淺談佛山某地鐵隧道不良地層盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙技術(shù)

張岸韜

（廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司， 廣東 廣州 510010）

1 工程簡況

佛山地鐵 2 號線某區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。隧道分為左、右 2 條線路，單線全長為 2 219 m，線路最大縱坡28‰，最小轉(zhuǎn)彎半徑 R=650 m，區(qū)間隧道直徑 6 m，隧道頂埋深 9.74 m～31.35 m，東平水道河底段隧道頂埋深21.2 m ～23.3 m。

綜合考慮左、右線盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)差異(右線盾構(gòu)掘進(jìn)720 環(huán)時，盾構(gòu)參數(shù)無異常；左線盾構(gòu)掘進(jìn) 295～333 環(huán)時，刀盤位于⑦2強風(fēng)化砂巖地層，盾構(gòu)推力大、扭矩大，盾構(gòu)進(jìn)尺小)，以及盾構(gòu)機即將下穿東平水道時，東平水道下局部存在⑧2地層基巖凸起，與左線遇到的情況類似，可能將造成刀具磨損、盾構(gòu)無法掘進(jìn)的安全風(fēng)險等因素，因此，我們在右線盾構(gòu)機下穿東平水道前，實施了一次盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙換刀施工。換刀位置的地質(zhì)從上到下依次為：①1雜填土；②4-2可塑狀黏性土；②5淤泥質(zhì)粉土；②1B淤泥質(zhì)土；④N2可塑狀黏性土；⑥ 全風(fēng)化泥巖，砂巖。刀盤頂部覆土厚度 28.83 m。

2 帶壓進(jìn)艙技術(shù)原理

盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙換刀施工畢竟是高風(fēng)險的作業(yè)活動。因此，更需要我們工程技術(shù)人員了解和熟悉此類不良地層盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙的技術(shù)及內(nèi)在的機理。首先，我們要明確盾構(gòu)機在遇到什么樣的情況下，才要進(jìn)行帶壓進(jìn)艙換刀作業(yè)。我們可以這樣理解，當(dāng)盾構(gòu)機掘進(jìn)過程推力、扭矩、掘進(jìn)速度等關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生異常而無法正常掘進(jìn)，后期施工風(fēng)險較大，或者刀盤掌子面土體不穩(wěn)定，不滿足常壓開艙時，一般要選擇帶壓進(jìn)艙換刀。為了實現(xiàn)不良地層盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙換刀，經(jīng)過對刀盤前土體的注漿加固處理，在保證加固土體的質(zhì)量和土艙的氣密性良好的條件下，通過對土艙內(nèi)實施加壓來平衡刀盤前掌子面水、土壓力和，達(dá)到作業(yè)面穩(wěn)定的目的。這就是不良地層盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙技術(shù)的原理。

3 制作止水環(huán)技術(shù)

制作止水環(huán)的技術(shù)是不良地層盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙技術(shù)中的重要內(nèi)容。盾構(gòu)制作止水環(huán)的目的是為了保證盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙施工時，盾構(gòu)機尾后方的水不會串流到刀盤前方；同時避免漏氣以影響土艙的氣密性。因此，我們比較重視盾構(gòu)止水環(huán)的制作，在制作過程中制定了一些質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及注意事項。

(1) 當(dāng)盾構(gòu)機到達(dá)指定帶壓換刀位置前 10～20 環(huán)時，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)加強盾構(gòu)機姿態(tài)的質(zhì)量控制，確保盾構(gòu)機尾應(yīng)有良好的間隙。

(2) 在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，應(yīng)加強同步注漿的質(zhì)量控制，選用較好的同步注漿配比(見表 1)；同步注漿量應(yīng)滿足規(guī)范要求。

表1 同步注漿配比

(3) 盾尾后 5～10 環(huán)作為止水環(huán)。應(yīng)先注聚氨酯 1 環(huán)，接著后續(xù)幾環(huán)注雙液漿，間隔注入；應(yīng)選用初凝時間較短的二次注漿配合比(見表 2)，進(jìn)行高質(zhì)量的止水環(huán)施工。

表2 二次注漿配比

(4) 注漿壓力控制。根據(jù)隧道埋深，計算注漿處靜止水壓及土壓力之和。一般情況下，二次注漿壓力比此數(shù)值大0.3 MPa。

(5) 注漿量應(yīng)保證注漿總量。注漿孔出現(xiàn)返漿時，停止注漿，同時應(yīng)注意避免造成管片錯臺。

4 制作泥膜技術(shù)

制作泥膜的技術(shù)是不良地層盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙技術(shù)中非常重要的內(nèi)容。其制作的質(zhì)量和效果，在直接關(guān)系到掌子面土體穩(wěn)定的同時，也會給盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙作業(yè)人員帶來巨大的安全風(fēng)險。制作泥膜的技術(shù)主要分為三個部分：泥漿的調(diào)制、運輸和加壓注入；加壓和減壓試驗；泥膜的形成。

4.1 泥漿的調(diào)制、運輸和加壓注入

泥膜所用的泥漿需要通過調(diào)制、運輸和加壓注入，才能到刀盤前方土體內(nèi)。因此，需要考慮泥漿池的容量、攪拌方式、擺放位置及泥漿的運輸方式等方面的內(nèi)容。我們根據(jù)取材的方便與否，優(yōu)先選用了鋼板，采用焊接的方式制作了一個 6 m×6 m×1.5 m 存放泥漿的儲漿池(見圖 1)；在儲漿池上的一端安裝了一個功率為 30 kW 的長桿泵，另一端安裝一個功率為 30 kW 的離心泵(見圖 2)用以調(diào)制泥漿。泥漿主料采用膨潤土和水進(jìn)行調(diào)制。通過調(diào)配使泥漿稠度達(dá)到 80 s以上，效果較好。接著，我們將調(diào)制好的膨潤土泥漿通過管道泵送到井下運輸車上的儲漿箱里，并通過電瓶車將裝滿膨潤土泥漿的儲漿箱運輸?shù)蕉軜?gòu)臺車的相應(yīng)部位。最后，通過事先修改的管路將膨潤土泥漿注入到土倉內(nèi)。

圖1 儲漿池

圖2 離心泵

4.2 加壓和減壓試驗

膨潤土泥漿注入到土倉內(nèi)后，需要先進(jìn)行加壓試驗。通過增大氣壓的方法把膨潤土泥漿壓入刀盤前方土體內(nèi)，并固結(jié)土體。我們一般將加氣壓到比刀盤前方土體靜止的水、土壓力之和大 0.5 bar 左右。加壓后應(yīng)靜止 12 h；待“泥膜”形成后開始逐漸減壓。先將土倉內(nèi)泥漿逐步減少，同時補入壓縮空氣；當(dāng)泥漿液面降至相應(yīng)的 3 點和 9點位置時，停止繼續(xù)排漿和減壓。

4.3 泥膜的形成

當(dāng)我們觀察到土倉內(nèi)上部的土壓和氣壓無明顯波動、泥漿液面無上升，同時盾構(gòu)刀盤上前方地面或水面無漏氣和冒泡現(xiàn)象時，可以初步判斷泥膜已形成；否則，則需重新制作泥膜。此外，還需要對泥膜質(zhì)量進(jìn)行檢查，應(yīng)保證一定的厚度，使泥膜的平均厚度達(dá)到 5 cm 以上，才能達(dá)到固結(jié)土體、穩(wěn)定掌子面的效果。

5 帶壓進(jìn)艙技術(shù)

帶壓進(jìn)艙技術(shù)是不良地層盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙技術(shù)中極其重要的內(nèi)容。帶壓進(jìn)艙技術(shù)主要包括人艙和土艙的密閉性檢查、掌子面檢查、應(yīng)急措施檢查、帶壓進(jìn)艙查刀、換刀等方面內(nèi)容。

5.1 人艙和土艙的密閉性檢查

人艙和土艙的密閉性檢查是帶壓進(jìn)艙技術(shù)的重要組成部分，是進(jìn)艙前人員安全的重要保障。因此，在進(jìn)艙換刀作業(yè)前，應(yīng)對人艙和土艙的密閉性進(jìn)行檢查，合理設(shè)置土艙壓力，抵御刀盤前水土壓力。當(dāng)土艙壓力設(shè)置過低時，抵擋不了水土壓力，將會擊穿泥膜，引發(fā)安全事故；當(dāng)土艙壓力設(shè)置過高時，壓縮空氣將沖壞泥膜。土艙壓力設(shè)置的合理與否，主要通過 3 h 的土艙密閉性試驗，來觀測土艙壓力及補氣量的損失變化。當(dāng)加壓一段時間后土艙壓力穩(wěn)定、補氣量變化小，即是我們應(yīng)選擇的合理壓力 3 bar。人艙密閉性試驗也非常重要，同樣需要引起重視。當(dāng)壓力升至設(shè)計壓力時持續(xù) 30 min，升壓即為合格。當(dāng)壓力降至 0時，減壓即為合格；如壓力不能降至0時，需要檢查土艙門的密封。

5.2 掌子面的檢查

為了對進(jìn)艙前掌子面的安全條件進(jìn)行確認(rèn)，我們應(yīng)進(jìn)一步判斷掌子面的地質(zhì)改良情況。在氣體檢測合格的情況下，由土木工程師通過土艙口觀察刀盤輻條開口處的掌子面，對掌子面的穩(wěn)定性進(jìn)行檢査和確認(rèn)(見圖 3)。如果掌子面的穩(wěn)定性較差，應(yīng)停止進(jìn)艙作業(yè)。

圖3 掌子面

5.3 應(yīng)急措施的檢查

不良地層下盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙換刀施工的應(yīng)急措施檢查，是保證帶壓進(jìn)艙換刀期間的用電安全和壓力安全的重要手段。為了預(yù)防突然斷電引發(fā)的安全事件，我們專門配備了 1臺檢驗合格的 200 kW 臨時發(fā)電機(見圖 4)和 1 臺檢驗合格的 55 kW 臨時空氣壓縮機(見圖 5)，來保證持續(xù)的用電和壓力的供應(yīng)。同時，經(jīng)過對其他應(yīng)急物資的檢查，物資已齊備，應(yīng)急措施已到位，可進(jìn)行查刀和換刀的作業(yè)。

5.4 帶壓進(jìn)艙查刀和換刀

帶壓進(jìn)艙查刀和換刀作業(yè)是帶壓進(jìn)艙技術(shù)的重要一步。其包括刀盤、刀具磨損檢查(見圖 6)和刀具更換等內(nèi)容。在進(jìn)艙排查完刀盤和刀具的磨損情況后，按照《帶壓進(jìn)艙換刀作業(yè)指導(dǎo)書》的要求，有序地運送作業(yè)工具、待更換的刀具等物品至主艙，由經(jīng)身體條件檢查合格的專業(yè)人員進(jìn)艙拆卸及更換刀具。作業(yè)過程中時刻注意掌子面的情況；發(fā)現(xiàn)掌子面出現(xiàn)漏水等異常情況，立刻撤離人員出土艙。同時，監(jiān)艙人員在主艙外面監(jiān)控帶壓進(jìn)艙換刀作業(yè)人員的作業(yè)時間及壓力表上壓力變化的情況。通常每組有效帶壓作業(yè)時間為 3 h，交替更換進(jìn)倉作業(yè)；作業(yè)過程壓力控制在 3 bar。換刀作業(yè)完成后，人員應(yīng)減壓后出艙，作業(yè)工具不能遺留在土艙內(nèi)。待更換刀具檢查無誤后，關(guān)閉艙門，盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)。

圖4 臨時發(fā)電機

圖5 臨時空氣壓縮機

圖6 刀盤、刀具檢查

通過佛山地鐵2號線某區(qū)間隧道不良地層盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙換刀施工的管理實踐，證明了在不良地層盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙技術(shù)是可行的和安全的。