砂层。区域内水位高且渗透系数大，3-5中砂层为高透水层，渗透系数达1.7×10-4m/s。全断面穿越渗透性高、水压力大的砂层，易发生喷涌、盾尾漏水等问题。采用泥水加压平衡盾构更易保证工程安全。
但龙湖段地质又有自己的特点，3-4细砂与3-5中砂，其标贯值分别为47、54，为密实性固结砂层，具有一定的自稳能力，可通过加强土压平衡盾构机的洞内控制，以保证掌子面的稳定。土压平衡盾构机通过添加高分子聚合物、膨润土等材料，实现砂土改良，提高土体的止水性、流动性、可塑性;通过加强盾尾刷的检修和盾尾油脂的注入，保证盾尾密封效果，防止盾尾冒浆、漏水。施工过程中，加强同步注浆、二次注浆，及时封闭管片与土体开挖面的空隙，防止形成水路和产生地面沉降。
近年来，随着国内外土压平衡盾构技术的发展，土压平衡盾构的适应地层越来越广，过江、河、湖泊的工程实例越来越多。土压平衡盾构与泥水加压平衡盾构相比，具有占用施工场地小，污染小，对周边环境影响较小，且工程造价低的优势。
“加泥土压平衡盾构机”就是为满足在复杂地层条件下可调整盾构机的掘进模式而构思的。它采用两种出土系统进行出土，使土仓可按工程地质条件的变化而改变出土模式：当线路中存在部分高水压、高渗透性地层时，盾构机的出土系统可由螺旋输送机出渣改为由柱塞泵输送开挖下来的渣土，以避免螺旋输送器的喷涌和开挖面上方的坍方。这种“双出土系统”可使加泥型土压平衡盾构机适用复杂的地质条件。
加泥型土压平衡盾构机在施工过程中还可通过加强管片同步注浆与二次注浆防止后喷涌，通过注入碴土改良材料改善土仓碴土性能，控制前喷涌。鉴于加泥型土压平衡盾构机的特点，最终经各地专家多方论证后认为在4号线龙湖区域可以采用加泥型土压平衡盾构机。
5结语
采用土压平衡盾构在富水砂层中掘进时要满足掌子面的水土压力平衡，减少地面的沉降，最主要的措施是：根据工程地质和水文地质条件选择合适的土仓压力参数并严格控制压力波动范围，维持掌子面的稳定性;严格控制出土量与掘进量相匹配，禁止超量出土。“加泥土压平衡盾构机”可在复杂地层条件下调整盾构机的掘进模式，在郑州4号线穿龙湖段区间富水砂层中可以使用。
参考文献：
[1]李凤远.盾构选型和关键参数选择讨论[J].建筑机械化，2008（8）：40-43
[2]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.
[3]李昀;张子新.泥浆渗透对盾构开挖面稳定性的影响研究[J].地下空间与工程学报，2014（04）.
[4]周洪波佳.地铁盾构法隧道工程建设风险识别与应对[J].地下空间与工程学报，2006（03）.