復(fù)雜地層中的泥漿護(hù)壁帶壓換刀技術(shù)探討

吉 冰 冰

(宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海 200235)

對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)，刀具更換往往不可避免[1]。由于盾構(gòu)在軟土地層和巖石地層的刀具切削原理和配置形式不同，對(duì)于不同地質(zhì)，尤其復(fù)合地質(zhì)刀盤刀具的適應(yīng)性配置與磨損刀具的安全更換一直是當(dāng)前大型盾構(gòu)施工中遇到的技術(shù)難題[2]。翟世鴻針對(duì)南京緯三路過(guò)江通道工程帶壓進(jìn)艙作業(yè)期間開挖面失穩(wěn)坍塌問(wèn)題進(jìn)行了研究[3]。繆忠尚依托深圳地鐵2號(hào)線東延線2222標(biāo)段工程，針對(duì)的設(shè)備情況，總結(jié)了NFM土壓平衡盾構(gòu)機(jī)開艙前的準(zhǔn)備工作和帶壓開艙換刀作業(yè)的整個(gè)實(shí)施流程及相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)[4]。本文在目前研究基礎(chǔ)上，依托南京地鐵三號(hào)線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間隧道下穿玄武湖工程，詳細(xì)介紹一種泥漿護(hù)壁帶壓換刀技術(shù)，為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

南京地鐵三號(hào)線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間位于南京市玄武區(qū)，隧道埋深達(dá)到26 m，盾構(gòu)施工要長(zhǎng)距離下穿玄武湖，并且需要在湖底進(jìn)行帶壓換刀，區(qū)間隧道線路如圖1所示。

1.2 帶壓換刀必要性

盾構(gòu)長(zhǎng)距離在玄武湖底硬巖段掘進(jìn)，刀具易磨損，但掌子面地層穩(wěn)定性差、不具備常壓開倉(cāng)條件，需在湖底進(jìn)行帶壓開倉(cāng)換刀，更換磨損超限刀具，以加快硬巖段掘進(jìn)速度。由于換刀位置處于玄武湖下方，距離湖底九華山隧道較近，鑒于掌子面穩(wěn)定性較差，為確保氣壓換刀的安全可靠，進(jìn)而采用水泥砂漿泥膜護(hù)壁法換刀。本工程區(qū)間共進(jìn)行3次帶壓換刀，換刀環(huán)號(hào)分別為右線的1 037和1 145兩環(huán)以及左線的1 012環(huán)，換刀地點(diǎn)位于玄武湖底，此處土層為粉質(zhì)粘土、混合土層以及強(qiáng)風(fēng)化角泥巖，此土體特點(diǎn)為自穩(wěn)定性差、透水性強(qiáng)，三處環(huán)號(hào)處的水泥砂漿護(hù)壁工期分別為15 h,12 h和11 h，更換刀具的數(shù)量分別為16把滾刀、6把滾刀和27把滾刀，氣壓換刀作業(yè)時(shí)間分別為13 d,5 d和18 d。

2 換刀工藝

以右線隧道1145環(huán)帶壓換刀為例，盾構(gòu)隧道覆土26 m，盾構(gòu)位于玄武湖下方掘進(jìn)約120環(huán)后將順利通過(guò)中風(fēng)化角泥巖，開始進(jìn)入全斷面軟土層中掘進(jìn)，為加快盾構(gòu)推進(jìn)進(jìn)度，提高推進(jìn)效率，需將1號(hào)～4號(hào)中心滾刀和9號(hào)～12號(hào)滾刀更換為齒刀，并清除刀盤泥餅，疏通被堵的泡沫管，計(jì)劃在盾構(gòu)即將進(jìn)入全斷面軟土地層之際停機(jī)換刀。為保證換刀安全和保護(hù)新更換的齒刀，選擇掌子面中部地質(zhì)由巖層轉(zhuǎn)變?yōu)榉菐r層時(shí)停機(jī)換刀，因此計(jì)劃盾構(gòu)機(jī)在1 145環(huán)停機(jī)(掌子面里程1 151環(huán))，掌子面上部1/3為③-2b2粉質(zhì)粘土夾粉土層、中部1/3為③-4e1混合土層，下部1/3為Th-2j強(qiáng)風(fēng)化角泥巖層，盾構(gòu)停機(jī)前幾環(huán)渣樣中巖石含量約為10%，其他為灰黃色粘土狀。掌子面穩(wěn)定，地下水含量少，渣土干。

2.1 施工難點(diǎn)

湖底水土壓力高，湖底最大水土壓力達(dá)到4.5 bar～5.0 bar，會(huì)造成刀盤密封、鉸接密封和盾尾刷失效；水系發(fā)育，尤其在復(fù)合地層和粉細(xì)砂層中，會(huì)發(fā)生閘門密封失效，滲漏或嚴(yán)重噴涌；湖底段長(zhǎng)達(dá)1.37 km，若水力貫通，進(jìn)一步加劇水土壓力和螺旋機(jī)噴涌；此外，氣壓保壓困難，換刀施工難度大，為克服這些施工難點(diǎn)采取泥漿護(hù)壁帶壓換刀工藝。

2.2 具體施工措施

2.2.1帶壓換刀壓力估算

首先，通過(guò)朗肯土壓力理論公式計(jì)算得出土體靜止土壓力為2.38 bar；其次，利用停機(jī)前的盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，進(jìn)行開倉(cāng)壓力估算。在1 120環(huán)～1 145環(huán)推進(jìn)過(guò)程中，推力1 700 t～2 000 t、接觸壓力300 t～500 t、扭矩2.5 MN·m～3.0 MN·m、速度15 mm/min～25 mm/min、出土量60 m3、渣樣為粘土含少量碎石、中心土壓2.0 bar～2.3 bar等等，未出現(xiàn)超挖現(xiàn)象。據(jù)此本次開倉(cāng)壓力定為2.5 bar。

2.2.2氣壓換刀設(shè)備的選擇與配備

本項(xiàng)目氣壓換刀裝置的供氣設(shè)備選擇為3臺(tái)空壓機(jī)，其中2臺(tái)為電動(dòng)機(jī)，1臺(tái)為采油機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率為75 kW。為了保證氣壓穩(wěn)定，將3臺(tái)放置于地面上的空壓機(jī)氣體通過(guò)過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾后接入SAMSON系統(tǒng)向倉(cāng)內(nèi)補(bǔ)充氣壓，同時(shí)從盾構(gòu)車架上空壓機(jī)另接一路管路進(jìn)入SAMSON系統(tǒng)，用以地面設(shè)備或管路故障時(shí)為倉(cāng)內(nèi)緊急補(bǔ)氣，確保換刀施工安全。氣壓換刀設(shè)備總配備圖如圖2所示。其他設(shè)備、材料準(zhǔn)備如表1所示。

2.2.3換刀過(guò)程中的泥漿護(hù)壁法

表1 其他設(shè)備材料

為了有效的阻止地下水的影響，防止氣壓換刀時(shí)氣體的泄露，在換刀過(guò)程中需要采用水泥砂漿來(lái)置換盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)的土體，并在刀盤前端位置處形成密實(shí)的水泥砂漿“墻體”。具體的操作步驟如下：

1)施工準(zhǔn)備。

推進(jìn)1 044環(huán)最后一箱土?xí)r，將刀盤伸至120 mm；拼完1 044環(huán)，將1號(hào)土壓力穩(wěn)定在3.0 bar。

2)保證密封性。

a.盾體周邊地層密封性：為防止氣體從盾體周邊泄露，將3 m3～4 m3的膨潤(rùn)土從盾構(gòu)機(jī)中盾的注漿孔注入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)，注漿終壓設(shè)定為3 bar。膨潤(rùn)土壓注過(guò)程中，應(yīng)使盾殼與土體之間的空隙充滿，這樣能夠確保氣體不向盾尾流竄，同時(shí)還能防止盾體的護(hù)壁泥漿固結(jié)。

b.盾尾密封性：為增強(qiáng)盾尾處密封性，在盾尾處預(yù)留孔(共計(jì)6個(gè))壓注聚氨酯，每孔注入量約20 kg；同時(shí)向盾尾后1環(huán)～3環(huán)管片外部壓注聚氨酯施作“止水環(huán)”，有效隔水。

c.止水環(huán)箍:為了防止盾尾位置處的地下水流竄，需要在盾尾后的4環(huán)～6環(huán)管片外部注入雙液漿。漿液的配合比為：水灰比為1.5，水泥漿與水玻璃體積比為3∶1。漿液的注入方式為逐環(huán)壓入。漿液的初凝時(shí)間控制為25 s～45 s。

3)土體置換。

a.連接注漿管路：注漿管路位于土倉(cāng)壓力墻的3點(diǎn)和9點(diǎn)位置處(鐘表盤)。

b.向土倉(cāng)內(nèi)分階段注漿，置換渣土。第一階段：置換注漿時(shí)，盾構(gòu)刀盤需縮回8 cm，1號(hào)土倉(cāng)內(nèi)的壓力需保持在3.0 bar～3.6 bar，置換過(guò)程中堅(jiān)持“等量替換、土壓不變”的置換原則。此階段，盾構(gòu)刀盤需要間隔轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為0.5 r/min，主要采用螺旋機(jī)進(jìn)行出渣。注漿停止的標(biāo)準(zhǔn)是：螺旋機(jī)初步攪出漿液。注漿量為20 m3。漿液配比如表2所示。第二階段：保持土倉(cāng)1號(hào)壓力在3.6 bar～4.0 bar之間進(jìn)行置換注漿，每30 min轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤10 min(轉(zhuǎn)速為0.5 r/min)，適量出渣，注漿量為12 m3，漿液配比如表3所示。

表2 第一階段漿液配比表

2.2.4保壓試驗(yàn)

1)人艙準(zhǔn)備。

表3 第二階段漿液配比表

a.清理人艙，保持整潔；

b.檢查人艙內(nèi)各壓力表、溫度表、電話機(jī)、管路等，將損壞的物件全部更換；

c.關(guān)閉艙門，打開SAMSON保壓系統(tǒng)供氣，檢查人艙的密封性和保壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)是否良好。

2)土倉(cāng)保壓試驗(yàn)。

在作業(yè)人員進(jìn)入倉(cāng)前進(jìn)行無(wú)人保壓試驗(yàn)：

a.降低土倉(cāng)上部壓力至2.5 bar～2.7 bar。

土體置換完畢后，需等待1 h，若沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常問(wèn)題，可以在保證不轉(zhuǎn)動(dòng)盾構(gòu)刀盤的情況，僅利用螺旋機(jī)進(jìn)行出渣，從而將土倉(cāng)壓力降低到2.5 bar～2.7 bar。

b.保持土倉(cāng)上部壓力為2.5 bar～2.7 bar時(shí)出渣。

將SAMSON系統(tǒng)的液體球閥關(guān)閉，并利用其供氣管道向土倉(cāng)內(nèi)施加氣體，用于保持土倉(cāng)的上部壓力穩(wěn)定在2.5 bar～2.7 bar不變。在此基礎(chǔ)上，保持盾構(gòu)刀盤不動(dòng)，將土倉(cāng)內(nèi)的渣土高度降低至土倉(cāng)門底部的球閥位置以下。總出渣量約為10 m3～12 m3。

3)保壓條件下觀察保壓系統(tǒng)運(yùn)行及工作環(huán)境狀況。

SAMSON系統(tǒng)的補(bǔ)氣壓力控制在2.5 bar，在此情況下，等待3 h，觀察保壓系統(tǒng)的運(yùn)行和工作狀態(tài)，同時(shí)注意地層的密閉性狀況和土壓力的變化情況。若無(wú)異常，可繼續(xù)出渣。

4)分步繼續(xù)出渣至指定位置。

在保壓系統(tǒng)無(wú)異常的情況下，可繼續(xù)利用螺旋機(jī)出渣至2點(diǎn)和10點(diǎn)的位置(鐘表盤)，出渣量約為10 m3。然后，觀察等待1 h，若一切正?？膳袛嗟貙颖撼晒Α４藭r(shí)可根據(jù)土倉(cāng)內(nèi)的情況，進(jìn)一步壓氣進(jìn)倉(cāng)，繼續(xù)降低渣土渣位至3點(diǎn)和9點(diǎn)的位置(鐘表盤)，大約出渣量為13 m3～14 m3。

2.2.5進(jìn)倉(cāng)換刀

1)換刀作業(yè)時(shí)，堅(jiān)持“三人一組進(jìn)倉(cāng)、組長(zhǎng)進(jìn)倉(cāng)帶班、操倉(cāng)人員及醫(yī)生24小時(shí)艙門值班”的工作原則。作業(yè)人員的體感狀況及掌子面土體情況是判斷換刀人員能否繼續(xù)帶壓工作的標(biāo)準(zhǔn)，若出現(xiàn)作業(yè)人員身感不適或掌子面土體有剝落現(xiàn)象等立即關(guān)閉土倉(cāng)門減壓出倉(cāng)。2)倉(cāng)內(nèi)水位上漲時(shí)，安排專員在操倉(cāng)人員指導(dǎo)下，打開位于土倉(cāng)面板上相應(yīng)位置處的球閥進(jìn)行排水，在排水過(guò)程中，應(yīng)保證倉(cāng)內(nèi)氣壓的平衡，若發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，需立即關(guān)閉球閥。3)每一組換刀人員帶壓工作的時(shí)長(zhǎng)應(yīng)小于2 h，然后根據(jù)帶壓作業(yè)時(shí)長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行減壓時(shí)間的控制。

3 結(jié)語(yǔ)

本文依托南京地鐵三號(hào)線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間隧道長(zhǎng)距離下穿玄武湖工程，詳細(xì)介紹了全斷面穿越巖層、半土半巖地層和砂土?xí)r泥漿護(hù)壁帶壓換刀技術(shù)操作流程和注意事項(xiàng)，為類似工程提供了參考。