在上軟下硬地層條件下帶壓開倉施工技術研究與應用

李春杰

摘? 要：文章以廈門市軌道交通2號線二期工程某區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)在上軟下硬（上部為凝灰熔巖殘積黏性土，下部為微風化凝灰熔巖）的地層施工中遇到盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、出渣溫度等參數(shù)出現(xiàn)明顯增大且刀盤頻繁卡死等情況，為保證工程的安全順利進行，采用帶壓開倉技術進倉更換刀具及清理障礙物，實施效果良好，可為同類工程提供相關經(jīng)驗。

關鍵詞：WSS注漿;泥膜建立;保壓試驗;壓力設定

中圖分類號：U455.4 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0128-03

1 概述

隨著城市地鐵興建，盾構(gòu)機的應用范圍越來越廣泛，尤其是在軟硬不均地層掘進施工時，盾構(gòu)易出現(xiàn)推力大、刀盤扭矩異常、渣溫異常等情況，易造成刀具偏磨損壞，使施工安全風險加大。因此，及時開倉檢查更換刀具是降低盾構(gòu)施工的關鍵舉措。廈門軌道交通2號線某區(qū)間全長1143.350m，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，開挖直徑6.48m，盾構(gòu)在掘進至400環(huán)位置處存在基巖凸起，導致刀盤刀具磨損嚴重，需進行帶壓進倉進行刀具檢查及更換。

2 工程概述

盾構(gòu)停機開倉位置隧頂覆土深度約14.4m，該處地質(zhì)情況由上至下分布主要為<1-2>素填土、<8-1-2>粉質(zhì)粘土，隧道通過的地層主要為<11-3>凝灰熔巖殘疾粘性土、<12-1>全風化凝灰熔巖、<12-2>散體狀強風化凝灰熔巖、<12-5>微風化凝灰熔巖，為典型的上軟下硬的復合地層。

由于基巖凸起段地處馬鑾灣片區(qū)，原上覆地表為魚塘蝦塘等水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，地下水豐富，供給量充沛，地下水位埋深1.1～2.8m，區(qū)間砂層分布的承壓水其承壓性明顯，承壓水頭較高。

3 施工特點

在上軟下硬的地層中帶壓開倉施工保壓措施采用“WSS注漿加固+膨潤土建泥膜”的方式，其特點如下：

（1）地面注漿加固采用WSS工法實施，WSS工法采用AB液（水玻璃和磷酸）和AC液（水玻璃和水泥漿）兩種漿液對地層加固止水處理。

（2）AB液具有良好的止水性，能夠調(diào)節(jié)固化時間，漿液固化后不收縮、對地下水無污染，是一種綠色環(huán)保材料。

（3）AC液具有強度高的特點，同時也能夠調(diào)節(jié)凝固時間，有效控制地層沉降。

（4）泥膜的建立，泥膜采用鈉級膨潤土配置，要求漏斗粘度達到60～80s，主要為了保證帶壓開倉時土倉的密封效果。

4 施工原理

盾構(gòu)停機后，首先對盾構(gòu)前盾、中盾、盾尾及土倉注入膨潤土，主要起到防止注漿加固時抱死問題。其次，施工止水環(huán)，起到盾尾隔水作用，保證土倉內(nèi)無水涌入，同時對盾體前方及上部的土體進行WSS地面注漿加固，達到穩(wěn)定地層的目的;最后，通過泥膜建立、土倉密封檢查及保壓系統(tǒng)調(diào)式等，滿足規(guī)范驗收后，才能進倉作業(yè)。帶壓進倉施工工藝流程如圖2所示。

5 施工控制要點

5.1 盾尾止水環(huán)施工

在施作止水環(huán)時，應從盾尾后3～6環(huán)進行二次注漿雙液封堵，保證漿液充分與管片包裹，防止帶壓開倉過程中地下水涌入，同時也防止在保壓過程中氣壓從盾尾泄漏影響保壓效果。

（1）注漿前，用同步注漿管路向盾尾后方注入比較粘稠的膨潤土，保護注漿管路和盾尾。

（2）從盾尾第3環(huán)向第6環(huán)開始連續(xù)注漿，共計4環(huán)。主要通過管片吊裝孔注入雙液漿，雙液漿配合比例為：水玻璃：水=1：2（體積比），水泥：水=1：1（質(zhì)量比），水泥漿：水玻璃=1：1（體積比）。注漿完成后，在相應的管片上開孔檢查密封效果，無明顯流水為合格。

（3）注漿過程中，以注漿壓力為主，注漿量為輔的原則，壓力控制在0.2～0.35MPa，同時注意觀察土倉壓力變化防止?jié){液竄入土倉。如果有變化應當停止注漿，并適當轉(zhuǎn)動刀盤，防止固結(jié)刀盤。

5.2 WSS注漿加固

WSS注漿加固范圍為盾構(gòu)刀盤切口環(huán)前3m以及切口環(huán)后2m，加固深度為隧道下3m，在盾構(gòu)體范圍內(nèi)的為盾體上2m，注漿孔采用1.5m梅花形布設。

5.4 泥膜建立

土倉泥膜由鈉基膨潤土和水絆制的高粘度泥漿形成，通過盾構(gòu)拌漿罐由注漿泵注入土倉，泥膜泥漿每立方米配合比為80～100kg（膨潤土）：10kg（水），粘稠度控制在60～80s，泥漿比重控制在1.1～1.15之間，泥漿注入量控制在約24m3左右。具體操作步驟如下：

（1）通過螺旋機出土將倉內(nèi)土方高度降至盾構(gòu)機中心軸線位置。制作泥膜前，鉸接長度宜伸長50～80mm，有助于撤銷盾構(gòu)頂力后換刀作業(yè)。

（2）通過1#加泥加水管向土倉頂部注入膨潤土漿液，當土倉頂部壓力大于2.0bar的時候，開始進行渣土置換，過程中如果倉內(nèi)壓力過高，加大出土，持續(xù)注入膨潤土?？刂仆羵}頂部壓力在2.0bar左右，此過程盡量少轉(zhuǎn)動刀盤，如遇出土不暢，短時間低速轉(zhuǎn)動刀盤（轉(zhuǎn)速0.2-0.4）。

（3）渣土置換完成后，關閉螺旋機閘門，進行1-2小時的保壓，頂部壓力2.0bar以上。

（4）準備好第二批膨潤土溶液，開啟螺旋機閘門，完成第二次渣土置換;頂部土壓力維持在1.4-1.5bar，持續(xù)觀察2h，頂部土壓力低于1.4bar，需補充注入膨潤土，第二階段排土與第一階段排土總量控制在2/3土倉容量左右，即22m3左右，等壓力穩(wěn)定之后，靜待6-12h，使膨潤土充分進入掌子面及周邊地層，形成密封泥膜，施工中盡量將膨潤土滲入到土層中，采用壓力差的方式增加膨潤土的滲透量。

（5）打開排氣口球閥，進行疏通，確保暢通無泥土，然后接入平衡閥氣管，并設定保壓控制柜壓力值為1.4bar，保壓2h，如果地面隆沉在5～-10mm以內(nèi)，無泄氣冒泡現(xiàn)象，氣壓穩(wěn)定且變幅不超過0.05bar時，則證明泥膜氣密性良好。

圖4 泥膜形成現(xiàn)場照片5.5 設備保障措施

在帶壓開倉前應對開倉所涉及的設備進行全面排查，確保設備在開倉作業(yè)過程中正常運轉(zhuǎn)。

（1）全面清潔人倉，檢查倉門的密封情況：清潔密封接觸面，確保倉門密封效果，檢查刀盤操作箱操作是否正常;檢查測試防爆電話是否能使用;檢查壓力表安全閥、壓力記錄儀、空氣流量計、加熱器、照明燈等設備是否正常，壓力表、安全閥需由有資質(zhì)的檢測單位進行鑒定，壓力記錄儀做功能性檢測。

（2）全面調(diào)試土倉自動保壓（samson）系統(tǒng)，確保管路通暢、系統(tǒng)正常工作，盾構(gòu)自帶2套保壓系統(tǒng)，應分別檢查調(diào)試，根據(jù)預定的開倉土壓進行調(diào)試，確定壓力變送器安全可靠，確保2套系統(tǒng)工作正常。需對盾構(gòu)配置的空壓機，包括濾芯、油位、排氣閥、油氣分離器、三聯(lián)件等進行全面檢測，檢測供氣系統(tǒng)中的空氣凈化器、過濾器，檢測空壓機儀表及控制元件，保證空氣供應正常。

（3）配備滿足施工要求的備用空壓機及備用電源在壓氣作業(yè)期間，必須保證電力不中斷，盾構(gòu)機絕不允許出現(xiàn)跳電的情況。

5.6 帶壓開倉實施

（1）進倉前準備工作

進倉之前，再一次檢查儀表、供氣、排氣、通訊、照明、保壓、溫度計、緊急電話及閥門、倉門密封是否干凈;再一次檢查作業(yè)所需工具設備材料是否齊備地放置在倉內(nèi)。

（2）保壓試驗

a.為防止保壓系統(tǒng)進氣管路堵塞，把進氣孔改至土倉壁板最高點的，土倉第一次排渣容積為1.505m3，離土倉頂部大約60cm位置，并保證上部管路暢通，土倉壓力維持在1.4bar。

b.第二次排渣將膨潤土液位降到土倉人閘門及保壓系統(tǒng)進氣孔以下位置（2點-10點位置），并保證上部土壓計全部漏出來，保壓系統(tǒng)壓力設置為1.4bar，往土倉加氣，土壓維持在1.4bar，3h后觀察土倉壓力變化及保壓系統(tǒng)及空壓機運轉(zhuǎn)情況，通過實驗數(shù)據(jù)顯示證明自動保壓系統(tǒng)運行良好，土倉壓力沒有大的波動，滿足規(guī)范要求，可以進行下一步進倉。

（3）工作人員進入副倉，關閉副倉倉門，使用電話與人閘值班員保持聯(lián)系，依照主倉加壓程序達到副倉的壓力平衡。

（4）開啟保護倉與主倉之間的壓力平衡閥，消除兩倉之間的氣壓差，用氣體檢測儀檢查土倉內(nèi)氣體，確保無有害氣體后才能進倉作業(yè)。

（5）進倉：擰松土倉門鎖緊裝置，先開一條縫，再緩慢開啟，防止土倉內(nèi)泥漿或渣土突然涌入人倉。

（6）進入土倉。打開土倉門后，先站在門口觀察土倉內(nèi)液位及掌子面穩(wěn)定性，確保掌子面無塌落及漏水情況，人員進入土倉，開始相關作業(yè)。

（7）減壓出倉工作

檢查所用工具保證所有工具帶出土倉，人員全部進入人倉后，土倉和氣倉之間的土倉門關閉，土倉和氣倉的連通閥關閉，氣倉和人倉之間的氣倉門關閉，嚴格按照減壓方案進行減壓。

5.7 恢復掘進

換刀工作結(jié)束后，待人員與設備撤出土倉和人閘后，啟動刀盤，恢復掘進（暫時不出土），為確保前部掌子面的穩(wěn)定性，恢復掘進時，必須采用回填土的方式來實現(xiàn)土壓代替氣壓。

6 結(jié)束語

土壓平衡盾構(gòu)在上軟下硬的復合地層中帶壓進倉的技術要求較高，風險難度較大，其中土倉掌子面泥膜的建立及土倉壓力的設定與計算是盾構(gòu)帶壓開倉施工成功的關鍵。廈門軌道交通2號線某區(qū)間盾構(gòu)在上軟下硬的復合地層中成功完成帶壓開倉施工，并取得了良好的效果，為今后類似工程提供了參考和經(jīng)驗，降低土壓平衡盾構(gòu)在復雜地質(zhì)情況下帶壓開倉施工的風險。

參考文獻：

[1]曹金鼎，劉曉正，龐林.泥水平衡盾構(gòu)機帶壓開艙施工技術研究與應用[A].2018中國盾構(gòu)工程技術學術研討會論文集[C].2018：

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