浅析地下密闭空间施工中实现稳定保压的必要性和方法

贾剑虹

摘要：随着地铁建设的发展，盾构工法在地铁建设中起到了越来越重要的作用。它的优越性，实际上是得益于盾构机技术的发展，正所谓“工欲善其事，必先利其器”。在盾构机选型中刀具的选择又是重中之重，要根据地质情况选择相匹配的盾构机，盾构机刀盘刀具布置是盾构机配置的最重要的部分。而刀具又属于易磨损性消耗品，需要经常进行更换，因为地质条件客观存在的复杂性，在实际施工过程中，若区间较长，需要进行开仓检查刀具和换刀，确保盾构机能够顺利到达出洞，但盾构换刀时一般处于较为恶劣的环境，存在较大的安全风险。本文以实际案例广州市轨道交通十四号线支线工程【施工5标】土建工程中盾构区间碰到的软弱地层开仓检查及换刀为例，对非常规开仓中的带压开仓法进行了介绍分析。

Abstract： With the development of subway construction， shield construction method has played an increasingly important role in subway construction. Its superiority is actually due to the development of the shield machine technology， and the so-called "workers must first sharpen their tools". In the selection of the shield machine， the choice of the tool is the most important. The matching shield machine should be selected according to the geological conditions. The cutter layout is the most important part of the shield machine configuration. The tool is also a wearable consumable and needs to be replaced frequently. Because of the objective complexity of the geological conditions， in the actual construction process， if the interval is long， it is necessary to open the warehouse to check the tool and change the tool to ensure that the shield machine can arrive the hole smoothly， but the shield tool replacing is generally in a relatively harsh environment， where there is greater security risk. In this paper， the actual case of the Guangzhou Rail Transit Line 14 branch line project [construction 5 standard] civil construction project in the shield section of the weak formation opening inspection and tool change as an example， the pressure opening method in unconventional opening in the open position was introduced and analyzed.

關键词：盾构;带压开仓;软弱地层;衡盾泥;稳定保压

Key words： shield;open position with pressure;weak stratum;balance shield mud;stable pressure holding

中图分类号：U455.43                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）10-0148-04

1  项目概况

广州市轨道交通十四号线支线工程【施工5标】土建工程项目造价6.748亿元，施工内容包括两个盾构隧道区间（马枫区间长1.87km、枫知区间长2.06km）、6个区间联络通道和两个地下车站。双线两区间总长7.856km。如图1所示。马头庄～枫下区间，起讫里程为支ZDK47+963.700～支ZDK49+834.700，区间左线全长1869m。区间掘进采用盾构法施工，采用的盾构设备为海瑞克土压平衡式盾构机，刀盘直径6280mm，主要配置滚刀、刮刀、齿刀。

马～枫区间左线盾构在649环、797环、1044环已进行3次刀具更换，在1044环刀具更换后恢复掘进，目前已掘进至1228环，共掘进188环，其中通过了基岩爆破段，目前掘进处尚有部分基岩受场地条件影响未完全爆破，掘进过程中扭矩、推力逐渐变大、推进速度小，经对土样、掘进参数等综合分析，因此在1228环（刀盘里程为ZDK47+982.370）处进行带压开仓检查及刀具更换工作。

①本次开仓位于马枫区间左线隧道里程ZDK47+982.370处，隧道正上方为村道、农田、河涌;隧道正上方无其他管线和其他建（构）筑物。开仓位置及地面管线位置如图2所示。②根据地质详勘及地质补勘资料，马枫区间左线盾构里程ZDK47+982.370停机开仓处隧道穿越地层为<7H>强风化花岗岩层、<8H>中风化花岗岩层，隧道上部覆土自上而下为：<1>素填土层（3.00米）、<3-2>中粗砂层（1.10米）、<5H-2>花岗岩硬塑残积土（1.70米）、<6H>全风化花岗岩层（2.30米），隧道埋深约8.10米。③根据项目工期及以往项目的施工经验（参照表1），经过经济技术分析、比选，我们决定选取带压开仓检查、换刀的方案。④根据本次盾构停机位置（ZDK47+982.370）地层及水文地质情况以及隧道埋深条件，隧道埋深8.10米，地下稳定水位为0.5米，故本次开仓做作业拟设定压气作业工作压力为0.85～1.0bar，最高不得超过1.2bar。

开仓位置地质钻孔位置如图2所示;开仓位置地质剖面如图3所示。

2  带压开仓存在的困难和风险

①由于本段隧道上部主要为中粗砂层、残积土层，地层情况及不稳定易坍塌。②盾构停机周边环境密封性差，保压较为困难。③如何实现盾尾及螺旋机的密封，因盾构机停机较久，且出于保压的目的，需要实现盾尾及螺旋机的密封。④确保掌子面稳定性密闭，一旦出现掌子面失稳的情况，将对仓内人员造成安全危害，并对地面周边造成一定的安全风险。

以上几个问题，均与如何实现盾构机土仓及周边环境的保压问题有关，因此如何实现盾构机在开仓检查及换刀过程中的压力稳定与平衡，是本次开仓检查及换刀能否成功的关键所在。

3  应对措施

由于本段隧道上部主要为中粗砂层、残积土层，地层情况不稳定。针对这些问题，我们在开仓前采取施做泥膜护壁的方式加强土层的稳定性，采用盾构后部管片二次注浆施做止水环，衡盾泥浆液置换仓内渣土。具体如下：

3.1 止水环施工

盾壳止水环采用同步注浆、管片背后二次注浆和盾体径向注浆组合注浆方式。土仓保压后对盾体外和盾尾管片进行注浆。利用盾构径向注浆孔向盾体与围岩间隙之间注入衡盾泥，形成止水密封环，堵住后部来水。在脱出盾尾后5环管片中做止水环。管片二次注浆注入双液浆，在盾体外和管片形成密封止水环，保证后部来水不进入土仓，确保土仓压力稳定和周边影响范围内地层稳定。

3.2 地面封堵

附近地面进行过地质勘察钻孔，确保钻孔密封完整。在停机后，精确在地面放样刀盘位置，然后土仓施压，检查地面是否存在漏气情况，发现漏气，用双液注浆封堵。

3.3 盾尾及螺栓机的密封

盾尾注入盾尾油脂→压入衡盾泥（注入量约1-2m3，注入压力1.22.0bar）;如果出现盾尾或盾尾后部管片漏气，涌水现象，在盾尾后倒数第3环，第4环的3，9点以上的每一个吊装孔打开，注入双液浆止水环（双液浆配比：水泥浆：水玻璃溶液=1：1），注入压力控制在1.2-2.0bar，注入量在1-2m3，因管片背后空腔难以估计，因此最终以注入压力进行控制，确保管片背后空腔填充密实，避免水通道形成，螺旋机通过檢查闸门密封及螺旋机中留置土塞的方式保证密封。

3.4 掌子面稳定性密闭

掌子面密闭效果是直接关系到在本地层中带压开仓成败的关键，本次主要采用衡盾泥制作泥膜护壁的方式进行掌子面的稳定性密闭，泥膜护壁施工工艺及流程如下：

3.4.1 泥浆制作材料

泥膜护壁工法采用衡盾泥作为回填材料。衡盾泥具有如下特点：衡盾泥是一种以无机粘土为主要材料，通过改性后与增粘剂反应形成一种高粘度的触变泥浆，具有良好的和易性和粘附性，在水中不易被稀释带走，成膜稳定，附着力好。衡盾泥浆体泥膜护壁具有较好的时效耐用性，封闭保压效果稳定，能满足保压开仓作业的需要。

3.4.2 衡盾泥泥膜护壁工艺

①衡盾泥配制。

1）根据地层的地质条件和掘进要求，选用适当粘度的衡盾泥浆体配比;

2）配制流程：称重A组份→加入需用的水量→充分搅拌均匀（要求无结团微粒）→B组份与A组份浆体中按配比混合→泵送至土仓

A组份：水=1：2.0（浆体）;A组份：B组份=15：1

3）A液制作。衡盾泥A液泥浆可以在地面制作，也可以在隧道内制作，搅拌均匀无颗粒状，无干粉状，无块状。

4）A液与B液混合。通过台车上同步注浆罐，将A液与B液倒入卧式搅拌槽内进行混合，A液放量不能超过卧式搅拌叶片的2/3高度，每次1-2m3，2min后目测达到效果。

②洗仓。

注入位置利用土仓隔板上部观察孔，2点-10点以上孔位;当土仓内填充饱满后，亦可从超前注浆口和盾体径向口进行补充注浆。

置换过程中，注入压力设定为1.2bar，密切观察土仓上部压力变化，动态控制仓内压力，要求如下：

1）控制土仓上部压力在1.2-1.5bar范围内，避免压力过度波动扰动地层。2）当压力超过1.5bar时，应暂停注入30min，观察压力变化，如30min内压力下降至1.2bar恢复压浆。3）注入进行至一定程度后，土仓压力基本稳定，压降较小，应打开螺旋机闸门适当排土，但应保证排土量与注入量基本平衡，并做好记录。4）当螺旋机排土中，出现衡盾泥成分时，可慢速（0.1rpm）旋转刀盘15-20°，再继续压浆。可以根据注入点位与出土口的相对位置关系自由选择刀盘正转或者反转，刀盘旋转方向，应保持该方向旋转，直至土仓置换完成。5）当刀盘旋转一周后，且螺旋机出土连续为衡盾泥时，停止注入。6）注入过程中，如遇土仓压力停止上升或者反降情况，或者注浆流量异常时，应低速转动刀盘，促使衡盾泥与渣土混合，将大粒径颗粒悬浮、裹携、置换出来。7）置换完成后，可回缩推进千斤顶使盾构机后退5cm，便于更换刀具及在刀盘与掌子面之间建立5cm左右的泥膜。应控制刀盘的低速旋转（刀盘转速0.1r/min），在控制压力稳定的情况下，边后退边注入衡盾泥，促使加厚了刀盘前方的衡盾泥厚度及均匀度，形成“泥墙”。

③分级加压。

为了使衡盾泥能更加有效的填充渗透，在排土压气前进行衡盾泥梯级加压试验。

1）本次衡盾泥压入从1.2bar压至1.8bar，共分四个梯次压入，每个梯次的压力为0.2bar，即1.0-1.2、1.2-1.4、1.4-1.6，1.6-1.8，每个梯级共两个小时的动态注入，在每个梯级动态注入过程中刀盘要三次低速转动（0.1转/min，转半圈），以保证注入和渗透的均匀性。2）当注入压力达到1.8bar梯级的时候，进行12个小时的动态保压（1.8bar）注入试验，至少维持二个小时压力不出现明显下降（≤0.2bar），方可进行排土压气过程，注入过程中要记录压力变化情况及每次补注的时间与注入量。3）开仓作业前，应通过盾构机中前体之间的径向孔及超前注浆孔再次补注衡盾泥材料，进一步填充施工间隙及加强衡盾泥渗透性，确保泥膜质量。

3.5 保压试验及检查措施

①保压：止水环施工、地面封堵、盾尾及螺栓机的密封、掌子面稳定性密闭泥膜施做完成后。对土仓进行保压试验：对土仓进行保压试验，保压试验8-12小时。试验过程做好压力变化记录，压力变化值20-30分钟记录一次，保压全过程压力变化应小于0.8bar。当出现大于0.8bar时必须重新施做泥膜，泥膜施做完成后，再次进行保压试验，直至保压在稳定的范围止。

②在保压过程中加强地面监测和地面管线监测。地面监测范围为开仓位置前后30米。保压期间安排测量人员对刀盘所在的位置地面进行监测，如刀盘正上方没有监测点，则进行布设加密监测点，在刀盘正上方布设一个断面的监测点，前后每间隔5米加密一个断面监测点，并利用最近的地表监测点进行监测，监测频率由高至低，保压时的监测频率为每小时两次，4次的监测数据变化速率小于3mm时监测频率改为每小时一次，每个频率的4次监测数据变化速率小于3mm时，监测频率改为2小时一次。

保压期间对地面和周边情况加强巡视工作，检查地面是否有漏气现象，如有漏气则进行注浆封闭。保压期间对地面进行全时段巡视检查，直至保压试验完成为止。

③地质钻探孔监控及防护措施。在加压、保压施工过程中加强对地质钻孔进行监控，检查是否出现冒浆，是否出现漏气，每30分钟检查一次，如出现冒浆、漏气现象立即采取措施。如出现冒浆情况，保证土仓压力，停止注浆，采取地面注双液浆加固方式对钻孔位置进行加固。完成后再加压检查。如出现漏气现象，采用盾体注入衡盾泥进行封堵，封堵完成后，土仓加压检查是否还漏气，如还是漏气，采用地面注双液浆方式对该孔位置进行加固。完成后再加压检查是否漏气。

通过以上措施的实施，在盾构开仓检查及换刀的过程中，盾构土仓的压力始终稳定的保持在1.2～1.5bar范围内，确保了周边地层的稳定，实现了安全顺利的检查及换刀工作。

4  本文小结

本文以广州十四号线支线5标盾构区间施工为工程背景，对非常规开仓检查、换刀中的带压开仓检查及换刀进行分析，并认为如何实现盾构机土仓压力的稳定保压是带压开仓能否成功的关键环节。因此本文重点对如何实现稳定保压的措施进行了介绍与分析，并重点介绍了衡盾泥的使用，并提出了自己的观点，对同类施工有一定的借鉴作用。

参考文献：

[1]陈军强.盾構土舱保压施工工法[J].城市道桥与防洪，2010（8）：195-197.

[2]孟宪彪.软硬不均地层盾构机开仓换刀状态下开挖面稳定控制技术[J].铁道建筑技术，2017（12）：83-87.

[3]王飞.兰州地铁1号线黄河隧道盾构施工难点及应对措施研究[J].铁道标准设计，2017，61（04）：93-99.