基于缓凝凝胶浆液的盾构压气开仓技术研究与应用

梁嘉洛

广州市盾建建设有限公司 广东 广州 510000

随着城市交通建设的快速发展，地下隧道的建设日益增多，盾构技术作为一种先进的施工方法在其中扮演着重要角色。在盾构施工过程中，盾构机压气开仓技术是确保施工顺利进行的关键环节之一。然而，盾构机压气开仓过程中存在一系列技术挑战，如开挖面土体稳定性、仓内气密性的提升等问题。为解决这些挑战，研究人员开始关注并应用缓凝凝胶浆液作为一种有效辅助材料。本文旨在系统综述基于缓凝凝胶浆液的盾构压气开仓技术，并探讨其在隧道施工中的应用前景[1]。通过对该技术的深入研究和分析，将为提高盾构施工的效率和质量提供重要的理论和实践指导。

1 盾构机压气开仓技术综述

1.1 盾构机压气开仓原理

盾构机压气开仓，是指盾构停止掘进后，在开挖仓内气压高于大气压条件下，工程人员进人开挖仓施工作业。其原理是通过向人闸和开挖仓注入压缩空气，使开挖仓内气压提升至指定数值，以改变地层的应力分布及平衡开挖面外水土压力，使开挖面保持稳定，保证开挖仓内人员作业安全，并减少土层的沉降和地面沉陷的风险。盾构机压气开仓原理的关键在于通过开仓作业前对盾构周边地层进行处理等各种辅助工法，保证地层的稳定性和气密性符合要求，确保开挖面的稳定性和施工安全。通过深入理解和研究盾构机压气开仓原理，可以优化施工参数和技术策略，提高施工效率和质量，为地下隧道建设提供可靠的技术支持。

1.2 盾构机压气开仓的挑战

盾构机压气开仓作为地下隧道施工中的重要环节，面临着一系列挑战。气密性的提升是实现高效压气开仓的关键因素。气密性不足会导致气体泄漏，仓内压力骤降造成减压病，危害仓内作业人员的生命安全。此外，开挖面的稳定性也是一个重要挑战。盾构机压气开仓会引起地层变形和土体松动，如果开挖面的稳定性不得到有效控制，可能导致仓内及地层塌方[2]。同时，地下水和地下水位的变化也会对盾构机压气开仓造成挑战，因为水的存在可能会影响气体的扩散和压实效果。在盾构机压气开仓中，需要综合考虑气密性提升、开挖面稳定性以及地下水的影响等多个方面的挑战，并针对这些挑战提出相应的解决方案和技术措施，以确保盾构机压气开仓的安全、高效和可靠性。

1.3 现有的盾构机压气开仓辅助方法

为应对盾构机压气开仓中的挑战，研究人员提出了多种辅助方法来提高施工效率和质量。一种常见的方法是往开挖仓注入惰性浆液后，注入压缩空气进行浆气置换，使开挖面形成一层致密泥膜保证仓内气密性，通过调整压缩空气流量流量，保证仓内压力稳定[3]。此外，采用超前孔注浆预加固，提升开挖面上方土体强度及气密性，从而提高盾构压气开仓的效果也是一种常见方法。另一种方法是往开挖面土体地层注入凝胶化学浆液，以封堵地下水流动通道，增加开挖面土体气密性，提高盾构机压气开仓的成功率。此外，应用先进的监测技术，如应变传感器和地下水位监测系统，能够实时监测地层变化和水文条件，为盾构机压气开仓提供可靠的数据支持。

1.4 缓凝凝胶浆液在盾构机压气开仓中的应用

缓凝凝胶浆液作为一种新型的辅助材料，在盾构机压气开仓中具有广泛的应用前景。其应用主要体现在几个方面。首先，缓凝凝胶浆液可调控土体的凝胶时间，通过选择适当的缓凝剂和添加量，可使凝胶时间延长或缩短，从而满足不同地层条件下的施工需求。其次，缓凝凝胶浆液还能改善土体的流变性能，在盾构机压气开仓过程中浆液均匀的凝胶层，有效填充地层裂隙，增加地层的整体稳定性，减小土体的渗透性，从而提高气密性和防止气体泄漏[4]。此外，通过添加缓凝剂来调控化学凝胶浆液的凝胶时间和流变性，结合超前注浆孔设计和布置，可以扩大土体改善范围，提高盾构机压气开仓的成功率。缓凝凝胶浆液在盾构机压气开仓中的应用具有多方面的优势和潜在效益，为提高施工效率、保障工程安全和质量提供了一种可行的技术方案和工程实践。

2 缓凝凝胶浆液的性质与调控

2.1 磷酸水玻璃浆液的基本性质

磷酸水玻璃浆液作为一种常用的凝胶浆液，在盾构机压气开仓中具有实用性。磷酸水玻璃浆液具有优异的硬化性能和流变性能。通过调节浆液中磷酸和水玻璃的比例，可以控制其硬化时间和黏度，以满足不同施工条件下的需要。磷酸水玻璃浆液具有良好的粘聚性和黏结性，能够增加土体的黏结力和粘聚力，提高开挖面的稳定性和抗裂性。此外，磷酸水玻璃浆液还表现出较好的渗透性，能够渗透入地层裂隙中并形成凝胶层，从而增加地层的整体稳定性。同时，磷酸水玻璃浆液还具有一定的耐水性和耐化学腐蚀性，能够在地下水环境中长期稳定存在。

2.2 浆液参数对凝胶时间的影响

增加磷酸水玻璃的浓度可以缩短凝胶时间，反之降低磷酸水玻璃的浓度可以延缓凝胶时间，然而过度调节浆液浓度会导致浆液凝胶性能不满足改良土体气密性和渗透性的要求。因此，需要加入缓凝剂以延长浆液的凝胶时间。经查阅相关资料，磷酸水玻璃浆液的凝胶时间主要受气温和pH值影响。一般情况下，升高温度可以加快凝胶反应速度，缩短凝胶时间，而降低温度则会延长凝胶时间。在一定范围内，较高的pH值可以加速凝胶反应，而较低的pH值则会延缓凝胶时间。

2.3 缓凝剂的选择与添加量控制

缓凝剂的选择和掺入量控制对于磷酸水玻璃浆液的性能和盾构机压气开仓的效果至关重要。在选择缓凝剂时，需要考虑多个因素，包括浆液pH值、土体类型、地层条件、施工环境、气温等。不同的缓凝剂具有不同的化学成分和作用机理，如无机盐、硅酸盐、聚合物等，可通过与磷酸盐反应来控制浆液的凝胶时间和流变性。在掺入量控制方面，需要根据具体施工需求和实验结果进行优化，确保浆液的稳定性和可控性。过高或过低的缓凝剂添加量都会对浆液的性能产生不利影响。此外，添加量还受到其他因素的影响，如浆液浓度、浆液混合比例等，需要进行合理调整。图1展示了磷酸水玻璃配合比凝胶试验流程图。在室内温度30℃的条件下，通过按不同稀释比例稀释磷酸和水玻璃，然后等体积混合，并加入不同剂量的缓凝剂，成功试验出能将磷酸水玻璃浆液凝胶时间控制在60～100秒左右的浆液配合比。通过合理选择缓凝剂和严格控制添加量，可以实现浆液的凝胶时间、黏度和稳定性的精确调控，以满足盾构机压气开仓的施工要求。

图1 磷酸水玻璃配合比凝胶试验流程图

3 缓凝凝胶浆液的盾构压气开仓技术方法

3.1 盾构机超前注浆孔设计与布置

在设计方面，需要考虑地层的物理性质、裂隙状况以及地下水位等因素。合理布置的超前注浆孔设计可以确保浆液充分渗透到地层中，形成稳定的凝胶带，并增强地层的气密性。布置方面，超前注浆孔应根据盾构机的工作面、土压力分布以及土体变形情况进行合理布置，以实现对地层的均匀加固和稳定支护[5]。合适的孔距可以提供足够的注浆空间和压力，确保浆液充分填充和浸透，从而形成连续的凝胶带和稳定的土体结构。此外，超前注浆孔的布置应与其他施工参数相协调，如盾构机埋深、注浆压力和注浆剂的流量等，以保证施工过程的安全性和高效性。

3.2 微调浆液凝胶时间的方法

在实践中，存在多种方法可以实现凝胶时间的调整。其中，磷酸水玻璃混合浆液的pH值是影响凝胶时间的重要因素。调节浆液的pH值也可以对凝胶时间产生影响。在一定范围内，增加pH值可以加速凝胶反应，从而缩短凝胶时间，而降低pH值则会延缓凝胶时间。磷酸属于中强酸，溶液呈酸性，水玻璃溶液呈碱性，两种材料按不同比例稀释，然后等体积混合，pH值变化较大。若通过分别调整两种浆液浓度来控制凝胶时间，会对凝胶状态有较大的影响，且凝胶时间难以微调。

以调节浆液pH值为目的的缓凝剂选择上，碳酸氢钠溶液呈碱性，可起到调节磷酸水玻璃浆液pH值的作用，且对磷酸水玻璃反应生成的凝胶体状态无影响。同时，碳酸氢钠成本低，易采购，碳碳酸氢钠粉末容易运输和储存。故本技术研究定以碳酸氢钠作为缓凝剂，掺入磷酸稀释液。分别以磷酸稀释比例，水玻璃稀释比例，以及碳酸氢钠掺入量为变量，通过室内试验，研究出能适当延长凝胶时间的浆液配比。最终得出1:4水玻璃稀释液（原液41°Bé）和1:30磷酸稀释液（原液浓度85%），并在磷酸稀释液中掺入质量1%的碳酸氢钠粉末，等体积混合后浆液凝胶时间在88～105秒之间，满足预设要求。

需要注意的是，这些微调方法需要在实验室条件下进行试验验证，并结合具体工程要求进行优化。在实际应用中应根据具体情况进行综合考虑和合理调整，以确保凝胶时间的精确控制和稳定性，提高盾构机压气开仓的施工效率和质量。

3.3 浆液扩散范围的增大与气密性提升

在浆液扩散范围方面，由于缓凝凝胶浆液的扩散性大于普通凝胶浆液，注浆扩散范围可控，故可以通过合理布置注浆孔的数量，减少施工时间，提升开仓效率。合理的孔距设计可以提供足够的注浆空间和压力，使浆液能够充分填充目标区域，实现扩散范围可控，节约成本。此外，采用合适的注浆方法和注浆参数，如注浆压力、注浆速度和注浆剂的流量等，也可以促进浆液在地层中的均匀分布和扩散。在气密性方面，凝胶浆液在地层有效扩散形成较为密实的凝胶带，从而提高地层的气密性。此外，通过其他密封措施，如盾构机盾尾管片注浆施做止水，盾构机径向孔填充等，可以减少气体泄漏和渗透，进一步提升工作区域的气密性。

3.4 盾构机压气开仓成功率的提升

盾构机压气开仓的成功关键在于仓内的气密性，合理的注浆参数以及仓内压力参数选择对成功开仓至关重要[6]。严格控制注浆剂的配比和注浆参数，以确保浆液的流动性和稳定性。适宜的注浆压力和流量可以提供足够的注浆能力，确保凝胶带的形成，封堵土层中的漏气通道和来水通道，提升仓内密封性。此外，对盾构机的维护和保养也是提高成功率的关键。定期检查和维修盾构机的关键部件，尤其是空压机及自动保压系统，保证其在开仓过程中持续正常运行，保持仓内压力稳定，确保仓内作业人员安全。

4 应用领域与前景展望

4.1 基于缓凝凝胶浆液的盾构机压气开仓技术的应用范围

盾构机压气开仓技术作为一种高效、安全的地下工程施工方法，在地铁、电力、水利和管廊工程等领域具有广泛的应用[7]。凡是在复杂地层下采用盾构法施工的隧道，经常出现盾构机刀具损坏、仓内结泥饼，或遇到障碍物等情况，需要在复杂地层下压气开仓作业。该技术能提高盾构机在复杂地层条件下压气开仓成功率，实现降本增效，在盾构法隧道领域的应用范围广泛，能够满足不同工程的需求，提高工程施工效率，降低施工风险。在具体的应用中，仍需结合工程的地质特征、水文条件和环境要求等因素，进行合理设计和施工控制，以确保盾构机压气开仓技术的顺利应用和工程的安全可靠。

4.2 经济与社会效益分析

基于缓凝凝胶浆液的盾构机压气开仓技术的应用不仅在工程施工方面带来显著的经济效益，同时也对社会产生积极影响。从经济角度来看，通过缓凝凝胶浆液辅助盾构机压气开仓技术可以提高工程施工的效率和速度，缩短工期，降低工程成本，提高经济效益。在社会方面，该技术的应用可以提升城市地下空间建设效率，提升了城市形象和功能，促进了经济增长和社会进步。

5 结语

基于缓凝凝胶浆液的盾构压气开仓技术具有重要的应用价值和发展前景。该技术在提高开仓成功率、增强压气开仓作业安全性、缩短工期、降低成本等方面展现了巨大潜力。然而仍需进一步研究和探索，包括浆液配方优化、施工参数调控、工程实践经验总结等方面，以推动该技术在地下工程领域的广泛应用。同时，还需注重环境保护和社会可持续发展，充分考虑工程与环境的协调，为人们创造更美好的城市生活环境。未来的研究和实践将进一步完善基于缓凝凝胶浆液的盾构机压气开仓技术，促进地下工程领域的创新和发展。