在上软下硬地层条件下带压开仓施工技术研究与应用

李春杰

摘  要：文章以厦门市轨道交通2号线二期工程某区间土压平衡盾构在上软下硬（上部为凝灰熔岩残积黏性土，下部为微风化凝灰熔岩）的地层施工中遇到盾构推力、刀盘扭矩、出渣温度等参数出现明显增大且刀盘频繁卡死等情况，为保证工程的安全顺利进行，采用带压开仓技术进仓更换刀具及清理障碍物，实施效果良好，可为同类工程提供相关经验。

关键词：WSS注浆;泥膜建立;保压试验;压力设定

中图分类号：U455.4 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0128-03

1 概述

随着城市地铁兴建，盾构机的应用范围越来越广泛，尤其是在软硬不均地层掘进施工时，盾构易出现推力大、刀盘扭矩异常、渣温异常等情况，易造成刀具偏磨损坏，使施工安全风险加大。因此，及时开仓检查更换刀具是降低盾构施工的关键举措。厦门轨道交通2号线某区间全长1143.350m，采用土压平衡盾构法施工，开挖直径6.48m，盾构在掘进至400环位置处存在基岩凸起，导致刀盘刀具磨损严重，需进行带压进仓进行刀具检查及更换。

2 工程概述

盾构停机开仓位置隧顶覆土深度约14.4m，该处地质情况由上至下分布主要为<1-2>素填土、<8-1-2>粉质粘土，隧道通过的地层主要为<11-3>凝灰熔岩残疾粘性土、<12-1>全风化凝灰熔岩、<12-2>散体状强风化凝灰熔岩、<12-5>微风化凝灰熔岩，为典型的上软下硬的复合地层。

由于基岩凸起段地处马銮湾片区，原上覆地表为鱼塘虾塘等水产养殖区，地下水丰富，供给量充沛，地下水位埋深1.1～2.8m，区间砂层分布的承压水其承压性明显，承压水头较高。

3 施工特点

在上软下硬的地层中带压开仓施工保压措施采用“WSS注浆加固+膨润土建泥膜”的方式，其特点如下：

（1）地面注浆加固采用WSS工法实施，WSS工法采用AB液（水玻璃和磷酸）和AC液（水玻璃和水泥浆）两种浆液对地层加固止水处理。

（2）AB液具有良好的止水性，能够调节固化时间，浆液固化后不收缩、对地下水无污染，是一种绿色环保材料。

（3）AC液具有强度高的特点，同时也能够调节凝固时间，有效控制地层沉降。

（4）泥膜的建立，泥膜采用钠级膨润土配置，要求漏斗粘度达到60～80s，主要为了保证带压开仓时土仓的密封效果。

4 施工原理

盾构停机后，首先对盾构前盾、中盾、盾尾及土仓注入膨润土，主要起到防止注浆加固时抱死问题。其次，施工止水环，起到盾尾隔水作用，保证土仓内无水涌入，同时对盾体前方及上部的土体进行WSS地面注浆加固，达到稳定地层的目的;最后，通過泥膜建立、土仓密封检查及保压系统调式等，满足规范验收后，才能进仓作业。带压进仓施工工艺流程如图2所示。

5 施工控制要点

5.1 盾尾止水环施工

在施作止水环时，应从盾尾后3～6环进行二次注浆双液封堵，保证浆液充分与管片包裹，防止带压开仓过程中地下水涌入，同时也防止在保压过程中气压从盾尾泄漏影响保压效果。

（1）注浆前，用同步注浆管路向盾尾后方注入比较粘稠的膨润土，保护注浆管路和盾尾。

（2）从盾尾第3环向第6环开始连续注浆，共计4环。主要通过管片吊装孔注入双液浆，双液浆配合比例为：水玻璃：水=1：2（体积比），水泥：水=1：1（质量比），水泥浆：水玻璃=1：1（体积比）。注浆完成后，在相应的管片上开孔检查密封效果，无明显流水为合格。

（3）注浆过程中，以注浆压力为主，注浆量为辅的原则，压力控制在0.2～0.35MPa，同时注意观察土仓压力变化防止浆液窜入土仓。如果有变化应当停止注浆，并适当转动刀盘，防止固结刀盘。

5.2 WSS注浆加固

WSS注浆加固范围为盾构刀盘切口环前3m以及切口环后2m，加固深度为隧道下3m，在盾构体范围内的为盾体上2m，注浆孔采用1.5m梅花形布设。

5.4 泥膜建立

土仓泥膜由钠基膨润土和水绊制的高粘度泥浆形成，通过盾构拌浆罐由注浆泵注入土仓，泥膜泥浆每立方米配合比为80～100kg（膨润土）：10kg（水），粘稠度控制在60～80s，泥浆比重控制在1.1～1.15之间，泥浆注入量控制在约24m3左右。具体操作步骤如下：

（1）通过螺旋机出土将仓内土方高度降至盾构机中心轴线位置。制作泥膜前，铰接长度宜伸长50～80mm，有助于撤销盾构顶力后换刀作业。

（2）通过1#加泥加水管向土仓顶部注入膨润土浆液，当土仓顶部压力大于2.0bar的时候，开始进行渣土置换，过程中如果仓内压力过高，加大出土，持续注入膨润土。控制土仓顶部压力在2.0bar左右，此过程尽量少转动刀盘，如遇出土不畅，短时间低速转动刀盘（转速0.2-0.4）。

（3）渣土置换完成后，关闭螺旋机闸门，进行1-2小时的保压，顶部压力2.0bar以上。

（4）准备好第二批膨润土溶液，开启螺旋机闸门，完成第二次渣土置换;顶部土压力维持在1.4-1.5bar，持续观察2h，顶部土压力低于1.4bar，需补充注入膨润土，第二阶段排土与第一阶段排土总量控制在2/3土仓容量左右，即22m3左右，等压力稳定之后，静待6-12h，使膨润土充分进入掌子面及周边地层，形成密封泥膜，施工中尽量将膨润土渗入到土层中，采用压力差的方式增加膨润土的渗透量。

（5）打开排气口球阀，进行疏通，确保畅通无泥土，然后接入平衡阀气管，并设定保压控制柜压力值为1.4bar，保压2h，如果地面隆沉在5～-10mm以内，无泄气冒泡现象，气压稳定且变幅不超过0.05bar时，则证明泥膜气密性良好。

图4 泥膜形成现场照片5.5 设备保障措施

在带压开仓前应对开仓所涉及的设备进行全面排查，确保设备在开仓作业过程中正常运转。

（1）全面清洁人仓，检查仓门的密封情况：清洁密封接触面，确保仓门密封效果，检查刀盘操作箱操作是否正常;检查测试防爆电话是否能使用;检查压力表安全阀、压力记录仪、空气流量计、加热器、照明灯等设备是否正常，压力表、安全阀需由有资质的检测单位进行鉴定，压力记录仪做功能性检测。

（2）全面调试土仓自动保压（samson）系统，确保管路通畅、系统正常工作，盾构自带2套保压系统，应分别检查调试，根据预定的开仓土压进行调试，确定压力变送器安全可靠，确保2套系统工作正常。需对盾构配置的空压机，包括滤芯、油位、排气阀、油气分离器、三联件等进行全面检测，检测供气系统中的空气净化器、过滤器，检测空压机仪表及控制元件，保证空气供应正常。

（3）配备满足施工要求的备用空压机及备用电源在压气作业期间，必须保证电力不中断，盾构机绝不允许出现跳电的情况。

5.6 带压开仓实施

（1）进仓前准备工作

进仓之前，再一次检查仪表、供气、排气、通讯、照明、保压、温度计、紧急电话及阀门、仓门密封是否干净;再一次检查作业所需工具设备材料是否齐备地放置在仓内。

（2）保压试验

a.为防止保压系统进气管路堵塞，把进气孔改至土仓壁板最高点的，土仓第一次排渣容积为1.505m3，离土仓顶部大约60cm位置，并保证上部管路畅通，土仓压力维持在1.4bar。

b.第二次排渣将膨润土液位降到土仓人闸门及保压系统进气孔以下位置（2点-10点位置），并保证上部土压计全部漏出来，保压系统压力设置为1.4bar，往土仓加气，土压维持在1.4bar，3h后觀察土仓压力变化及保压系统及空压机运转情况，通过实验数据显示证明自动保压系统运行良好，土仓压力没有大的波动，满足规范要求，可以进行下一步进仓。

（3）工作人员进入副仓，关闭副仓仓门，使用电话与人闸值班员保持联系，依照主仓加压程序达到副仓的压力平衡。

（4）开启保护仓与主仓之间的压力平衡阀，消除两仓之间的气压差，用气体检测仪检查土仓内气体，确保无有害气体后才能进仓作业。

（5）进仓：拧松土仓门锁紧装置，先开一条缝，再缓慢开启，防止土仓内泥浆或渣土突然涌入人仓。

（6）进入土仓。打开土仓门后，先站在门口观察土仓内液位及掌子面稳定性，确保掌子面无塌落及漏水情况，人员进入土仓，开始相关作业。

（7）减压出仓工作

检查所用工具保证所有工具带出土仓，人员全部进入人仓后，土仓和气仓之间的土仓门关闭，土仓和气仓的连通阀关闭，气仓和人仓之间的气仓门关闭，严格按照减压方案进行减压。

5.7 恢复掘进

换刀工作结束后，待人员与设备撤出土仓和人闸后，启动刀盘，恢复掘进（暂时不出土），为确保前部掌子面的稳定性，恢复掘进时，必须采用回填土的方式来实现土压代替气压。

6 结束语

土压平衡盾构在上软下硬的复合地层中带压进仓的技术要求较高，风险难度较大，其中土仓掌子面泥膜的建立及土仓压力的设定与计算是盾构带压开仓施工成功的关键。厦门轨道交通2号线某区间盾构在上软下硬的复合地层中成功完成带压开仓施工，并取得了良好的效果，为今后类似工程提供了参考和经验，降低土压平衡盾构在复杂地质情况下带压开仓施工的风险。

参考文献：

[1]曹金鼎，刘晓正，庞林.泥水平衡盾构机带压开舱施工技术研究与应用[A].2018中国盾构工程技术学术研讨会论文集[C].2018：

189-195.