砂卵石地层矩形盾构顶掘土压平衡建立施工方法技术领域
本发明属于建筑施工技术领域，特别涉及一种砂卵石地层矩形盾构顶掘土压平衡
建立施工方法。
背景技术
砂卵石地层矩形盾构顶掘施工过程中，在矩形盾构顶掘机掘进前及掘进中，都需
要维持通道内土压的平衡，否则容易发生路面沉降和路面塌陷的可能性。
以成都市四川大学地下停车场下穿人民南路矩形盾构顶掘人行通道工程为依托，
成都市四川大学地下停车场下穿人民南路矩形盾构顶掘人行通道主要从卵石层中穿过，成
都市人民南路三段砂卵石地层卵石含量高，在矩形盾构顶掘机掘进时地层中容易出现空
隙，甚至是空洞，需要采取有效的填补措施来维持洞内土压平衡，以保证施工的正常进行。
因此针对该砂卵石地层，在矩形盾构顶掘施工过程中土压平衡的建立，对于整个通道的施
工是至关重要的。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够有效维持掘进过程中的
土压平衡，确保掘进工作正常进行的砂卵石地层矩形盾构顶掘土压平衡建立施工方法。
本发明的技术方案是这样实现的：砂卵石地层矩形盾构顶掘土压平衡建立施工方
法，其特征在于：包括以下步骤：
a）、对于砂卵石地层土体的分析，所述砂卵石地层包括卵石层和砂土层，所述卵石层的
土体中，稍密卵石层的卵石含量为55%～60%，粒径为3 mm～5mm，中密卵石层的卵石含量为
60%～70%，粒径为4 mm～5mm，密实卵石层的卵石含量大于70%，粒径为5 mm～8mm；所述砂土
层的土体中，细砂层的层厚为1.5m～2.7m，中砂层的层厚为0.8m～1.1m，所述细砂层和中砂
层均由长石、石英及砂岩的硬质颗粒组成；
b）、针对上述砂卵石地层的特有组成结构，制备黏土，所述黏土由钙基膨润土、聚丙烯
酰胺以及水组成，其中钙基膨润土的质量百分比为60%～65%，聚丙烯酰胺的质量百分比为
0.3%～0.6%，其余为水；
c）、在矩形盾构顶掘机掘进过程中，上述制备的黏土通过混凝土管节上预留的置换注
浆孔以及盾构顶掘机盾壳上的预留孔注入地层，注入的范围包括盾构顶掘机自身及其后方
混凝土管节，盾构顶掘机通过前盾和盾壳顶部的预留孔注入，后方混凝土管节通过置换注
浆孔注入，所述黏土根据土压力传感器和路面沉降情况，确定注入位置和注入量。
本发明所述的砂卵石地层矩形盾构顶掘土压平衡建立施工方法，其在所述步骤c）
中，通过顶推油缸将放置于始发架上的混凝土管节顶入地层中，在所述混凝土管节上、沿其
径向设置有多个置换注浆孔，所述多个置换注浆孔沿混凝土管节周向按一定间距分布，所
述置换注浆孔贯穿混凝土管节的内、外侧环面，在所述混凝土管节被顶入过程中，所述黏土
通过通道内的打土泵将上述制备的黏土经与置换注浆孔连接的管路注入到混凝土管节外
周的地层。
本发明所述的砂卵石地层矩形盾构顶掘土压平衡建立施工方法，其在新的混凝土
管节拼装完成之后，正常掘进开始之前，如果土压力值无法达到正常掘进的要求，则需要从
盾构顶掘机的前盾预留孔中向相应的位置注入黏土，在掘进过程中每出一次渣，观察土压
力值是否达到土压平衡的条件，再决定是否注入黏土，每次注入黏土量由土压传感器显示
的数值决定，注入黏土直到达到土压平衡的条件。
本发明所述的砂卵石地层矩形盾构顶掘土压平衡建立施工方法，其所述矩形盾构
顶掘机始发前，在洞门处设置有始发前土压平衡建立系统，所述始发前土压平衡建立系统
包括洞门密封装置和洞门填仓孔，所述洞门密封装置设置在洞门的洞口边缘部分，所述洞
门填仓孔设置在洞门环梁内，且所述洞门填仓孔的进口端位于洞门外上方，其出口端位于
洞内，在矩形盾构顶掘机始发前，所述矩形盾构顶掘机的前端部置于洞门内，所述矩形盾构
顶掘机的壳体与洞门密封装置紧密配合，使所述矩形盾构顶掘机的壳体与周围地层之间以
及开挖掌子面与土仓之间的空隙形成相对密封状态，通过洞门填仓孔注入黏土填充所述空
隙而建立土压。
本发明所述的砂卵石地层矩形盾构顶掘土压平衡建立施工方法，其在所述洞门填
仓孔内设置有灌注管，通过所述灌注管向洞内注入黏土，在所述灌注管与洞门填仓孔之间
的环隙内填充有密封件进行封堵。
本发明所述的砂卵石地层矩形盾构顶掘土压平衡建立施工方法，其所述洞门密封
装置包括预埋钢板、橡胶板以及压板，所述预埋钢板设置在洞门环梁内，若干块橡胶板沿洞
口边缘布置构成帘布式结构，每个橡胶板的外端部通过压板与预埋钢板连接固定，所述橡
胶板的内端部向内侧延伸，所述若干块橡胶板形成的开口尺寸小于洞门的洞口尺寸，当所
述矩形盾构顶掘机的前端部置于洞门内时，所述橡胶板的内端部沿矩形盾构顶掘机运行方
向弯折，并与矩形盾构顶掘机的壳体配合形成密封。
本发明所述的砂卵石地层矩形盾构顶掘土压平衡建立施工方法，其在所述压板上
设置有折页式密封压板，所述折页式密封压板包括固定连接在压板上的固定板以及与固定
板铰接的翻板，所述翻板位于橡胶板向内侧延伸段的外侧面，当所述矩形盾构顶掘机的前
端部置于洞门内时，所述翻板沿矩形盾构顶掘机运行方向弯折，并将弯折的橡胶板压住，以
使橡胶板在受到洞内黏土外流压力时而不会外翻。
本发明针对特定状况下的砂卵石地层结构，在矩形盾构顶掘机始发前及掘进中，
向矩形盾构顶掘机盾壳及管节周围的地层注入制备的黏土，填充掘进过程中产生的地层空
隙，从而维持掘进过程中的土压平衡，以减小路面沉降的可能，保证施工的安全。
本发明的有益效果是：
1、维持掘进过程中的土压平衡，确保掘进工作正常进行。
2、填充掘进过程中产生的地层空隙，能够有效控制地面沉降，避免出现地面垮塌、
沉陷。
3、如果掘进过程中，盾构顶掘机姿态发生较大偏差，可以通过注入黏土进行纠偏。
附图说明
图1是本发明中在洞门处设置的始发前土压平衡建立系统的结构示意图。
图2是始发前土压平衡建立系统中洞门密封装置的结构示意图。
图中标记：1为洞门密封装置，2为洞门填仓孔，3为洞门，4为洞门环梁，5为预埋钢
板，6为橡胶板，7为压板，8为固定板，9为翻板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。
实施例：一种砂卵石地层矩形盾构顶掘土压平衡建立施工方法，包括以下步骤：
a）、对于砂卵石地层土体的分析，所述砂卵石地层包括卵石层和砂土层，所述卵石层的
土体中，稍密卵石层的卵石含量为55%～60%，粒径为3 mm～5mm，天然重度γ为20.5 kN/m3，
变形模量Eo为20～26 Mpa，内摩擦角Φ为30°～37°，承载力特征值fak为300-350 kPa；中密
卵石层的卵石含量为60%～70%，粒径为4 mm～5mm，天然重度γ为21.0 kN/m3，变形模量Eo
为30～36 Mpa，内摩擦角Φ为40°～45°，承载力特征值fak为500～560 kPa；密实卵石层的卵
石含量大于70%，粒径为5 mm～8mm，天然重度γ为22.0 kN/m3，变形模量Eo为42～50 Mpa，
内摩擦角Φ为42°～47°，承载力特征值fak为800～880 kPa；所述砂土层的土体中，细砂层的
层厚为1.5m～2.7m，天然重度γ为18.5 kN/m3，变形模量Eo为6～9 Mpa，内摩擦角Φ为18°
～23°，承载力特征值fak为90～100 kPa；中砂层的层厚为0.8m～1.1m，天然重度γ为19.0
kN/m3，变形模量Eo为7～10 Mpa，内摩擦角Φ为19°～24°，承载力特征值fak为110～120
kPa，所述细砂层和中砂层均由长石、石英及砂岩的硬质颗粒组成。
b）、针对上述砂卵石地层的特有组成结构，制备黏土，所述黏土由钙基膨润土、聚
丙烯酰胺以及水组成，其中钙基膨润土的质量百分比为60%～65%，聚丙烯酰胺的质量百分
比为0.3%～0.6%，其余为水。在本实施例中，所述黏土的制备采用质量百分比为62%的钙基
膨润土以及质量百分比为0.4%的聚丙烯酰胺，其余为水。
c）、在矩形盾构顶掘机掘进过程中，上述制备的黏土通过混凝土管节上预留的置
换注浆孔以及盾构顶掘机盾壳上的预留孔注入地层，注入的范围包括盾构顶掘机自身及其
后方混凝土管节，盾构顶掘机通过前盾和盾壳顶部的预留孔注入，后方混凝土管节通过置
换注浆孔注入，所述黏土根据土压力传感器和路面沉降情况，确定注入位置和注入量。例
如，在矩形盾构顶掘机掘进过程中，某个地方沉陷了几公分，就向对应的地方注入黏土，沉
陷的地方就能恢复。
在所述步骤c）中，通过顶推油缸将放置于始发架上的混凝土管节顶入地层中，在
所述混凝土管节上、沿其径向设置有多个置换注浆孔，所述多个置换注浆孔沿混凝土管节
周向按一定间距分布，所述置换注浆孔贯穿混凝土管节的内、外侧环面，所述多个置换注浆
孔设置在对应混凝土管节的轴向中部位置，在所述混凝土管节被顶入过程中，所述黏土通
过通道内的打土泵将上述制备的黏土经与置换注浆孔连接的管路注入到混凝土管节外周
的地层。
其中，在新的混凝土管节拼装完成之后，正常掘进开始之前，如果土压力值无法达
到正常掘进的要求，则需要从盾构顶掘机的前盾预留孔中向相应的位置注入黏土，在掘进
过程中每出一次渣，观察土压力值是否达到土压平衡的条件，再决定是否注入黏土，每次注
入黏土量由土压传感器显示的数值决定，注入黏土直到达到土压平衡的条件。
如图1所示，所述矩形盾构顶掘机始发前，在洞门处设置有始发前土压平衡建立系
统，所述始发前土压平衡建立系统包括洞门密封装置1和洞门填仓孔2，所述洞门密封装置1
设置在洞门3的洞口边缘部分，所述洞门填仓孔2设置在洞门环梁4内，且所述洞门填仓孔2
的进口端位于洞门3外上方，其出口端位于洞内，所述洞门填仓孔的孔径为Φ110mm，在所述
洞门填仓孔2内设置有外侧带阀门的Φ60mm的灌注管，所述灌注管从外侧斜伸入洞内，长度
约为3m，在所述灌注管与洞门填仓孔2之间的环隙内填充有密封件进行封堵，在矩形盾构顶
掘机始发前，盾构顶掘设备调试完成，空载运行正常后，将设备推进洞门内距掌子面10cm左
右，即所述矩形盾构顶掘机的前端部置于洞门3内，所述矩形盾构顶掘机的壳体与洞门密封
装置1紧密配合，使所述矩形盾构顶掘机的壳体与周围地层之间以及开挖掌子面与土仓之
间的空隙形成相对密封状态，通过洞门填仓孔2内设置的灌注管向洞内注入黏土，以填充所
述空隙而建立土压。
如图2所示，所述洞门密封装置1包括预埋钢板5、橡胶板6以及压板7，所述预埋钢
板5设置在洞门环梁4内，若干块橡胶板6沿洞口边缘布置构成帘布式结构，每个橡胶板6的
外端部通过压板7与预埋钢板5连接固定，所述橡胶板6的内端部向内侧延伸，所述若干块橡
胶板6形成的开口尺寸小于洞门3的洞口尺寸，当所述矩形盾构顶掘机的前端部置于洞门3
内时，所述橡胶板6的内端部沿矩形盾构顶掘机运行方向弯折，并与矩形盾构顶掘机的壳体
配合形成密封。
其中，在所述压板7上设置有折页式密封压板，所述折页式密封压板包括固定连接
在压板7上的固定板8以及与固定板8铰接的翻板9，所述翻板9位于橡胶板6向内侧延伸段的
外侧面，当所述矩形盾构顶掘机的前端部置于洞门3内时，所述翻板9沿矩形盾构顶掘机运
行方向弯折，并将弯折的橡胶板6压住，以防止橡胶板在受到洞内黏土压力时而外翻，而出
现黏土外流的现象。
在矩形盾构顶掘机始发前，将拌制好的填仓黏土通过填仓孔注入，黏土填充顶掘
机壳体与周围地层之间的空隙以及开挖掌子面和土仓之间的空隙，观察顶掘机各部位压力
传感器显示的数值达到要求时，说明始发前的土压平衡建立完毕，可以进行正式掘进。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。