盾構(gòu)法壓氣作業(yè)半倉(cāng)置換施工技術(shù)研究與應(yīng)用

程楚慧 曾憲鋒

（粵水電軌道交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510600）

目前城市軌道建設(shè)大多采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)法施工不影響交通，施工噪聲小，適應(yīng)各種地層，地表沉降易控制，地下管線不受干擾。采用盾構(gòu)法施工，進(jìn)入土倉(cāng)檢查和更換刀具不可避免，特別是在刀盤(pán)前方土體不穩(wěn)，當(dāng)常壓開(kāi)倉(cāng)存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，就需要采用帶壓作業(yè)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)氣壓開(kāi)倉(cāng)技術(shù)已有研究，以往氣壓開(kāi)倉(cāng)中泥膜制作、漿渣置換、氣漿置換均按照全倉(cāng)置換方法進(jìn)行，但實(shí)際施工中，如刀盤(pán)結(jié)泥餅，土倉(cāng)碴土固結(jié)，刀盤(pán)前方土體不穩(wěn)，地層擾動(dòng)有空洞，富水地層噴涌，螺旋機(jī)密封不嚴(yán)，需要壓氣換刀，土倉(cāng)碴土不可能全部置換且開(kāi)倉(cāng)過(guò)程，保持倉(cāng)內(nèi)穩(wěn)定的時(shí)效性較短。李應(yīng)嬌等[1]研究盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)氣密性檢測(cè)、土倉(cāng)土氣置換、分散劑注入與半氣壓攪拌浸泡施工技術(shù)，解決了盾構(gòu)機(jī)在不具備開(kāi)倉(cāng)條件下處理盾構(gòu)機(jī)泥餅的問(wèn)題，避免了人員進(jìn)倉(cāng)處理泥餅的風(fēng)險(xiǎn)以及因盾構(gòu)機(jī)開(kāi)倉(cāng)而造成地面及鄰近建筑物發(fā)生沉降的風(fēng)險(xiǎn)。馬卉、祝思然等[2]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及理論計(jì)算的方法對(duì)衡盾泥的泥膜氣密性進(jìn)行分析，保證盾構(gòu)開(kāi)艙時(shí)配置的空壓機(jī)完全滿(mǎn)足補(bǔ)氣條件。賀霄飛等[3]探討了壓氣作業(yè)在不穩(wěn)定地層中更換刀具的情況，并闡述了壓氣作業(yè)中的常見(jiàn)問(wèn)題及處理方法。在實(shí)際施工中，如刀盤(pán)結(jié)泥餅，地層擾動(dòng)，土倉(cāng)渣土部分固結(jié)，富水地層噴涌，螺旋機(jī)閘門(mén)密封不嚴(yán)，需要帶壓開(kāi)倉(cāng)，土倉(cāng)碴土不可能完全置換。為解決上述技術(shù)難題，須針對(duì)盾構(gòu)法壓氣作業(yè)半倉(cāng)置換施工技術(shù)進(jìn)行研究，形成了相應(yīng)的施工技術(shù)。

1 工程概況

廣州市軌道交通八號(hào)線北延段【施工6 標(biāo)】土建工程盾構(gòu)區(qū)間，位于廣州市白云區(qū)石槎路，包括聚龍站～平沙站區(qū)間0.25 km、平沙站～小坪站區(qū)間 1.15 km，采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)埋深在 10～13m，隧道穿越地層為<3-3>礫砂層、<3-2>中粗砂層、<4N-2>可塑狀粉質(zhì)黏土層、<4N-3>硬塑狀粉質(zhì)黏土層、<6C>泥巖頁(yè)巖全風(fēng)化層、<8C-1>質(zhì)灰?guī)r中風(fēng)化帶、<9C-1>炭質(zhì)灰?guī)r微風(fēng)化帶、<9C-2>微風(fēng)化灰?guī)r層，地層復(fù)雜。在該類(lèi)地層進(jìn)行盾構(gòu)施工，一方面由于灰?guī)r地層強(qiáng)度較高，容易造成刀具和刀盤(pán)的嚴(yán)重破損；另一方面，由于上軟下硬地層，地層穩(wěn)定性差，給開(kāi)倉(cāng)檢查及刀具更換帶來(lái)極大困難。盾構(gòu)在該類(lèi)地層中掘進(jìn)需要經(jīng)常開(kāi)倉(cāng)檢查及刀具更換。

2 總體思路

盾構(gòu)法壓氣作業(yè)半倉(cāng)置換施工技術(shù)方案主要是通過(guò)盾尾管片注雙液漿，尾刷注盾尾油脂，盾體徑向注膨潤(rùn)土，形成土倉(cāng)后部密封；通過(guò)半倉(cāng)漿渣置換，降低漿液配比，提高泥膜壓力，增加泥膜等級(jí)，更好地形成土倉(cāng)前部密封；通過(guò)氣漿置換，土倉(cāng)氣體保壓試驗(yàn)，跟蹤空壓?jiǎn)?dòng)頻率，判斷泥膜制作效果，保證人員順利進(jìn)入土倉(cāng)，保證開(kāi)倉(cāng)作業(yè)時(shí)間。1）首次通過(guò)半倉(cāng)置換方法，解決在刀盤(pán)結(jié)泥餅、地層擾動(dòng)、土倉(cāng)渣土部分固結(jié)、富水地層易噴涌、螺旋機(jī)閘門(mén)密封不嚴(yán)易噴涌，土倉(cāng)碴土不能完全置換的問(wèn)題，解決土倉(cāng)磕土超排的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)克服設(shè)備不能密封的風(fēng)險(xiǎn)。2）優(yōu)化泥膜材料配合比，降低了稠度，提高漿液流動(dòng)性和擴(kuò)散性，漿液置換方便，操作安全，判斷準(zhǔn)確，縮短泥膜制作施工工期。3）為帶壓開(kāi)倉(cāng)提供穩(wěn)定、可靠、安全的作業(yè)環(huán)境，給盾構(gòu)法帶壓開(kāi)倉(cāng)提供足夠的倉(cāng)內(nèi)作業(yè)時(shí)間。4）通過(guò)測(cè)量空壓機(jī)的啟動(dòng)與停止的頻率，確定掌子面的密封性能，從而為帶壓開(kāi)倉(cāng)持續(xù)時(shí)間提供參考，為人員在土倉(cāng)內(nèi)作業(yè)的安全性提供重要評(píng)估依據(jù)，為氣壓開(kāi)倉(cāng)的安全性提供重要評(píng)估依據(jù)。

2 開(kāi)挖倉(cāng)氣壓的確定

氣壓作業(yè)工作壓力：能保證掌子面的穩(wěn)定的開(kāi)挖倉(cāng)氣壓，如公式（1）所示。

式中：Pw為計(jì)算至隧道開(kāi)挖中心的水頭壓力；Pr為考慮不同地質(zhì)條件、地面環(huán)境及開(kāi)挖面位置的壓力調(diào)整值。

在氣壓作業(yè)前，應(yīng)進(jìn)行保壓試驗(yàn)。在開(kāi)倉(cāng)前進(jìn)行渣土輸出，同時(shí)加入氣體進(jìn)行置換。當(dāng)開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)（預(yù)定值不得低于計(jì)算所得的理論工作壓力），打開(kāi)自動(dòng)保壓系統(tǒng)。當(dāng)倉(cāng)內(nèi)土體降至設(shè)定高度后，如果開(kāi)挖倉(cāng)壓力保持2 h沒(méi)有變化或沒(méi)有發(fā)生大的波動(dòng)，就說(shuō)明保壓試驗(yàn)合格。

在確定氣壓，準(zhǔn)備進(jìn)行壓氣前，一定要保證盾尾的油脂注入量和砂漿注入量足夠，保證土倉(cāng)不漏氣。

3 施工工藝流程

盾構(gòu)法壓氣作業(yè)半倉(cāng)置換施工工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 盾構(gòu)整體快速過(guò)站裝置流程圖

4 盾構(gòu)法壓氣作業(yè)半倉(cāng)置換施工

4.1 盾尾管片注雙液漿

停機(jī)前，保證餃接行程不少于15 cm。在脫出盾尾的后5環(huán)管片注入雙液漿止水，保證后部來(lái)水不進(jìn)入土倉(cāng)，保證土倉(cāng)壓力穩(wěn)定和周邊地層穩(wěn)定。注漿壓力按盾構(gòu)埋深控制，通過(guò)注漿孔檢測(cè)二次注漿密封效果。常壓進(jìn)倉(cāng)主要應(yīng)保證刀盤(pán)前方周?chē)貙臃€(wěn)定和后部無(wú)來(lái)水的要求，因此止水封堵效果及進(jìn)行封堵的位置至關(guān)重要，進(jìn)倉(cāng)前采用管片背后二次注漿和盾體徑向注漿組合的方式。

倒數(shù)3-5 環(huán)管片進(jìn)行壁后雙液注漿止水，同時(shí)在盾體徑向注漿孔注入膨潤(rùn)土泥漿及聚氨酯加強(qiáng)止水和防止雙液漿固結(jié)包裹盾體。保證壁后填充密實(shí)，形成封閉止水環(huán)。盾尾管片注雙液漿施工示意圖如圖2 所示。

圖2 盾尾管片注雙液漿示意圖

注漿壓力為0.2MPa～0.4MPa。每環(huán)的注漿量一般為1m3～2m3，注漿量受到注漿壓力的影響，實(shí)際注漿量還應(yīng)參考注漿壓力來(lái)決定。區(qū)間二次注漿采用水泥漿、水玻璃雙液漿進(jìn)行，水泥漿采用P.C42.5 普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用35Be＇（波美度）的濃度，水泥漿漿液水灰比為1 ∶1；水泥漿與水玻璃的配比（體積比）為1 ∶1。注漿施工記錄表見(jiàn)表1。

表1 注漿施工記錄表

注漿24 小時(shí)后，打開(kāi)管片上注漿球閥，無(wú)外流水即可，少量滴漏、壁管濕潤(rùn)亦視為合格。盾尾打開(kāi)盾體上球閥，檢查漏水情況，無(wú)線性外流水即為合格。

4.2 盾尾注盾尾油脂和盾體徑向注膨潤(rùn)土

在尾刷和盾尾之間注入油脂，密封尾刷和盾尾之間間隙。注入壓力按盾尾埋深控制，并詳細(xì)記錄注入時(shí)間、注入點(diǎn)位位置、注入量以及注入壓力等。通過(guò)盾體徑向預(yù)留孔，在盾體徑向注膨潤(rùn)土或衡盾泥，填充盾體和土層之間間隙，保證周邊地層穩(wěn)定止水。并詳細(xì)記錄注入時(shí)間、點(diǎn)位、注入量以及注入壓力等。

4.3 漿液制作

漿液制作以衡盾泥為例，衡盾泥是一種以無(wú)機(jī)黏土為主要材料，通過(guò)改性后與增黏劑反應(yīng)形成一種高黏度的觸變泥漿，具有良好的和易性和黏附性，在水中不易被稀釋帶走，成膜穩(wěn)定，附著力好。按照半倉(cāng)置換要求，適當(dāng)降低漿液配比。

漿液制作以衡盾泥為例，衡盾泥是一種以無(wú)機(jī)黏土為主要材料，通過(guò)改性后與增黏劑反應(yīng)形成一種高黏度的觸變泥漿，具有良好的和易性和黏附性，在水中不易被稀釋帶走，成膜穩(wěn)定，附著力好。按照半倉(cāng)置換要求，適當(dāng)降低漿液配比。A 液∶衡盾泥：水360kg ∶1000kg，A 液∶B 液：（12.5-20）∶1。其中A 液制作直接在隧道內(nèi)進(jìn)入，將衡盾泥和水直接在砂漿車(chē)內(nèi)混合和攪拌，通過(guò)剪切泵進(jìn)行二次循環(huán)剪切。保證A 液無(wú)顆粒狀，無(wú)干粉狀，無(wú)塊狀。通過(guò)臺(tái)車(chē)上同步注漿罐，將A 液與B 液倒入臥式攪拌槽內(nèi)進(jìn)行混合，A 液放量不能超過(guò)臥式攪拌葉片的2/3 高度，每次1～2m3，2min 后目測(cè)達(dá)到效果。

4.4 漿渣置換

注入位置利用土倉(cāng)隔板3、9 點(diǎn)預(yù)留球閥，在置換過(guò)程中，將注入壓力設(shè)定為0.5MPa，密切觀察土倉(cāng)上部壓力變化，動(dòng)態(tài)控制倉(cāng)內(nèi)壓力，要求如下：恒定土倉(cāng)上部壓力，避免壓力過(guò)度波動(dòng)擾動(dòng)地層。適當(dāng)打開(kāi)螺旋機(jī)閘門(mén)排土，保證排土量與注入量基本平衡，并做好記錄。在螺旋機(jī)排土過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)衡盾泥成分時(shí)，可慢速（0.1 r/min）旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)15 °～20°，再繼續(xù)壓漿。直至土倉(cāng)置換完成一半左右。

4.5 刀盤(pán)回縮

置換完成后，可回縮鉸接，使盾構(gòu)機(jī)后退5cm，使刀盤(pán)與掌子面之間建立5cm 左右的泥膜?？杉雍窳说侗P(pán)前方的衡盾泥厚度及均勻度，形成“泥墻”。

4.6 泥膜制作

加壓等級(jí)為5 梯級(jí)，第1 梯級(jí)為開(kāi)倉(cāng)工作壓力0.02MPa，每梯級(jí)升高0.02MPa。每梯級(jí)壓降達(dá)到0.02MPa 后，重新注入漿液；每半小時(shí)低速轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)1 次，每次轉(zhuǎn)動(dòng)半圈；壓降小于0.02MPa /2h，提升壓力等級(jí)。

最后一級(jí)，當(dāng)注入壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，進(jìn)行12 h 的動(dòng)態(tài)保壓注入試驗(yàn)，至少保持2 h 壓力不出現(xiàn)明顯下降（≤0.02 MPa），才可以進(jìn)行排土壓氣，注入過(guò)程中要記錄壓力變化情況以及每次補(bǔ)注的時(shí)間與注入量。

通過(guò)2～4 h 的保壓和持續(xù)補(bǔ)漿，泥膜已經(jīng)形成一定規(guī)模。形成的泥膜是否能夠提供帶壓作業(yè)時(shí)的圍護(hù)作用，需要通過(guò)泥膜檢驗(yàn)來(lái)做初步的判斷。通過(guò)排漿逐步將土倉(cāng)壓力回調(diào)至工作壓力，開(kāi)始觀察2h，如發(fā)現(xiàn)土倉(cāng)壓力有逐漸上升的趨勢(shì)，說(shuō)明外圍壓力大于設(shè)定的土倉(cāng)壓力，需要增大工作壓力。如果土倉(cāng)壓力變化小于0.005MPa，就說(shuō)明滿(mǎn)足泥膜滿(mǎn)足保壓標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)入換氣排漿的階段。各種壓力泥膜制作記錄表（5 級(jí)）見(jiàn)表2。

表2 泥膜制作施工記錄表

4.7 氣漿置換

在保壓過(guò)程中緩慢地將泥漿排出，整個(gè)過(guò)程必須平穩(wěn)緩慢地進(jìn)行，避免出現(xiàn)漿液排出過(guò)快造成上部欠壓的情況。出渣壓力按照開(kāi)倉(cāng)時(shí)工作壓力來(lái)設(shè)置，出渣過(guò)程中壓力變化不超過(guò)0.005MPa 。當(dāng)泥膜制作達(dá)到最后一級(jí)后，通過(guò)土倉(cāng)隔板3、9 點(diǎn)位預(yù)留球閥進(jìn)行氣漿置換。3、9 點(diǎn)位球閥接管，將漿液排至砂漿車(chē)內(nèi)；土倉(cāng)壓力達(dá)到開(kāi)倉(cāng)壓力后，開(kāi)通氣動(dòng)自動(dòng)加壓裝置，使土倉(cāng)壓力恒定；繼續(xù)排出漿液，通過(guò)球閥開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)漿液流量，保持土倉(cāng)壓力穩(wěn)定；當(dāng)3、9 位球閥排出氣體后，置換成功。

4.8 土倉(cāng)保壓

空壓機(jī)頻率是監(jiān)控土倉(cāng)壓力是否穩(wěn)定的關(guān)鍵，氣漿置換完成后，在土倉(cāng)保壓階段，空壓機(jī)運(yùn)行頻率加載時(shí)間與卸載時(shí)間不小于1/10；在氣壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)階段，空壓機(jī)運(yùn)行頻率加載時(shí)間與卸載時(shí)間不小于1/2。

當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，進(jìn)行保壓。保壓持續(xù)2～4 h。在保壓過(guò)程中，注漿罐中保留適當(dāng)?shù)哪酀{，控制室內(nèi)安排不間斷觀察。泥漿進(jìn)行滲透后，壓力下降，此時(shí)通過(guò)注漿系統(tǒng)繼續(xù)向倉(cāng)內(nèi)補(bǔ)漿，直至液面和壓力恢復(fù)到最大允許壓力。壓力變化值20 min～30 min記錄一次，保壓全過(guò)程壓力變化小于0.005MPa，視為保壓試驗(yàn)合格。當(dāng)出現(xiàn)大于0.005MPa 時(shí)必須重新施作泥膜，泥膜施作完成后，再次進(jìn)行保壓試驗(yàn)，直至保壓在穩(wěn)定的范圍。

在保壓過(guò)程中加強(qiáng)地面監(jiān)測(cè)和地面管線監(jiān)測(cè)。地面監(jiān)測(cè)范圍為開(kāi)倉(cāng)位置前后30 米。保壓期間安排測(cè)量人員對(duì)刀盤(pán)所在的位置地面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

保壓期間對(duì)地面和周邊情況加強(qiáng)巡視工作，檢查地面是否有漏氣現(xiàn)象，如有漏氣則進(jìn)行注漿封閉。保壓期間對(duì)地面進(jìn)行全時(shí)段巡視檢查，直至保壓試驗(yàn)完成為止。

5 實(shí)施效果

與盾構(gòu)壓氣換刀全倉(cāng)置換對(duì)比，該技術(shù)結(jié)合施工實(shí)際情況，克服了土倉(cāng)渣土不能全部置換的缺點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化泥膜材料配比，增加泥膜制作等級(jí)，提高泥膜制作壓力，保證了泥膜質(zhì)量，該技術(shù)結(jié)合實(shí)際，操作方便，可克服螺旋機(jī)閘門(mén)泄漏，不易造成地面塌陷，安全性大大增加，開(kāi)倉(cāng)成功率大大增加。其中泥膜制作可以采用膨潤(rùn)土，也可采用衡盾泥。漿渣置換，不用全部置換完成，可達(dá)到漿液加壓制作泥膜條件，既節(jié)約了泥膜材料，又減少了由于超排造成的地面塌陷。氣漿置換，漿液排出不用螺旋機(jī)，通過(guò)土倉(cāng)隔板3、9 點(diǎn)預(yù)留球閥排放，通過(guò)土倉(cāng)隔板3、9 點(diǎn)預(yù)留球閥，檢測(cè)土倉(cāng)液面，保證開(kāi)倉(cāng)順利換刀，避免了由于螺旋機(jī)閘門(mén)無(wú)法保壓和漿液超排等造成土倉(cāng)泄壓，地面塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

廣州市軌道交通八號(hào)線北延段【施工6 標(biāo)】土建工程項(xiàng)目采用該技術(shù)，成功解決了在刀盤(pán)結(jié)泥餅，地層擾動(dòng)，土倉(cāng)渣土部分固結(jié)，富水地層噴涌，螺旋機(jī)閘門(mén)密封不嚴(yán)，需要帶壓開(kāi)倉(cāng)，土倉(cāng)碴土不可能完全置換的施工難題且未對(duì)周邊建構(gòu)筑物造成任何安全影響。施工全過(guò)程工效高、安全可靠順利完成盾構(gòu)壓氣作業(yè)，總體施工質(zhì)量較好。