盾构法压气作业半仓置换施工技术研究与应用

2023-06-07程楚慧曾宪锋

中国新技术新产品 2023年5期

程楚慧曾宪锋

（粤水电轨道交通建设有限公司，广东广州 510600）

目前城市轨道建设大多采用盾构法施工，盾构法施工不影响交通，施工噪声小，适应各种地层，地表沉降易控制，地下管线不受干扰。采用盾构法施工，进入土仓检查和更换刀具不可避免，特别是在刀盘前方土体不稳，当常压开仓存在风险时，就需要采用带压作业。

国内外对气压开仓技术已有研究，以往气压开仓中泥膜制作、浆渣置换、气浆置换均按照全仓置换方法进行，但实际施工中，如刀盘结泥饼，土仓碴土固结，刀盘前方土体不稳，地层扰动有空洞，富水地层喷涌，螺旋机密封不严，需要压气换刀，土仓碴土不可能全部置换且开仓过程，保持仓内稳定的时效性较短。李应娇等[1]研究盾构机土仓气密性检测、土仓土气置换、分散剂注入与半气压搅拌浸泡施工技术，解决了盾构机在不具备开仓条件下处理盾构机泥饼的问题，避免了人员进仓处理泥饼的风险以及因盾构机开仓而造成地面及邻近建筑物发生沉降的风险。马卉、祝思然等[2]通过室内试验及理论计算的方法对衡盾泥的泥膜气密性进行分析，保证盾构开舱时配置的空压机完全满足补气条件。贺霄飞等[3]探讨了压气作业在不稳定地层中更换刀具的情况，并阐述了压气作业中的常见问题及处理方法。在实际施工中，如刀盘结泥饼，地层扰动，土仓渣土部分固结，富水地层喷涌，螺旋机闸门密封不严，需要带压开仓，土仓碴土不可能完全置换。为解决上述技术难题，须针对盾构法压气作业半仓置换施工技术进行研究，形成了相应的施工技术。

1 工程概况

广州市轨道交通八号线北延段【施工6 标】土建工程盾构区间，位于广州市白云区石槎路，包括聚龙站～平沙站区间0.25 km、平沙站～小坪站区间 1.15 km，采用盾构法施工。盾构埋深在 10～13m，隧道穿越地层为<3-3>砾砂层、<3-2>中粗砂层、<4N-2>可塑状粉质黏土层、<4N-3>硬塑状粉质黏土层、<6C>泥岩页岩全风化层、<8C-1>质灰岩中风化带、<9C-1>炭质灰岩微风化带、<9C-2>微风化灰岩层，地层复杂。在该类地层进行盾构施工，一方面由于灰岩地层强度较高，容易造成刀具和刀盘的严重破损；另一方面，由于上软下硬地层，地层稳定性差，给开仓检查及刀具更换带来极大困难。盾构在该类地层中掘进需要经常开仓检查及刀具更换。

2 总体思路

盾构法压气作业半仓置换施工技术方案主要是通过盾尾管片注双液浆，尾刷注盾尾油脂，盾体径向注膨润土，形成土仓后部密封；通过半仓浆渣置换，降低浆液配比，提高泥膜压力，增加泥膜等级，更好地形成土仓前部密封；通过气浆置换，土仓气体保压试验，跟踪空压启动频率，判断泥膜制作效果，保证人员顺利进入土仓，保证开仓作业时间。1）首次通过半仓置换方法，解决在刀盘结泥饼、地层扰动、土仓渣土部分固结、富水地层易喷涌、螺旋机闸门密封不严易喷涌，土仓碴土不能完全置换的问题，解决土仓磕土超排的风险，同时克服设备不能密封的风险。2）优化泥膜材料配合比，降低了稠度，提高浆液流动性和扩散性，浆液置换方便，操作安全，判断准确，缩短泥膜制作施工工期。3）为带压开仓提供稳定、可靠、安全的作业环境，给盾构法带压开仓提供足够的仓内作业时间。4）通过测量空压机的启动与停止的频率，确定掌子面的密封性能，从而为带压开仓持续时间提供参考，为人员在土仓内作业的安全性提供重要评估依据，为气压开仓的安全性提供重要评估依据。

2 开挖仓气压的确定

气压作业工作压力：能保证掌子面的稳定的开挖仓气压，如公式（1）所示。

式中：Pw为计算至隧道开挖中心的水头压力；Pr为考虑不同地质条件、地面环境及开挖面位置的压力调整值。

在气压作业前，应进行保压试验。在开仓前进行渣土输出，同时加入气体进行置换。当开挖仓内压力达到预定值时（预定值不得低于计算所得的理论工作压力），打开自动保压系统。当仓内土体降至设定高度后，如果开挖仓压力保持2 h没有变化或没有发生大的波动，就说明保压试验合格。

在确定气压，准备进行压气前，一定要保证盾尾的油脂注入量和砂浆注入量足够，保证土仓不漏气。

3 施工工艺流程

盾构法压气作业半仓置换施工工艺流程图如图1 所示。

图1 盾构整体快速过站装置流程图

4 盾构法压气作业半仓置换施工

4.1 盾尾管片注双液浆

停机前，保证饺接行程不少于15 cm。在脱出盾尾的后5环管片注入双液浆止水，保证后部来水不进入土仓，保证土仓压力稳定和周边地层稳定。注浆压力按盾构埋深控制，通过注浆孔检测二次注浆密封效果。常压进仓主要应保证刀盘前方周围地层稳定和后部无来水的要求，因此止水封堵效果及进行封堵的位置至关重要，进仓前采用管片背后二次注浆和盾体径向注浆组合的方式。

倒数3-5 环管片进行壁后双液注浆止水，同时在盾体径向注浆孔注入膨润土泥浆及聚氨酯加强止水和防止双液浆固结包裹盾体。保证壁后填充密实，形成封闭止水环。盾尾管片注双液浆施工示意图如图2 所示。

图2 盾尾管片注双液浆示意图

注浆压力为0.2MPa～0.4MPa。每环的注浆量一般为1m3～2m3，注浆量受到注浆压力的影响，实际注浆量还应参考注浆压力来决定。区间二次注浆采用水泥浆、水玻璃双液浆进行，水泥浆采用P.C42.5 普通硅酸盐水泥，水玻璃采用35Be＇（波美度）的浓度，水泥浆浆液水灰比为1 ∶1；水泥浆与水玻璃的配比（体积比）为1 ∶1。注浆施工记录表见表1。

表1 注浆施工记录表

注浆24 小时后，打开管片上注浆球阀，无外流水即可，少量滴漏、壁管湿润亦视为合格。盾尾打开盾体上球阀，检查漏水情况，无线性外流水即为合格。

4.2 盾尾注盾尾油脂和盾体径向注膨润土

在尾刷和盾尾之间注入油脂，密封尾刷和盾尾之间间隙。注入压力按盾尾埋深控制，并详细记录注入时间、注入点位位置、注入量以及注入压力等。通过盾体径向预留孔，在盾体径向注膨润土或衡盾泥，填充盾体和土层之间间隙，保证周边地层稳定止水。并详细记录注入时间、点位、注入量以及注入压力等。

4.3 浆液制作

浆液制作以衡盾泥为例，衡盾泥是一种以无机黏土为主要材料，通过改性后与增黏剂反应形成一种高黏度的触变泥浆，具有良好的和易性和黏附性，在水中不易被稀释带走，成膜稳定，附着力好。按照半仓置换要求，适当降低浆液配比。

浆液制作以衡盾泥为例，衡盾泥是一种以无机黏土为主要材料，通过改性后与增黏剂反应形成一种高黏度的触变泥浆，具有良好的和易性和黏附性，在水中不易被稀释带走，成膜稳定，附着力好。按照半仓置换要求，适当降低浆液配比。A 液∶衡盾泥：水360kg ∶1000kg，A 液∶B 液：（12.5-20）∶1。其中A 液制作直接在隧道内进入，将衡盾泥和水直接在砂浆车内混合和搅拌，通过剪切泵进行二次循环剪切。保证A 液无颗粒状，无干粉状，无块状。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。

4.4 浆渣置换

注入位置利用土仓隔板3、9 点预留球阀，在置换过程中，将注入压力设定为0.5MPa，密切观察土仓上部压力变化，动态控制仓内压力，要求如下：恒定土仓上部压力，避免压力过度波动扰动地层。适当打开螺旋机闸门排土，保证排土量与注入量基本平衡，并做好记录。在螺旋机排土过程中，当出现衡盾泥成分时，可慢速（0.1 r/min）旋转刀盘15 °～20°，再继续压浆。直至土仓置换完成一半左右。

4.5 刀盘回缩

置换完成后，可回缩铰接，使盾构机后退5cm，使刀盘与掌子面之间建立5cm 左右的泥膜。可加厚了刀盘前方的衡盾泥厚度及均匀度，形成“泥墙”。

4.6 泥膜制作

加压等级为5 梯级，第1 梯级为开仓工作压力0.02MPa，每梯级升高0.02MPa。每梯级压降达到0.02MPa 后，重新注入浆液；每半小时低速转动刀盘1 次，每次转动半圈；压降小于0.02MPa /2h，提升压力等级。

最后一级，当注入压力达到设计压力时，进行12 h 的动态保压注入试验，至少保持2 h 压力不出现明显下降（≤0.02 MPa），才可以进行排土压气，注入过程中要记录压力变化情况以及每次补注的时间与注入量。

通过2～4 h 的保压和持续补浆，泥膜已经形成一定规模。形成的泥膜是否能够提供带压作业时的围护作用，需要通过泥膜检验来做初步的判断。通过排浆逐步将土仓压力回调至工作压力，开始观察2h，如发现土仓压力有逐渐上升的趋势，说明外围压力大于设定的土仓压力，需要增大工作压力。如果土仓压力变化小于0.005MPa，就说明满足泥膜满足保压标准，进入换气排浆的阶段。各种压力泥膜制作记录表（5 级）见表2。

表2 泥膜制作施工记录表

4.7 气浆置换

在保压过程中缓慢地将泥浆排出，整个过程必须平稳缓慢地进行，避免出现浆液排出过快造成上部欠压的情况。出渣压力按照开仓时工作压力来设置，出渣过程中压力变化不超过0.005MPa 。当泥膜制作达到最后一级后，通过土仓隔板3、9 点位预留球阀进行气浆置换。3、9 点位球阀接管，将浆液排至砂浆车内；土仓压力达到开仓压力后，开通气动自动加压装置，使土仓压力恒定；继续排出浆液，通过球阀开关，调节浆液流量，保持土仓压力稳定；当3、9 位球阀排出气体后，置换成功。

4.8 土仓保压

空压机频率是监控土仓压力是否稳定的关键，气浆置换完成后，在土仓保压阶段，空压机运行频率加载时间与卸载时间不小于1/10；在气压开仓作业阶段，空压机运行频率加载时间与卸载时间不小于1/2。

当达到设计压力后，进行保压。保压持续2～4 h。在保压过程中，注浆罐中保留适当的泥浆，控制室内安排不间断观察。泥浆进行渗透后，压力下降，此时通过注浆系统继续向仓内补浆，直至液面和压力恢复到最大允许压力。压力变化值20 min～30 min记录一次，保压全过程压力变化小于0.005MPa，视为保压试验合格。当出现大于0.005MPa 时必须重新施作泥膜，泥膜施作完成后，再次进行保压试验，直至保压在稳定的范围。

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。

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。

5 实施效果

与盾构压气换刀全仓置换对比，该技术结合施工实际情况，克服了土仓渣土不能全部置换的缺点，通过优化泥膜材料配比，增加泥膜制作等级，提高泥膜制作压力，保证了泥膜质量，该技术结合实际，操作方便，可克服螺旋机闸门泄漏，不易造成地面塌陷，安全性大大增加，开仓成功率大大增加。其中泥膜制作可以采用膨润土，也可采用衡盾泥。浆渣置换，不用全部置换完成，可达到浆液加压制作泥膜条件，既节约了泥膜材料，又减少了由于超排造成的地面塌陷。气浆置换，浆液排出不用螺旋机，通过土仓隔板3、9 点预留球阀排放，通过土仓隔板3、9 点预留球阀，检测土仓液面，保证开仓顺利换刀，避免了由于螺旋机闸门无法保压和浆液超排等造成土仓泄压，地面塌陷的风险。