花岗岩残积土盾构施工地层加固及开仓技术

黄海峰

（中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司 广东深圳 518083）

1 概述

花岗岩残积土地层，遇水易软化崩解，韧性及干强度低，如何做好该地层的隔水加固措施；选择哪种开仓方式将盾构机开仓的风险降至最低，是在大埋深花岗岩残积土地层中盾构开仓换刀的难点。

广州地铁二十一号线天河智慧城站～神舟路站区间隧道采用土压平衡盾构机进行施工，施工过程中需在花岗岩残积土地层中开仓更换刀具，地质情况从上到下依次为，人工填土约、中粗砂层、淤泥质土层、砂质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩层，隧道洞身及拱顶以上10m均为花岗岩残积土地层，隧道埋深约36.2m；开仓位置水位线距隧道顶约33m，开仓压力大于3.5bar，压力超过人体适应能力，需对地面进行加固处理，将水土压力减至人体能适应的程度。

2 地面加固技术

2.1 加固体的尺寸及加固范围

为保证盾构机在花岗岩残积土地层中开仓换刀的安全顺利，需对盾构机开仓位置进行加固处理；综合考虑造价及工期，一般采用φ48@1m×1m（根据抽芯情况，进行局部调整）梅花形布置的袖阀管进行加固。

加固体长度4m，宽度8m；钻孔深度：盾体及刀盘上方为地面至拱顶以上0.5m，刀盘前方地面至隧道底部，加固体的平面布置，如图1所示。

图1 加固体布孔及与盾构机的平面

2.2 加固方法

花岗岩残积土地层进行注浆加固，首先需要解决地下水的问题，然后再考虑对地层进行加固。由于磷酸水玻璃化学浆具有高渗透性，因此加固体首先注磷酸水玻璃化学浆，进行止水，防止地下水将浆液带走；由于磷酸水玻璃化学浆基本没有强度，所以还需采用水泥水玻璃双液浆对地层进行加固；因此花岗岩残积土地层地面加固，采用袖阀管成孔，注入磷酸水玻璃+水泥水玻璃的综合注浆法。

磷酸水玻璃化学浆配合比：磷酸：水玻璃=1（1：13）：2（1：1.5），此配合比是磷酸水玻璃结晶体的最佳状态，凝结时间15s左右，注浆压力1.5～2.5MPa；磷酸为弱酸，85%磷酸，水玻璃为 39°Bé。

在磷酸水玻璃两侧孔位的基础上，插空布置φ48@1m×1m；注浆浆液采用水泥、水玻璃双液浆，水泥采用42.5级普通水泥；水玻璃采用39°Bé，用水1∶1进行稀释；水泥浆与水玻璃体积比=1：1，注浆压力2.5～3.0MPa。

2.3 加固效果检验

为了确保加固体的质量，在加固体施工完成后，设置4个抽芯孔，检验加固体的固结情况（固结情况不好，对原孔位进行加密），抽芯后采用袖阀管注水泥水玻璃双液浆封孔，注浆压力2.0～2.5MPa。

图2 加固体抽芯效果

3 盾构开仓技术

3.1 开仓准备情况

（1）盾构到达开仓位置前，往土仓注入膨润土等，对渣土进行改良。

（2）调整好盾构机姿态，铰接油缸不能形成夹角。盾尾偏差不能过大。盾尾处若发现漏气现象及时进行油脂补充，进行封堵。

（3）盾构到达开仓位置前，同步注浆保证四根注浆管同时注入，采用注浆量控制。

（4）盾构各保压系统确保运行正常，且必须处于待命状态：气闸系统，低压空气系统，所有要求的注浆口、排浆口必须处于工作状态。

3.2 盾构开仓技术

（1）管片环向封堵：盾构停止掘进，刀盘停止旋转，对脱出盾尾连续4环管片手孔注入水泥水玻璃双液浆进行环向封堵，注浆顺序为先底部再两侧，最后顶部，注浆孔位要间隔错开。确保管片壁后空隙填充密实，无流水涌入刀盘；水泥水玻璃双液浆配比为水泥浆（水泥：水）：水玻璃溶液（水玻璃：水）=3（1：1）：1（1：1），注浆采用压力控制，压力控制 0.5MPa以内。

（2）盾构机径向孔注浆：盾构机掘进至停机位置后，通过中前盾的径向孔注入磷酸水玻璃，配比为磷酸溶液（磷酸：水）：水玻璃溶液（水玻璃：水）=1（1：13）：3（1：1），凝结时间约 15s左右，注浆采用压力控制，压力控制0.5MPa以内。

（3）压力设定：盾构停机时，土仓内渣土不再向前推挤，土仓内土体相对前方土体静止不动即位移为零时，开挖面土体处于弹性平衡状态，此时开挖面前方的土体对土仓内的土体产生静止土压力；根据各层土的厚度、天然容重与静止土压力系数，计算的静止土压力P土=3.4bar，根据广州的地质情况，要确保带压开仓的安全，压力在计算的基础上增加0.2bar，压力达到3.6bar＞3.5bar，压力超过人体适应能力；在地面进行加固后，压力保持在2.8～2.9bar，开仓30多次掌子面及拱顶稳定，无地下水渗入。

（4）土仓出渣：旋转螺旋输送机，通过土仓体积计算渣土方量，先将土仓内碴土排出1/3，停机30min观察土仓的气压及地表沉降情况，如果压力稳定（加气量正常），地表无沉降和气体泄露，继续再将土仓内渣土出至刀盘1/2的位置，再次停机30min观察土仓和地表变化情况，在此过程中应注意保压系统气压补充能力是否能与出碴同步。

（5）保压实验：在土仓渣土排出至规定值后，进行带压进仓前土仓和人仓保压实验。在人仓测试时间压力的同时，观察土仓压力密封效果（主要检查袖阀管的封堵情况），当所有系统及参数检测正常后，将进行开仓步骤。

4 结束语

磷酸水玻璃浆液的高渗透性，提高了水泥水玻璃浆液在花岗岩残积土地层的加固效果，降低了大埋深花岗岩残积土地层开仓的压力及风险，解决了盾构机在此地层中开仓的难题，保证施工安全的同时，降低了造价，提高了工作效率。