使用混合泥膜作为衬砌的填开仓换刀技术研究

2017-10-16黄欢

四川水泥 2017年10期

关键词：土仓砂层膨润土

黄欢

（广州市城市建设工程监理公司，广东广州 510060 ）

使用混合泥膜作为衬砌的填开仓换刀技术研究

黄欢

（广州市城市建设工程监理公司，广东广州 510060 ）

为确保在富水砂层中盾构开仓换刀作业面容易涌水、涌砂而导致掌子面失稳坍塌的安全技术难题。本文采用水泥砂浆和膨润土浆液组成的混合浆液在土仓压力作用下，通过刀盘开口向砂层渗透，固化后在掌子面周边形成新型混合泥膜，利用风镐清除土仓内硬化混合浆液的同时，保留刀盘前四周形成的混合泥膜，即可进行盾构刀盘换刀作业。结合广州市轨道交通九号线4标花都广场站～马鞍山公园站盾构区间工程实例中的应用，本施工技术能为砂层盾构换刀提供高效且安全的解决方案。

盾构隧道；刀盘；换刀；混合泥膜；砂层

1 工程概况

广州市轨道交通九号线4标花都广场站～马鞍山公园站盾构区间沿迎宾大道布置，左线设计起止里程为 ZDK9+864.900～ZDK11+165.556，长链 10.267m，长度1310.923m；右线设计起止里程为 YDK9+864.900～YDK11+165.530，长度1300.630m。根据钻探揭露，本区间内的地下水主要为砂层潜水和强风化、中、微风化基岩中的裂隙水，石灰岩溶洞水。隧道主要穿越＜3-2＞冲积-洪积中砂层、＜3-3＞冲积-洪积砾砂层、＜4-2＞淤泥质土层、＜5C-1A＞灰岩可塑～软塑残积土层，局部穿越＜9C-2＞炭质灰岩微风化带。盾构机在该区域内掘进时整个刀盘均处于砂土层与灰岩交界中，且开挖面地下水非常充沛。在不影响道路交通的情况下采用砂浆混膨润土泥膜作为止水和增强开挖面稳定性的加固措施，以提高砂层中进行盾构换刀作业的施工效率。

2 技术方案

2.1 开挖面止水加固

由于盾构隧道在富水砂层中掘进，开挖面涌水量较大，所以在开仓换刀前先应采取开挖面止水措施，以防止在换刀过程中发生突涌水事故。此外，止水措施还有利于后期进行开挖面加固时保持浆液的浓度，降低地下水对浆液的稀释影响。为实现在开挖面中注浆，盾构机刀盘做了相应改造，在刀盘四幅挡板上各布置了2个注浆口。在换刀前先利用刀盘上的注浆口向开挖面注入水玻璃浆液，控制注浆压力为0.2MPa，注浆量V1由刀盘直径大小决定，可利用公式(1)计算得到：

式中，k为常数，根据工程经验通常取0.05；d为盾构刀盘直径；l为水玻璃浆液渗透进入开挖面的深度，取0.1m。水玻璃浆液按照硅酸钠：水=1:10的质量比配制。开始注入水玻璃浆液后保持注浆压力直到注浆量满足公式(1)计算要求。

完成水玻璃注浆作业后，拔出相应注浆管，插入氯化钙注浆管后注入 0.1V1的浆液，注浆压力全程控制在0.2MPa。氯化钙溶液按照氯化钙：水=1:3的质量比配制。两种浆液不应间隔过长时间，以便水玻璃浆液和氯化钙浆液能迅速反应形成凝胶隔水膜，同时在浆液反应、硬化过程中会吸收浆液周围的地下水，起到隔水固化的作用。

在做好开挖面止水措施后，等待0.5小时使得水玻璃浆液和氯化钙浆液充分反应，再开始膨润土注浆作业。此注浆作业是为了增加刀盘前方砂层的强度，降低开挖面失稳风险。膨润土浆液也通过刀盘上的注浆口注入地层，注浆压力控制在0.2MPa，注浆量由公式(2)计算得到。

2.2 循环注浆清渣

在完成刀盘前段止水加固作业后，开始利用螺旋输送机清除土仓内渣土，在土仓清仓过程中始终保持膨润土浆液注入，并使土仓内压力维持在0.15MPa。在设置刀盘停止转动的情况下，保持螺旋输送机继续工作。随着新鲜膨润土泥浆的不断注入和螺旋输送机的持续出土，土仓内的渣土逐渐被膨润土泥浆替代，直至渣土被替换干净。

2.3 压制混合泥膜

待土仓内渣土被清除干净后，增大膨润土注浆管压力，使土仓内压力上升到0.25MPa。由于采用了开孔率为25%的盾构刀盘结构，土仓内的高压膨润土浆液由刀盘开口进入砂土层空隙之中，随后开始失水及固结，并初步形成泥膜。1小时后，将土仓内的压力提升至0.35MPa，并持续4个小时，使得膨润土浆液进一步渗入开挖面砂土层中，从而在刀盘和砂土地层之间形成稳定的泥膜。待稳定泥膜形成后，逐渐将土仓内的压力降低至0.15MPa。

在稳定泥膜形成过程中，可同时配制由水泥砂浆和膨润土泥浆调配成的混合浆液。水泥砂浆按照水泥：砂：水=1：a：b的质量比配制，其中：具体数值根据现场地层条件试验得到，本例按砂：水泥：水=0.75：1：1.18的质量比配制。配制混合浆液则按水泥砂浆：膨润土泥浆=1：c的质量比配制，其中，本例取膨润土泥浆：水泥砂浆=0.25：1的质量比配制成混合溶液。在稳定泥膜形成后，将混合浆液由图 4所示的注浆口注入至土仓内，控制注浆压力为0.2MPa，同时保持土仓压力为0.15Mpa，注浆完成后等待24小时。随着混合浆液不断渗入开挖面，在原有稳定泥膜的基础上进一步形成混合泥膜。

2.4 清仓换刀

当混合浆液注入24小时后，开始利用人闸泄压孔观察土仓内混合浆液的凝固状态，待土仓内混合浆液完全凝固后，打开土仓，此时可以观察到土仓内已由硬化状态的混合浆液填充满，因此可以认为此时的土仓内发生突水突泥或开挖面失稳等风险较低。此时，利用风镐自上而下凿除硬化状态的水泥砂浆和膨润土泥浆混合浆液。在凿除到刀盘开口附近时，应注意不能凿开刀盘开口处的混合浆液，以保证开挖面的完整性和稳定性。当土仓内的混合浆液清除干净后，安装固定换刀操作平台，开始换刀作业。先拆除固定刀具的螺栓和自锁螺母，卸掉旧刀具，根据刀具的磨损情况决定是否更换新刀具，然后将新刀具或者不需更换的旧刀具，根据刀盘刀具设计要求和前期刀具磨损情况确定新旧刀具安装位置并安装至导槽内，安装好后用螺栓及自锁螺母固定刀具，确保刀具不会再切割过程中松动，最终完成换刀作业。由于新型混合浆液能使开挖面进行隔水及固化，所以在开仓过程中没有发生漏水或开挖面失稳等事故。如果遇到有地下水从开挖面渗入土仓内，应及时用棉絮或高分子聚合材料进行封堵。当刀盘上的刀具全部检查更换后，重新启动盾构机恢复掘进。