土压平衡盾构全断面富水砂层带压进舱地层气密性封堵及其检测技术

孙海波（中铁隧道集团有限公司专用设备中心，河南洛阳 471009）

土压平衡盾构全断面富水砂层带压进舱地层气密性封堵及其检测技术

孙海波
（中铁隧道集团有限公司专用设备中心，河南洛阳 471009）

摘要：富水砂层与黏性土地层等普通地层相比，其孔隙率大、渗透性强、含水量大，在此类地层中带压进舱作业的难点是地层气密性封堵难度大。在高压环境中，为了尽量减小气体的逃逸，以西安地铁3号线土压平衡盾构在全断面富水砂层中成功带压进舱为依据，通过采用盾体外部膨润土泥浆封堵、掌子面用高效能泥浆形成泥膜封堵、盾尾采用加大同步注浆量和盾尾油脂注入等方法，以及一系列气密性检测等措施，成功进行了带压进舱作业，并得出土压平衡盾构全断面富水砂层气密性封堵的方法及气密性合格的判定方法。

关键词：西安地铁；土压平衡盾构；富水砂层；带压进舱；气密性封堵；泥膜；气密性检测

0　引言

砂性土具有颗粒粒径较大、颗粒间黏聚力小、内摩擦角大及地层渗透系数高等特点［1］，在长距离全断面富水砂层掘进过程中，容易出现刀具磨损导致掘进困难的情况，需要通过带压进舱来检查刀具的实际磨损情况。如何在自稳性差、含水量丰富、漏气量大的富水砂层中成功带压进舱作业，关键是要做好掌子面周围地层、盾体外部及盾尾后方地层的气密性封堵工作，使带压进舱作业时土舱内高压气体泄漏量能保持在一定范围内。文献［2］总结了土压平衡盾构在成都砂卵石地层中的带压进舱技术；文献［3］总结了土压平衡盾构在南京复合地层中的带压进舱技术；文献［4］介绍了泥水平衡盾构在富水砂层中的带压进舱技术；文献［5］总结了土压平衡盾构在广州砂岩及其风化带地层中的带压进舱技术；文献［6］总结了超大直径泥水盾构带压进舱换刀技术研究及应用。以上研究都是关于带压进舱作业的整体施工工艺流程，对于土压平衡盾构带压进舱作业前的地层气密性封堵及效果检测方面

没有进行有针对性的专项介绍，而这恰恰正是易漏气地层带压进舱作业的核心技术。本文将对土压平衡盾构在西安地铁3号线全断面富水砂层带压进舱前地层气密性封堵及效果检测方面的施工工艺进行专项总结。

1　工程概况

西安地铁3号线科技路—太白南路区间（以下简称科—太区间）共481环（1.5 m／环），隧道埋深8～14 m，地下水位埋深9.7～12.3 m。科—太区间隧道主要通过〈2－5〉层中砂及〈2－6〉层粗砂层，砂层为密实状态，标贯为45～90击。砂层的矿物成分以石英为主（44%），斜长石为38%。现场土压平衡盾构在325环（刀盘位置）处位置带压进舱作业检查刀具，隧道埋深14 m，地质勘查报告地下水位埋深11.4 m，隧道顶部水位埋深2.6 m，主要为潜水，含水层为中砂层、粗砂层及粉质黏土层，含水率约17%，渗透系数为15～25 m／d。刀盘位置隧道顶部以上约1.7 m为粗砂层，其余为中砂层。刀盘位置附近地质纵断面图如图1所示。

图1　刀盘位置附近地质纵断面图Fig.1 Geological profile

2　气密性封堵总体方案

富水砂层孔隙率大、渗透性强、含水量大，在此类地层中带压进舱作业的关键是进行地层及设备的气密性封堵，以确保气压值的稳定。为了克服富水砂层带压进舱气体逃逸的问题，在带压进舱前需要对设备自身、盾尾后方、盾壳外部和掌子面周围进行气密性封堵，防止这些部位形成压缩空气逃逸通道，造成漏气量进一步增大。

对盾构自身进行气密性检查，避免盾构自身密封不严造成漏气；在进入开舱位置前，提前加大盾尾同步注浆量，保证管片与地层之间间隙填充均匀、密实，阻断压缩空气向盾尾后方逃逸的通道；考虑到富水砂层地下水丰富，为对同步注浆起到进一步补充和加强作用，在盾构停机后盾尾后方3—4环位置进行管片二次注浆，对管片之间的缝隙进行封堵。为防止压缩空气从盾壳与地层之间逃逸，在盾壳外注入高浓度泥浆，同时也起到润滑盾壳防抱死的作用；加大盾尾油脂的注入量和注入压力，防止盾尾密封刷处漏气；调配好高黏度的膨润土浆液，将土舱渣土重新置换为高黏度泥浆，在掌子面形成一层致密的泥膜以降低地层的透气性［7］。至此，整个掌子面和盾体周围会形成一个封闭的腔体（见图2），可避免在后续带压作业过程中出现压缩空气过量逃逸泄漏现象。

图2　掌子面和盾体周围的气密性封堵示意图Fig.2 Air tightness of tunnel face and around the shield

3　气密性封堵流程

根据总体方案部署，气密性封堵施工工艺流程如图3所示。

4　气密性封堵实施步骤

4.1盾构设备自身气密性检查

检查盾构自身的气密性，包括人舱、土舱上部的一些预留注浆孔、超前注浆孔等各管路及阀门关闭后的密封性，防止土舱渣位降低后压缩空气从这些地方逃逸。对于人舱，须进行气密性试验，根据人舱外精密压力表显示，加气至设定值后1 h内压力波动不超过001 MPa即为合格，若压力波动较大则需检修或更换人舱门密封；对于前体隔舱板上半部分的球板阀和中体上方的超前注浆孔阀门，在土舱加气期间派专人进行观察，若这些位置处感觉到有明显漏气现象，则需停止土舱加气，检修或更换漏气严重的阀门。此外，需重点检查螺旋输送机后闸门的密封性，由于砂层石英含量高，摩擦阻力较大，螺旋输送机后闸门长期运行后会出现磨损和关不严现象，造成漏浆（见图4）。现场施工时曾出现过这种情况，导致后续土舱泥浆保压时出现泄压现象，后来通过更换闸门橡胶密封解决。

图3　掌子面和盾体周围的气密性封堵流程Fig.3 Flowchart of achieving air tightness of tunnel face and around the shield

图4　螺旋输送机后闸门关不严导致漏浆Fig.4 Muck leakage from screw conveyor

4.2进舱气压值确定

根据隧道埋深及地下水位情况，进舱压力设置为p设p土＋p水＋p预kγha＋qγwhw＋（0.02～0.03）MPa［8］。式中：k为土压力系数；γ为土的容重，kN／m3；ha为隧道顶部埋深，m；q为根据土层渗透系数确定的经验数值，砂土取0.5～1.0；γw为水的容重，kN／m3；hw为地下水位距刀盘顶部的高度差，m，经计算确定带压进舱气压值为0.15 MPa。

4.3管片同步注浆封堵

在到达预定开舱位置前，使用1＃拖车上2台KSP12同步注浆泵（功率30 kW、注浆能力2×12 m3／h、泵出口最大压力6 MPa），提前3环加大盾尾同步注浆量，注浆量和注浆压力根据地表沉降监测数据进行优化，由原来6.4～7.2 m3／环调整为8 m3／环。同时针对停机位置位于全断面富水砂层地段，地下水量丰富，对这3环的同步注浆配合比进行了微调，每方减少膨润土50 kg，增加胶凝材料50 kg［9］，使浆液的初凝时间由原来的7 h调整为4～6 h。注浆过程中必须保证四管同时注浆，上部注浆管压力约0.17 MPa，下部注浆管压力约0.27 MPa，从而起到加强地层和通道填充的目的。

4.4管片二次注浆封堵

在盾构停机后盾尾位置（即拼装环号320环）后方3—4环位置（即拼装环号316—317环）进行管片二次注浆，在隧道左右开孔压注，浆液采用水泥－水玻璃双液浆作为注浆材料，能对同步注浆起到进一步补充和加强作用，同时也对管片缝隙和管片周围的地层起到及时充填和加固作用。

4.4.1二次注浆设备

采用KBY－50／70注浆泵，计量采用拌浆容器计量，注浆泵上配置机械式注浆压力表。浆管及孔口管采用自制的具有与管片吊装孔的配套能力、能够实现快速接卸以及密封不漏浆功能的配套设备，并配备泄浆阀。

4.4.2二次注浆配合比

现场管片二次注浆的配合比如表1所示。

表1　二次注浆浆液初步配比表Table 1 Preliminary mixing proportion of grout of secondary grouting

4.4.3二次注浆量、压力及初凝时间

二次注浆量初步确定1.2 m3／孔，注浆压力0.3～0.5 MPa，胶凝时间控制在1 min。当注浆压力增加很快且压力超过0.5 MPa或者注浆管出现较大的跳动，表示该环注浆已满，可停止注浆，进行下一环的二次注浆封堵，二次注浆注到离盾尾最近的一环时，要适当减少注浆量和减小注浆压力，防止泥浆压力过大窜入盾尾刷内。

4.5盾尾刷封堵

掘进到带压进舱管片环时，将每环盾尾油脂注入量由原来的20 kg／环提高到30 kg／环，通过调节盾尾油脂泵进气减压阀，使泵头注脂压力由原来的6 MPa提高到8 MPa，盾尾油脂腔内注入压力由原来的1～2 MPa提高到3～4 MPa。盾尾油脂每道腔室的4路油脂管要匀速地注入。

4.6盾壳外封堵

使用2＃拖车上的RH65－680型盾壳膨润土泵（功率7.5 kW、注浆能力8 m3／h、额定压力1.6 MPa），通过中盾盾壳壁同一横断面圆周方向上预留的6个膨润土接口（见图5），向盾构主机壳体周围注入配置好的泥浆（黏度25～30 s、比重1.07），注浆压力控制在比刀盘土舱对应位置压力大0.02 MPa左右（即0.17 MPa左右），以防止压缩空气从盾壳与地层之间逃逸，同时也起到润滑主机壳体、防抱死作用。

图5　盾壳膨润土示意图Fig.5 Sketch of injecting bentonite slurry through midshield

4.7掌子面封堵

带压进舱作业时，掌子面与气体接触面积最大，解决掌子面气体逃逸是带压作业的关键。针对本工程富水砂层，透气性大，现场使用高黏度膨润土浆液在开挖面上形成一层致密的泥膜以降低地层的透气性，在后续带压进舱作业时使气压有效地作用在开挖面上，维持了开挖面的稳定［10］。

4.7.1掌子面封堵总体方案

预先用膨润土、制浆剂和水调制成高黏度的泥浆，并要膨化至少1 d，然后在停机位置通过刀盘膨润土泵将高黏度泥浆注入到土舱，同时配合螺旋输送机出渣置换出土舱内部分原有渣土，使土舱内上部泥浆压力控制在0.15～0.16 MPa，保压持续时间不小于3 h，期间适当以低转速转动刀盘，使高黏度膨润土浆液充分进入刀盘周围地层，最后形成泥膜并完成掌子面气密性封堵，如图6所示。

4.7.2掌子面封堵流程及实施步骤

4.7.2.1高性能泥浆的拌制

为增强掌子面泥膜的致密程度及泥浆护壁能力，根据地质情况、结合相关资料，决定采用优质膨润土泥浆来建立泥膜，黏度控制在90 s以上、比重控制在1.10～1.15、膨化时间至少24 h，以保证膨润土能充分溶解，现场泥浆储备量不少于50 m3。主要配方及配制方法见表2，调制好的浆液见图7。

图6　掌子面泥膜封堵示意图Fig.6 Sealing of tunnel face by filter membrane

表2　掌子面高黏度泥浆配合比Table 2 Proportion of slurry with high viscosity used to seal the tunnel face　kg

图7　掌子面封堵用高黏度膨润土浆液Fig.7 Picture of bentonite slurry with high viscosity used to seal the tunnel face

4.7.2.2到位停机

到指定换刀位置后停止出渣，此时土舱内全都是原始渣土。

4.7.2.3置换土舱渣土

使用2＃拖车上的RH76－915型刀盘膨润土泵（功率18.5 kW、注浆能力20 m3／h、额定压力1.6 MPa），通过刀盘正面上的膨润土孔向土舱内缓慢注入预先配

制好的高浓度膨润土浆液，同时以低转速转动刀盘（1.0 r／min），注入过程中保持土舱上部土压为0.15 MPa。若超过0.15 MPa，须立即暂停注入，配合螺旋输送机将土舱内原有渣土适当排出一部分，并注入调制好的高黏度膨润土浆液，置换出土舱内部分土体。

4.7.2.4土舱泥浆保压建膜

待调制好的高黏度膨润土浆液注入量达到20 m3后（约刀盘舱容积的2／3），停止注入。可通过土舱压力隔板上不同位置的手动球阀进行检查泥浆是否注满刀盘。随后保压持续时间不小于3 h，上部土压控制在0.15～0.16 MPa内，在持续保压过程中每隔30 min转动刀盘，转速控制在0.3～0.5 r／min，每次转动3～5 min，使高浓度膨润土浆液充分进入刀盘周围地层，从而形成泥膜（如图8所示）。期间如果膨润土流失造成土压下降，应及时补充高黏度膨润土浆液，确保土压不低于0.15 MPa。

图8　掌子面泥膜形成Fig.8 Filter membrane on tunnel face

4.8土舱气密性检测

在掌子面泥膜建完后，为了检验泥膜对0.15 MPa进舱气压的封堵效果，保证进舱作业期间高压气体泄漏量及气压波动尽可能小，现场在进舱作业前对土舱进行了气密性效果测试。

4.8.1土舱气密性效果检测方法

根据历次带压进舱的经验，经过不断地试验和总结，最终确定了4个指标，用来检测土舱的气密性效果是否合格，具体如下。

1）土舱上部压力传感器显示数值在3 h内压力波动不超过0.005 MPa（即保持在0.145～0.155 MPa）。

2）给保压系统供气的空压机出口压力值须达到设定的安全压力值（即0.8 MPa），同时空压机自动开启的间隔时间不能太快，保证供气量能达到安全储备量。

3）现场土压平衡盾构气体自动保压系统使用的是德国SAMSON装置，该装置为单程空气控制系统［11］，仅能控制空气的供给。当SAMSON控制器输出气压为0.06 MPa时，则进气阀阀门完全关闭（阀门开度为0），说明土舱没有进行补气，其漏气量为0；当输出气压超过0.06 MPa时，则进气阀门逐渐打开，在达到0.1 MPa时进气阀完全打开（阀门开度为100%），说明土舱补气量在逐步加大，其漏气量也相应增大，如图9所示。

图9　进气阀门开度与控制器输出气压信号的关系图Fig.9 Relationship between air inlet valve opening and output air pressure signal

控制器输出气压大小可通过SAMSON控制器调节面板最下方的指针位置来观察，通过观察指针位置可推测出土舱补气量的变化，一般指针稳定在0.06～0.07 MPa且无变大趋势时，可判定土舱漏气量没有超限，补气量可与之保持平衡。

4）地表沉降监测数据控制在－15～＋5 mm。

4.8.2气密性检测操作步骤

1）启动螺旋输送机缓慢出渣，过程中严格控制出渣量，保证土舱内膨润土排出量占总体积的1／3略多（约10 m3）。

2）启动位于中体内左上部的SAMSON气体保压系统：先开启拖车上的电动空压机，在排除阀门堵塞的可能后再缓慢打开SAMSON自动进气阀门前方的手动旁通球阀（见图10），观察有无泥浆排出，若没有则证明土舱膨润土浆液排出量为1／3土舱容量，若有泥浆排出，则需要螺旋输送机出渣继续降低土舱渣位，直到没有浆液从旁通球阀排出为止。

图10　SAMSON自动补气Fig.10 Automatic air compensation of SAMSON

3）在SAMSON气动控制器上设定气压值为0.15 MPa（自动模式）。

4）关闭旁通球阀，缓慢打开SAMSON自动进气阀前方的2个手动阀门，使土舱上部通过SAMSON进气阀门自动补气，直到土舱上部气压稳定在0.15 MPa左右。

5）在主控室、电动空压机、SAMSON控制器和地面处派专人进行监测，当上述4个指标全部满足后，则可判定掌子面气密性效果合格，可以满足带压进舱作业的要求。若有其中任一个指标没满足，则须对掌子面泥膜进行修复和重建。

5　结论与建议

1）全断面富水砂层渗透性大，气体逃逸通道多、量大，对地层及盾体周边进行气密性封堵，保持进气量与逃逸量的平衡，是带压进舱作业的前提。

2）地层及盾体气密性封堵工作是一项系统性工程，须严格按工艺流程、工艺参数、工序步骤、工序质量来进行施工，该施工质量是保证气密性封堵成功的关键。

3）掌子面气密性封堵用的泥膜指标要求高，HS－Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型盾构专用高分子制浆剂可作为建立掌子面泥膜的一种重要泥浆优化处理剂。

富水砂层气密性效果是否满足带压进舱要求，目前没有可参照的依据，建议可参照以下进行：1）土舱上部压力3 h内波动不超过0.05 MPa；2）SAMSON保压系统气源（即电动空压机）供气压力稳定、供气流量变化小；3）土舱补气量稳定，通过观察SAMSON控制器下方指针位置可推测出土舱补气量的变化趋势，一般指针稳定在0.006～0.007 MPa且无变大趋势时，可判定土舱漏气量没有超限，补气量可与之保持平衡；4）地表沉降监测数据控制在－15～＋5 mm。

砂层带压进舱作业的风险很大，在高压作业开挖面透气性控制标准和降低开挖面透气性措施方面，还需要通过现场检测和试验研究来不断总结完善，这也是今后进一步研究的意义所在。

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How to Achieve Air Tightness around an EPB Shield Boring in Fullface Waterrich Sand Strata so as to Facilitate Hyperbaric Operation

SUN Haibo
（Tunnelingdedicated Equipment Center，China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang 471009，Henan，China）

Abstract：Compared to cohesive soil strata，waterrich sand strata have higher porosity，higher permeability and higher water content.When hyperbaric operation is needed during shield boring in waterrich sand strata，it is of great importance to keep the air tightness of the strata around the shield.An EPB shield for Line 3 of Xi’an Metro bores through fullface waterrich sand strata，and hyperbaric operation has to be conducted.The strata around the shield is sealed by bentonite slurry，which is injected through the holes on the shield；the tunnel face is sealed by filter membrane formed by highefficient slurry，the simultaneous grouting and grease injection at the tail shield is enhanced，so as to ensure the air tightness of the sand strata around the shield and in turn to facilitate the hyperbaric operation.Furthermore，a series of air tightness testing and evaluation means are used to verify the sealing effect.In the end，successful air tightness has been achieved and successful hyperbaric operation has been conducted.

Keywords：Xi’an Metro；EPB shield；waterrich sand strata；hyperbaric operation；air tightness；filter membrane；air tightness verification

作者简介：孙海波（1987—），男，河南洛阳人，2011年毕业于南阳理工学院，机械设计制造及其自动化专业，本科，助理工程师，现主要从事盾构／TBM租赁服务及片区设备管理工作。

收稿日期：2015－05－05；修回日期：2015－07－30

中图分类号：U 45

文献标志码：B

文章编号：1672－741X（2015）09－0962－06

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.09.017