復(fù)合黏土混合漿液泥膜護(hù)壁在強(qiáng)透氣透水地層帶壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用

劉 光， 徐萬(wàn)春， 金 平

(1.中鐵四局集團(tuán)有限公司, 安徽合肥 230000; 2.中鐵四局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司, 安徽合肥 230022)

地鐵盾構(gòu)隧道施工中，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，尤其是卵石含量高、粒徑大的地層、軟硬相間混合地層中掘進(jìn)，易造成刀盤(pán)磨損，從而出現(xiàn)推力大、扭矩大、渣溫高、螺旋機(jī)出土不暢等狀況，需采取停機(jī)開(kāi)倉(cāng)檢查及更換刀具作業(yè)。盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)檢查及更換刀具的方式主要有常壓開(kāi)倉(cāng)和帶壓開(kāi)倉(cāng)兩種，常壓開(kāi)倉(cāng)一般都是在地層自穩(wěn)性非常好、地層滲透性小的環(huán)境下進(jìn)行；帶壓開(kāi)倉(cāng)一般是針對(duì)地層自穩(wěn)性較差、地層滲透性較大的復(fù)雜地層環(huán)境下進(jìn)行，類(lèi)似全斷面砂層、富水?dāng)鄬悠扑閹?、礫卵石地層、裂隙發(fā)育巖層、上軟下硬地層或地表環(huán)境復(fù)雜的敏感地帶等。目前類(lèi)似工程領(lǐng)域建立泥膜主要采用的措施有土倉(cāng)注入膨潤(rùn)土形成泥膜法和采用衡盾泥建立泥膜法，但這些方法的使用針對(duì)復(fù)雜地層和敏感地表環(huán)境仍具有局限性：比如土倉(cāng)注入膨潤(rùn)土受限于泥膜的成膜性、強(qiáng)度、持久性及防水性；衡盾泥建立泥膜法受限工期及經(jīng)濟(jì)性。

因此為解決在強(qiáng)透氣、透水地層和敏感地表環(huán)境下，盾構(gòu)帶壓開(kāi)倉(cāng)保壓的安全、穩(wěn)定、持久且經(jīng)濟(jì)，創(chuàng)新性研制出一種采用復(fù)合黏土混合漿液建立泥膜保壓盾構(gòu)帶壓開(kāi)倉(cāng)的方法。

1 工程概況

廣深地區(qū)盾構(gòu)隧道穿越地層復(fù)雜、多變、混合等變異性特點(diǎn)，易造成滯排、噴涌、結(jié)泥餅、刀具磨損等困境，需進(jìn)行常壓或帶壓開(kāi)倉(cāng)處理。

深圳地鐵10號(hào)線福田口岸站—福民站區(qū)間雙沿線920 m長(zhǎng)度范圍，涉及上跨運(yùn)營(yíng)線路、下穿運(yùn)營(yíng)車(chē)站，下穿兩座居民小區(qū)4棟高層住宅樓，下穿兩處需進(jìn)行11次樁基托換的運(yùn)營(yíng)高速公路橋(圖1)；穿越斷面地層主要分為四大類(lèi)：I類(lèi)為上半部為中粗砂、下半部為卵石土；Ⅱ類(lèi)為上半部為卵石土、下半部為中、微風(fēng)化花崗巖；III類(lèi)為上半部為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，下半部為中、微風(fēng)化花崗巖；IV類(lèi)為全斷面中、微風(fēng)化花崗巖(圖2)。

針對(duì)此復(fù)雜區(qū)間，項(xiàng)目部將進(jìn)行十余次的帶壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)，更換四百余把刀具，多次清理泥餅等工作。

圖1 福田口岸站—福民站區(qū)間線路平面示意

圖2 福田口岸站—福民站區(qū)間地質(zhì)縱斷面

2 施工技術(shù)原理

采用復(fù)合黏土混合漿液建立泥膜,選用膨潤(rùn)土、高鈣材料(如消石灰)、復(fù)合黏土穩(wěn)定劑(如甲基纖維素)、水玻璃材料，按特定配合比(表1)拌制成的混合漿液，通過(guò)材料制作設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、盾構(gòu)機(jī)同步注漿系統(tǒng)、二次注漿設(shè)備、按照一定的工藝流程，將拌制物注入到盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)，通過(guò)注入填充及擠壓、置換渣土、轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)攪拌及擠壓、逐級(jí)后退刀盤(pán)在盾體外壁和盾構(gòu)開(kāi)挖掌子面前方建立有一定厚度、強(qiáng)度、防水性、持久性的保壓泥膜(圖3)。拌制及注入土倉(cāng)過(guò)程，漿液具有良好的和易性和粘附性，通過(guò)往土倉(cāng)中補(bǔ)充添加一定量的水玻璃經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢韬?，?huì)形成一定稠度、粘附性、防水性的復(fù)合黏土，通過(guò)開(kāi)啟保壓系統(tǒng)，逐步排除倉(cāng)內(nèi)復(fù)合黏土至便于人員進(jìn)倉(cāng)作業(yè)為止。在倉(cāng)內(nèi)空氣條件下，泥膜能持續(xù)發(fā)展強(qiáng)度。合格的復(fù)合黏土反應(yīng)時(shí)間為3～5 s，拌好后粘度高，揉捏無(wú)裂縫，遇水不散，水浸泡24 h后，水體微濁。

表1 復(fù)合黏土配合比與費(fèi)用

圖3 復(fù)合黏土用于泥膜護(hù)壁工藝效果

3 施工操作要點(diǎn)

施工工藝流程見(jiàn)圖4，具體分步說(shuō)明不作詳細(xì)展開(kāi)，施工操作過(guò)程中需要把握以下要點(diǎn)：

圖4 工藝流程

(1)計(jì)劃盾構(gòu)停機(jī)帶壓開(kāi)倉(cāng)前1～3環(huán)逐步釋放鉸接，將鉸接長(zhǎng)度伸出100～150 mm，為后續(xù)刀盤(pán)后退形成泥膜預(yù)留空間。

(2)利用地面砂漿攪拌站制作膨潤(rùn)土漿液(含有鈣基膨潤(rùn)土、鈉基膨潤(rùn)土、消石灰、纖維素)，每次制作量6 m3通過(guò)隧道電瓶車(chē)漿車(chē)運(yùn)至隧道內(nèi)，漿液進(jìn)隧道后在電瓶車(chē)漿車(chē)內(nèi)攪拌3 min，然后利用電瓶車(chē)漿車(chē)砂漿泵抽3 m3至盾構(gòu)機(jī)砂漿罐中，防止空間不夠，攪拌不均。在盾構(gòu)機(jī)同步注漿箱中添加設(shè)計(jì)量1/3體積的水玻璃，進(jìn)行充分?jǐn)嚢杈鶆蛐纬沙噬哉吵砀酄畹呐驖?rùn)土混合漿液(圖5)。

圖5 同步注漿系統(tǒng)及攪拌液狀態(tài)

(3)根據(jù)注入土倉(cāng)膨潤(rùn)土混合漿液總量，核算需補(bǔ)充注入剩余2/3體積的水玻璃用量，采取二次注漿機(jī)間歇性補(bǔ)充注入水玻璃形成復(fù)合黏土混合漿液；觀察土倉(cāng)壓力變化，扭矩波動(dòng)情況；如若土倉(cāng)壓力和扭矩相對(duì)穩(wěn)定，維持時(shí)間不少于1 h，即可啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)排出少量復(fù)合黏土混合漿液，取樣檢測(cè)性狀，如符合要求則進(jìn)行下一道工序，如不符合則重復(fù)上步操作(圖6)。

圖6 復(fù)合黏土混合漿液

(4)盾構(gòu)機(jī)砂漿罐內(nèi)儲(chǔ)備膨潤(rùn)土混合漿液4 m3，開(kāi)啟保壓系統(tǒng)，逐級(jí)退刀盤(pán)(每次控制在3～4 cm)，邊退刀盤(pán)邊注入膨潤(rùn)土混合漿液和設(shè)定配比剩余2/3體積的水玻璃。每級(jí)退刀盤(pán)完成后啟動(dòng)刀盤(pán)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0.5 r/min，刀盤(pán)同方向轉(zhuǎn)動(dòng)2 h，形成一級(jí)保壓泥膜，停機(jī)1 h觀察土壓壓力變化速率，相對(duì)穩(wěn)定(盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)設(shè)定壓力上下波動(dòng)幅度控制在0.04 MPa/h)后即可進(jìn)入下級(jí)退刀盤(pán)。依次循環(huán)形成約10 cm厚的保壓泥膜。

(5)出土置換后，觀察土倉(cāng)壓力變化情況，時(shí)間不少于1 h，同時(shí)保壓系統(tǒng)打開(kāi)，刀盤(pán)不轉(zhuǎn)，每10 min測(cè)一次空壓機(jī)加卸載情況；若加載時(shí)間小于卸載時(shí)間，證明泥膜質(zhì)量滿足要求，土倉(cāng)保氣性良好；加載時(shí)間小于卸載時(shí)間差值越大，表明掌子面穩(wěn)定性、泥膜質(zhì)量越好。若加載時(shí)間大于等于卸載時(shí)間，則證明泥膜建立失敗，需重新建立泥膜(圖7)。

圖7 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)掌子面泥膜效果

4 應(yīng)用效果

4.1 成功率高

深圳地鐵10號(hào)線項(xiàng)目部進(jìn)行了16次帶壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)，5次常壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)；共計(jì)更換396把單刃滾刀、77把雙刃滾刀、38把刮刀，清理泥餅2次。采取復(fù)合黏土混合漿液建立泥膜保壓開(kāi)倉(cāng)15次，成功14次，失敗1次。

4.2 節(jié)約成本

采用復(fù)合黏土混合漿液材料價(jià)為791元/m3，衡盾泥材料價(jià)為3 350元/m3，實(shí)施過(guò)程衡盾泥生產(chǎn)廠家現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)費(fèi)80 000元/次。結(jié)合盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)容積及周邊地層松散空隙，渣土置換及制作約10 cm泥膜過(guò)程需往土倉(cāng)內(nèi)注入約35 m3混合液；采用復(fù)合黏土混合漿液建立泥膜，帶壓開(kāi)倉(cāng)的材料費(fèi)約為27 685元；而采用衡盾泥建立泥膜，帶壓開(kāi)倉(cāng)的材料費(fèi)約為117 250元，技術(shù)指導(dǎo)費(fèi)80 000元。對(duì)比每次帶壓開(kāi)倉(cāng)可節(jié)約169 565元。

4.3 縮短工期

采用復(fù)合黏土混合漿液建立泥膜，正常需要1.5～2.5 d時(shí)間；采用衡盾泥建立泥膜，正常需要2.5～3.5 d時(shí)間。對(duì)比每次可節(jié)約1 d工期。

通過(guò)此方法建立的保壓泥膜，具有成膜性好、粘性大、穩(wěn)定性強(qiáng)以及強(qiáng)度高、隔水性和持久性好的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜地層和敏感地表環(huán)境下，連續(xù)帶壓開(kāi)倉(cāng)檢查及更換刀具作業(yè)。本方法成功應(yīng)用于廣佛城際φ8.8 m大盾構(gòu)、廈門(mén)地鐵等類(lèi)似工況下的帶壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)；且此配比的材料可用于盾構(gòu)下穿建筑物的沉降控制，例如合肥地鐵5號(hào)線下穿既有地鐵、昆明地鐵4號(hào)線下穿既有地鐵、嘉興配水下穿既有民房、深圳地鐵10號(hào)線下穿既有居民小區(qū)；不僅如此，此配置的材料還可用于盾構(gòu)接收注漿止水，例如杭州地鐵5號(hào)線13標(biāo)段。本方法具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文依托深圳地鐵10號(hào)線福田口岸站—福民站區(qū)間近距離連續(xù)上跨下穿多種建構(gòu)筑物工程，利用復(fù)合黏土混合漿液泥膜護(hù)壁工藝進(jìn)行了帶壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)。復(fù)合黏土混合漿液建立的泥膜是選用膨潤(rùn)土、高鈣材料(如消石灰)、復(fù)合黏土穩(wěn)定劑(如甲基纖維素)、水玻璃材料，按特定配合比拌制成的混合漿液，應(yīng)用實(shí)踐證明，采用復(fù)合黏土混合漿液泥膜護(hù)壁不僅可以有效保證強(qiáng)透氣透水地層中帶壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)的安全性，還可提高開(kāi)倉(cāng)作業(yè)效率，縮短工期，節(jié)約成本。