浅谈佛山某地铁隧道不良地层盾构带压进舱技术

2018-07-31张岸韬

建设监理 2018年4期

张岸韬

（广州轨道交通建设监理有限公司，广东广州 510010）

1 工程简况

佛山地铁 2 号线某区间隧道采用盾构法施工。隧道分为左、右 2 条线路，单线全长为 2 219 m，线路最大纵坡28‰，最小转弯半径 R=650 m，区间隧道直径 6 m，隧道顶埋深 9.74 m～31.35 m，东平水道河底段隧道顶埋深21.2 m ～23.3 m。

综合考虑左、右线盾构掘进参数差异(右线盾构掘进720 环时，盾构参数无异常；左线盾构掘进 295～333 环时，刀盘位于⑦2强风化砂岩地层，盾构推力大、扭矩大，盾构进尺小)，以及盾构机即将下穿东平水道时，东平水道下局部存在⑧2地层基岩凸起，与左线遇到的情况类似，可能将造成刀具磨损、盾构无法掘进的安全风险等因素，因此，我们在右线盾构机下穿东平水道前，实施了一次盾构带压进舱换刀施工。换刀位置的地质从上到下依次为：①1杂填土；②4-2可塑状黏性土；②5淤泥质粉土；②1B淤泥质土；④N2可塑状黏性土；⑥ 全风化泥岩，砂岩。刀盘顶部覆土厚度 28.83 m。

2 带压进舱技术原理

盾构带压进舱换刀施工毕竟是高风险的作业活动。因此，更需要我们工程技术人员了解和熟悉此类不良地层盾构带压进舱的技术及内在的机理。首先，我们要明确盾构机在遇到什么样的情况下，才要进行带压进舱换刀作业。我们可以这样理解，当盾构机掘进过程推力、扭矩、掘进速度等关键参数发生异常而无法正常掘进，后期施工风险较大，或者刀盘掌子面土体不稳定，不满足常压开舱时，一般要选择带压进舱换刀。为了实现不良地层盾构带压进舱换刀，经过对刀盘前土体的注浆加固处理，在保证加固土体的质量和土舱的气密性良好的条件下，通过对土舱内实施加压来平衡刀盘前掌子面水、土压力和，达到作业面稳定的目的。这就是不良地层盾构带压进舱技术的原理。

3 制作止水环技术

制作止水环的技术是不良地层盾构带压进舱技术中的重要内容。盾构制作止水环的目的是为了保证盾构带压进舱施工时，盾构机尾后方的水不会串流到刀盘前方；同时避免漏气以影响土舱的气密性。因此，我们比较重视盾构止水环的制作，在制作过程中制定了一些质量控制的关键环节及注意事项。

(1) 当盾构机到达指定带压换刀位置前 10～20 环时，在盾构掘进过程中应加强盾构机姿态的质量控制，确保盾构机尾应有良好的间隙。

(2) 在盾构掘进过程中，应加强同步注浆的质量控制，选用较好的同步注浆配比(见表 1)；同步注浆量应满足规范要求。

表1 同步注浆配比

(3) 盾尾后 5～10 环作为止水环。应先注聚氨酯 1 环，接着后续几环注双液浆，间隔注入；应选用初凝时间较短的二次注浆配合比(见表 2)，进行高质量的止水环施工。

表2 二次注浆配比

(4) 注浆压力控制。根据隧道埋深，计算注浆处静止水压及土压力之和。一般情况下，二次注浆压力比此数值大0.3 MPa。

(5) 注浆量应保证注浆总量。注浆孔出现返浆时，停止注浆，同时应注意避免造成管片错台。

4 制作泥膜技术

制作泥膜的技术是不良地层盾构带压进舱技术中非常重要的内容。其制作的质量和效果，在直接关系到掌子面土体稳定的同时，也会给盾构带压进舱作业人员带来巨大的安全风险。制作泥膜的技术主要分为三个部分：泥浆的调制、运输和加压注入；加压和减压试验；泥膜的形成。

4.1 泥浆的调制、运输和加压注入

泥膜所用的泥浆需要通过调制、运输和加压注入，才能到刀盘前方土体内。因此，需要考虑泥浆池的容量、搅拌方式、摆放位置及泥浆的运输方式等方面的内容。我们根据取材的方便与否，优先选用了钢板，采用焊接的方式制作了一个 6 m×6 m×1.5 m 存放泥浆的储浆池(见图 1)；在储浆池上的一端安装了一个功率为 30 kW 的长杆泵，另一端安装一个功率为 30 kW 的离心泵(见图 2)用以调制泥浆。泥浆主料采用膨润土和水进行调制。通过调配使泥浆稠度达到 80 s以上，效果较好。接着，我们将调制好的膨润土泥浆通过管道泵送到井下运输车上的储浆箱里，并通过电瓶车将装满膨润土泥浆的储浆箱运输到盾构台车的相应部位。最后，通过事先修改的管路将膨润土泥浆注入到土仓内。

图1 储浆池

图2 离心泵

4.2 加压和减压试验

膨润土泥浆注入到土仓内后，需要先进行加压试验。通过增大气压的方法把膨润土泥浆压入刀盘前方土体内，并固结土体。我们一般将加气压到比刀盘前方土体静止的水、土压力之和大 0.5 bar 左右。加压后应静止 12 h；待“泥膜”形成后开始逐渐减压。先将土仓内泥浆逐步减少，同时补入压缩空气；当泥浆液面降至相应的 3 点和 9点位置时，停止继续排浆和减压。

4.3 泥膜的形成

当我们观察到土仓内上部的土压和气压无明显波动、泥浆液面无上升，同时盾构刀盘上前方地面或水面无漏气和冒泡现象时，可以初步判断泥膜已形成；否则，则需重新制作泥膜。此外，还需要对泥膜质量进行检查，应保证一定的厚度，使泥膜的平均厚度达到 5 cm 以上，才能达到固结土体、稳定掌子面的效果。

5 带压进舱技术

带压进舱技术是不良地层盾构带压进舱技术中极其重要的内容。带压进舱技术主要包括人舱和土舱的密闭性检查、掌子面检查、应急措施检查、带压进舱查刀、换刀等方面内容。

5.1 人舱和土舱的密闭性检查

人舱和土舱的密闭性检查是带压进舱技术的重要组成部分，是进舱前人员安全的重要保障。因此，在进舱换刀作业前，应对人舱和土舱的密闭性进行检查，合理设置土舱压力，抵御刀盘前水土压力。当土舱压力设置过低时，抵挡不了水土压力，将会击穿泥膜，引发安全事故；当土舱压力设置过高时，压缩空气将冲坏泥膜。土舱压力设置的合理与否，主要通过 3 h 的土舱密闭性试验，来观测土舱压力及补气量的损失变化。当加压一段时间后土舱压力稳定、补气量变化小，即是我们应选择的合理压力 3 bar。人舱密闭性试验也非常重要，同样需要引起重视。当压力升至设计压力时持续 30 min，升压即为合格。当压力降至 0时，减压即为合格；如压力不能降至0时，需要检查土舱门的密封。

5.2 掌子面的检查

为了对进舱前掌子面的安全条件进行确认，我们应进一步判断掌子面的地质改良情况。在气体检测合格的情况下，由土木工程师通过土舱口观察刀盘辐条开口处的掌子面，对掌子面的稳定性进行检査和确认(见图 3)。如果掌子面的稳定性较差，应停止进舱作业。

图3 掌子面

5.3 应急措施的检查

不良地层下盾构带压进舱换刀施工的应急措施检查，是保证带压进舱换刀期间的用电安全和压力安全的重要手段。为了预防突然断电引发的安全事件，我们专门配备了 1台检验合格的 200 kW 临时发电机(见图 4)和 1 台检验合格的 55 kW 临时空气压缩机(见图 5)，来保证持续的用电和压力的供应。同时，经过对其他应急物资的检查，物资已齐备，应急措施已到位，可进行查刀和换刀的作业。

5.4 带压进舱查刀和换刀

带压进舱查刀和换刀作业是带压进舱技术的重要一步。其包括刀盘、刀具磨损检查(见图 6)和刀具更换等内容。在进舱排查完刀盘和刀具的磨损情况后，按照《带压进舱换刀作业指导书》的要求，有序地运送作业工具、待更换的刀具等物品至主舱，由经身体条件检查合格的专业人员进舱拆卸及更换刀具。作业过程中时刻注意掌子面的情况；发现掌子面出现漏水等异常情况，立刻撤离人员出土舱。同时，监舱人员在主舱外面监控带压进舱换刀作业人员的作业时间及压力表上压力变化的情况。通常每组有效带压作业时间为 3 h，交替更换进仓作业；作业过程压力控制在 3 bar。换刀作业完成后，人员应减压后出舱，作业工具不能遗留在土舱内。待更换刀具检查无误后，关闭舱门，盾构恢复掘进。