海底復(fù)雜地層泥水盾構(gòu)帶壓開倉保壓技術(shù)研究

吳言坤 賈開民 陳 健,3

(1.清華大學(xué)土木水利學(xué)院， 100084， 北京； 2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司， 250014， 濟(jì)南；3.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 266101， 青島∥第一作者， 正高級工程師)

盾構(gòu)施工過程中，由于水土壓力大、地質(zhì)條件復(fù)雜等原因，刀具磨損問題已成為盾構(gòu)法隧道施工所面臨的主要挑戰(zhàn)之一[1-2]。對于水下盾構(gòu)隧道高水壓、強(qiáng)透水的地質(zhì)環(huán)境，通常需要帶壓開倉作業(yè)[3]，因此帶壓開倉保壓技術(shù)極為關(guān)鍵[4]。

在開挖面表面形成閉氣性良好的泥膜，是泥水盾構(gòu)實現(xiàn)帶壓開倉的關(guān)鍵[5-6]。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為在滲透性較大的礫砂地層中帶壓開倉時，可采用不同性能泥漿的階段注入形成致密泥皮型泥膜，提高穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為正電膠可提高泥膜厚度與閉氣值，有助于開挖面的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為衡盾泥泥膜護(hù)壁工藝具有較好的保壓效果和耐久性。以上研究具有重要的參考價值，但在極為復(fù)雜的地質(zhì)條件下，常規(guī)保壓手段無法保障帶壓開倉的安全，需根據(jù)實際情況制定保壓措施。本文以廈門地鐵2號線越海隧道為例，對海底地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工的帶壓開倉保壓技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

廈門地鐵2號線海滄大道站—東渡路站區(qū)間海底隧道工程盾構(gòu)段采用2臺直徑為6.7 m的復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工。該區(qū)間內(nèi)的海滄灣公園至國際碼頭1號泊位為越海段，隧道底至最高潮位為55 m，最大水土壓力約為0.6 MPa。

如表1所示，該海底區(qū)間隧道穿越的地層復(fù)雜多樣，主要以軟巖地層為主。此外，對施工影響較大的軟硬不均地層和斷層破碎帶的長度占隧道區(qū)間長度的22%。

表1 海滄大道站—東渡路區(qū)間地層比例

該工程復(fù)雜的地層條件與施工條件加劇了盾構(gòu)部件的損耗，刀盤和刀具產(chǎn)生了嚴(yán)重磨損、崩裂甚至脫落，如圖1所示。為保障施工進(jìn)度及施工安全，需進(jìn)行高頻率的帶壓開倉換刀。

a) 滾刀刀圈

2 帶壓開倉保壓技術(shù)研究

目前，根據(jù)開倉位置地層條件的不同，一般將開倉保壓技術(shù)分為單一地層保壓技術(shù)、裂隙發(fā)育地層保壓技術(shù)、碎裂狀強(qiáng)透水不穩(wěn)定地層保壓技術(shù)，本文對這3種技術(shù)分別進(jìn)行闡述。

2.1 單一地層保壓技術(shù)

當(dāng)停機(jī)開倉位置開挖面為具有一定自穩(wěn)能力的單一地層時，可通過以下4個步驟形成泥膜，確保掘削面的穩(wěn)定性。

1) 采用比重為1.10～1.15、漏斗相對黏度為20～23 s的稀泥漿進(jìn)行約6 h的大循環(huán)漿液置換，形成泥膜滲透帶。

2) 采用比重為1.15～1.20、粘度為25～30 s的泥漿進(jìn)行約6 h的大循環(huán)漿液置換，形成致密泥皮，靜止2 h觀察液面穩(wěn)定情況。

3) 待氣泡艙液位穩(wěn)定后進(jìn)行開挖艙氣體置換密封試驗。此時需要嚴(yán)格控制壓力的降升速度，液面變化速度控制在2 cm/min，切口壓力波動值控制在±0.1 MPa。

4) 當(dāng)氣體置換完畢并停止泥漿循環(huán)后，采用漏斗相對黏度≥100 s、比重≥1.2的高濃度泥漿，通過同步注漿泵向開挖艙進(jìn)行補(bǔ)注。

經(jīng)上述步驟可形成具有一定厚度、閉氣性良好的泥膜。在開倉過程中為了解決泥膜失水干裂導(dǎo)致的閉氣性能下降問題，可通過涂抹泥漿的方式防止高壓氣體進(jìn)入地層。

2.2 裂隙發(fā)育地層保壓技術(shù)

裂隙發(fā)育地層的密封性較弱，如有海水滲透將嚴(yán)重影響泥漿性能。為保證泥膜的質(zhì)量，可采用抗侵蝕泥漿。使用海水膨潤土及大顆粒材料，需要分別按照滲透模式和隔膜模式2個步驟制作泥膜。

2.2.1 滲透模式

在滲透模式下，需要將泥漿充分滲透入地層。采用海水膨潤土制漿，并加入大顆粒材料阻塞裂隙。泥漿配比如表2所示，配制漿液的比重為1.20～1.25，漏斗相對黏度為30～40 s。泥漿配制后靜止，使膨潤土充分膨化。泥漿性能達(dá)到要求后，采用氣墊艙底部注入和上部放漿方式置換前部漿液。待平衡管放出高比重漿液后，提高艙壓至0.8～1.0 MPa，使新制漿液向地層中滲透。在艙壓提高的過程中，應(yīng)觀察液位的變化情況，直至液位長時間穩(wěn)定，此時可視為高比重泥膜制作完成。

表2 滲透模式下的泥漿配比

2.2.2 隔膜模式

在隔膜模式下，采用單一高黏度膨潤土制作高黏度的泥漿，漿液比重為1.00～1.15，漏斗相對黏度為70～80 s。在同等的艙壓下進(jìn)行開挖艙泥漿置換，直到上部平衡管放出高黏度的漿液為止。然后轉(zhuǎn)動刀盤10 min，轉(zhuǎn)速為0.3～0.8 r/min，以確保高黏度膨潤土均勻吸附在掌子面上，形成穩(wěn)定泥膜。

2.3 碎裂狀強(qiáng)透水不穩(wěn)定地層保壓技術(shù)

基巖突起地層圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，裂隙發(fā)育豐富。盾構(gòu)在該地層中施工時,刀盤刀具磨損嚴(yán)重，加上該地層高水壓的特點，進(jìn)行開倉換刀風(fēng)險極高。為此，本工程采用海上注漿加固地層與衡盾泥填艙相結(jié)合的方式，保證基巖突起地層中開挖面的穩(wěn)定性。

2.3.1 海上注漿加固地層

海上注漿加固區(qū)主要為強(qiáng)、中風(fēng)化的輝長巖，碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化輝長巖。其中,中風(fēng)化輝長巖為侵入巖,且正好處于隧道正線的區(qū)域。

2.3.1.1 注漿加固方案

注漿時盾構(gòu)機(jī)位于注漿加固區(qū)域內(nèi)，需要考慮注漿過程對盾構(gòu)機(jī)的影響，因而對注漿加固方案進(jìn)行優(yōu)化，分為盾體周邊保護(hù)注漿及巖脈區(qū)域加固兩方面。在施工過程中,首先對盾體周圍進(jìn)行保護(hù)注漿，通過盾構(gòu)徑向孔注入聚氨酯，對盾構(gòu)四周及刀盤前2 m范圍內(nèi)的地層進(jìn)行填充；然后通過管片注漿孔對脫出盾尾后的5環(huán)管片的周圍注入聚氨酯，以有效封堵該區(qū)域內(nèi)的裂隙，防止后續(xù)注漿沿裂縫滲入后固結(jié)刀盤及盾體。其注漿范圍如圖2所示。

a) 注漿孔平面布置示意圖

b) 1-1剖面圖

盾體四周及刀盤2 m外的巖脈地段采用海上袖閥管注漿加固處理。注漿按先四周、后中間的方式進(jìn)行，周邊2排注漿孔采用水泥-水玻璃雙液漿止水封閉，中間的注漿孔采用1∶1水泥漿注漿加固。隧道左線的加固長度為28.1 m，隧道右線的加固長度為33.0 m。如圖3所示，斷面加固范圍從隧道底部加固至破碎巖體頂部界面，兩側(cè)外放3.0 m，聚氨酯注漿范圍為海底至開挖輪廓線上方2.0 m，水泥、水玻璃雙漿液注漿范圍為海底至隧底下方3.0 m。

2.3.1.2 漿液配比及注漿參數(shù)

本次注漿方式為袖閥管雙液注漿，施工采用1.5 m×1.5 m鉆孔間距，梅花形布置。平均注漿量為13.6 m3/孔，注漿壓力為0.7～1.5 MPa。漿液配置中，水泥漿和水玻璃的配比為1∶1，水泥漿中水和水泥的配比為1∶1。海水配出水玻璃的波美度為15度，膠凝時間為120 s。

a) 注漿孔平面布置示意圖

b) 1-1剖面圖

2.3.2 掌子面保壓技術(shù)

在地層突變區(qū)域采用海上注漿加固后，通過衡盾泥填艙分級加壓，以利于地層中裂隙填充密實，形成厚泥膜，從而使開挖面具備較高的保壓能力。

該工程所用的衡盾泥為雙組份配制材料，分A組份和B組份，其中：A組份為干粉料，B組份為液體材料。衡盾泥的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 衡盾泥主要技術(shù)指標(biāo)

2.3.2.1 衡盾泥配制

在衡盾泥配制過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制A、B組份和水的用量比例。首先向移動砂漿罐內(nèi)加入2 m3水，然后通過剪切泵加入1 t A組份，充分?jǐn)嚢?0 min后抽到固定砂漿罐內(nèi)；然后按照15∶1的比例通過自吸泵加入B組份，充分?jǐn)嚢?0～15 min，觀察漿液情況，如符合標(biāo)準(zhǔn)則進(jìn)行前艙置換。

2.3.2.2 衡盾泥前艙注入及置換

潛水員進(jìn)入氣泡艙時，首先關(guān)閉通往前艙的閘門，將注漿管接入前艙超前注漿管后向前艙注入衡盾泥漿。原前艙泥漿由頂部平衡管放出至污水箱。注入時應(yīng)觀察前艙頂部壓力，及時調(diào)整注漿泵頻率和放漿口球閥開閉大小。待頂部平衡管排出的漿液與衡盾泥漿基本一樣時，將放出的漿液用自來水清洗，若無雜質(zhì)洗出，則認(rèn)為置換工作完成。

2.3.2.3 分級加壓控制

漿液置換完成后進(jìn)行分級加壓控制。如表4所示，其控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)潮汐變化進(jìn)行壓力調(diào)整，保壓最低值應(yīng)比施工設(shè)計最低頂部支撐壓力值大0.6 MPa，保壓最高值應(yīng)比施工設(shè)計壓力值大0.9 MPa。在保壓過程中對頂部進(jìn)行放漿取樣，保壓歷時15 d。

表4 壓力分級控制標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2.4 衡盾泥置換步驟及開倉情況

分級加壓后即可進(jìn)行排土換氣作業(yè)。首先將氣泡艙壓力設(shè)置為比施工設(shè)計壓力高0.2 MPa的壓力值，潛水員打開前艙閘門，將前艙上半部分的衡盾泥清除至氣泡艙，通過泥水環(huán)流將衡盾泥帶出。清理完成后進(jìn)行保壓試驗，試驗標(biāo)準(zhǔn)為在Samson氣壓調(diào)節(jié)裝置關(guān)閉情況下進(jìn)行降壓，2 h后的壓力值如仍在原壓力值的85%以上，則試驗視為合格，同時應(yīng)監(jiān)測海面有無變化。待保壓試驗成功后，潛水員進(jìn)入前艙正式作業(yè)。

本工程采用衡盾泥填艙結(jié)合海上注漿的施工實踐，在國內(nèi)首次成功實現(xiàn)了海底高水壓泥水盾構(gòu)在碎裂狀強(qiáng)透水不穩(wěn)定地層中的保壓開倉。

3 結(jié)語

本文以復(fù)雜海底盾構(gòu)隧道在不同地層進(jìn)行開倉作業(yè)為研究對象，針對海底高水壓條件下單一地層、裂隙發(fā)育地層及碎裂狀強(qiáng)透水不穩(wěn)定地層等不同情況，制定了不同的開倉保壓措施，得出結(jié)論以下：

1) 對于單一勻質(zhì)地層及裂隙發(fā)育地層,可采用不同性能泥漿在適宜的泥漿壓力下階段性注入，在開倉前形成質(zhì)量較好的泥膜，并保證泥漿滲入地層一定距離，從而對地層孔隙進(jìn)行有效封堵，形成具備長時間保壓能力的泥膜，滿足開倉過程中閉氣性以及泥膜長期穩(wěn)定性的要求。

2) 對于碎裂狀強(qiáng)透水不穩(wěn)定地層，考慮地層裂隙充分發(fā)育及地層不穩(wěn)定的特點，采用海上注漿加固地層及衡盾泥填艙相結(jié)合的方法，可以實現(xiàn)海底高水壓泥水盾構(gòu)在該類地層的保壓。