巖溶區(qū)盾構(gòu)帶壓開倉掌子面加固關(guān)鍵技術(shù)研究

夏國松

(中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 前言

盾構(gòu)帶壓開倉檢查及更換刀具時[1－2]，為確保進(jìn)倉人員和地面環(huán)境安全，需采取專項(xiàng)輔助措施保證掌子面地層和土倉壓力穩(wěn)定。常用加固方式[3－5]注漿管直接連接在土倉壁的預(yù)留注漿口處，向土倉內(nèi)注入衡盾泥，并對土倉內(nèi)渣土進(jìn)行置換直至掌子面形成完整的泥膜，此方法需先采用加固漿液將土倉內(nèi)渣土完全置換，通過溢出刀盤外進(jìn)行掌子面的加固，存在注入材料用量大、成本高、施工進(jìn)度慢，土倉加固效果差、置換渣土清理難，刀盤被泥膜粘住不利于后續(xù)恢復(fù)施工等問題，因此需研究一種新型加固方法確保盾構(gòu)開倉時地層的穩(wěn)定。

2 工程概況

龍東村站－龍南站區(qū)間主要地層為強(qiáng)度均勻性較差、易溶蝕的灰?guī)r地層和上部粉質(zhì)黏土、下部微風(fēng)化灰?guī)r層的上軟下硬地層。該區(qū)間范圍內(nèi)存在大量溶洞，但由于相應(yīng)區(qū)間范圍內(nèi)地面為金水區(qū)主干道國基路且管線密集，造成部分溶洞無法處理。目前，盾構(gòu)在遇到溶洞區(qū)采取衡盾泥泥漿護(hù)壁和超前注漿的開倉方式[6]，但因現(xiàn)場施工條件限制，耗時長、成本高，且無法確保成功率。為此，通過一種可伸縮調(diào)整的注漿裝置，利用高壓噴漿的方式向掌子面注入特制的新型漿液，可縮短加固時間，提高加固效率，降低施工難度。

3 設(shè)計(jì)思路

通過液壓伸縮油缸控制硬質(zhì)鋼管，將注漿頭伸縮至土倉內(nèi)臨近刀盤或從刀盤間隙伸出至刀盤掌子面的土層內(nèi)，利用同步注漿向掌子面逐級壓注新型漿液，該漿液通過高壓后可形成一種高密度的觸變泥，使其滲入掌子面巖土裂隙，對掌子面進(jìn)行固結(jié)加固，形成整體，阻斷外部來水和密封土倉內(nèi)高氣壓，同時通過盾尾后方止水處理，確保換刀安全。另外，通過改性劑的加入量可控制新型漿液的擴(kuò)散范圍不竄入地表和雨污水管線內(nèi)，一定時間內(nèi)不會凝固造成盾體和刀盤裹死，可正常進(jìn)行排渣和復(fù)推。

4 加固關(guān)鍵技術(shù)

4.1 盾尾后方密封處理

待盾構(gòu)機(jī)停機(jī)到位后，需對盾尾后方進(jìn)行密封處理[7]。經(jīng)現(xiàn)場多次試驗(yàn)，得出相應(yīng)漿液的配合比。膨潤土泥漿配合比、水玻璃波美度配合比、水泥漿與水玻璃配合比分別如表1～表3所示。

表1 膨潤土泥漿配合比

表2 水玻璃波美度配合比

表3 水泥漿與水玻璃配合比

(1)通過盾構(gòu)自有的注漿系統(tǒng)注入粘度為85 s的膨潤土漿液[8]，填充盾尾刷后方1 m范圍內(nèi)的建筑空隙，防止砂漿和雙液漿侵入盾尾刷位置導(dǎo)致盾尾刷彈性降低，注入1.5～3.5 m3后，更換粘度為55 s的膨潤土漿液，將管路內(nèi)部的砂漿完全置換，保證恢復(fù)掘進(jìn)時管路通暢。

(2)通過盾體預(yù)留的超前注漿孔及徑向注漿孔注入粘度為110 s的膨潤土漿液，填充盾體位置間隙。整個盾體長度范圍內(nèi)注入8～10 m3，防止出現(xiàn)地層變形沉降或長時間停機(jī)導(dǎo)致盾體卡死。

(3)盾構(gòu)后方第五環(huán)至第九環(huán)，按照間隔的方式注入雙液漿[9]，截?cái)喽芪埠蠓剿矗p液漿注入壓力為2.5～3.5 bar，每環(huán)注入量3 m3。

4.2 土倉渣氣置換

盾構(gòu)截水處理完成后靜置24 h，通過盾體徑向孔和管片注漿孔進(jìn)行效果檢查[10]，確保沒有地下水匯入時，利用盾構(gòu)機(jī)空氣壓縮系統(tǒng)向土倉內(nèi)加氣，氣壓值設(shè)定為理論土壓值的±0.1 bar范圍內(nèi)；土倉內(nèi)氣壓值達(dá)到要求后，將土倉的渣土排放至九點(diǎn)半位置。

4.3 新型漿液注入

4.3.1 新型漿液配置

該漿液由砂、粉煤灰、膨潤土、石灰、水和改性添加劑拌制而成，其配合比(見表4)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。該漿液拌和靜置72 h后不會離析，具有良好的和易性、流動性，能達(dá)到填充巖層裂隙的要求。漿液比重1.92 g/cm3，稠度95～120 mm，坍落度230 mm，初凝時間為12 h，抗壓強(qiáng)度7 d為0.8 MPa。改性添加劑包括觸變劑、減水劑、膨脹劑中的任意一種或多種，使砂漿性能能夠更好地適應(yīng)當(dāng)前地質(zhì)特性，保證加固質(zhì)量。新型漿液攪拌成型見圖1。

圖1 新型漿液攪拌

表4 新型漿液配比 kg

4.3.2 注漿裝置安裝

(1)注漿裝置結(jié)構(gòu)

液壓伸縮式注漿裝置包括安裝在土倉壁上的預(yù)留球閥[11]、注漿管、反力支座、油缸固定座、兩套同步控制的液壓伸縮油缸和數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感系統(tǒng)。該預(yù)留球閥焊接在土倉壁上的預(yù)留注漿孔處，其外側(cè)設(shè)有法蘭盤，預(yù)留球閥在注漿時可打開，注漿管從預(yù)留球閥穿過進(jìn)入土倉，不注漿時，便可將預(yù)留球閥關(guān)閉；注漿管包括前部的硬質(zhì)鋼管和后部的注漿軟管，其硬質(zhì)鋼管前端為錐型，開設(shè)有多個注漿孔呈梅花狀分布形成注漿頭，鋼管直徑與預(yù)留球閥的內(nèi)徑相匹配，可在預(yù)留球閥內(nèi)水平移動，一般小于土倉壁預(yù)留管徑3 mm(兩端各保持1.5 mm間隙)，便于注漿管伸縮控制。數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感系統(tǒng)包括設(shè)置在注漿管上的壓力傳感器和設(shè)置在液壓伸縮油缸上的激光測距儀，可實(shí)現(xiàn)伸縮長度及壓力信號監(jiān)測雙標(biāo)準(zhǔn)控制。

(2)注漿裝置安裝

先將反力支座固定在預(yù)留球閥外側(cè)法蘭盤上，在反力座上開設(shè)與注漿管硬質(zhì)鋼管相匹配的注漿管穿孔，并在注漿管穿孔內(nèi)壁設(shè)密封橡膠圈和注脂點(diǎn)，反力支座上對稱設(shè)置油缸連接板和油缸連接銷軸，用于連接伸縮油缸。兩套伸縮油缸平行置于硬質(zhì)鋼管兩側(cè)，并水平設(shè)置在油缸固定座與反力支座之間，每套液壓伸縮油缸的油缸套固定在油缸固定座上，活塞端在油缸伸長至最大行程時固定在反力支座上，且兩套伸縮油缸的活塞端與反力座固定時，注漿管的注漿頭剛好穿過反力支座上的注漿管穿孔置于預(yù)留球閥的進(jìn)口端，即預(yù)留球閥開啟后，兩套液壓伸縮油缸同步完全收縮時，注漿頭臨近刀盤或伸出刀盤進(jìn)行注漿。

注漿管的軟管與盾構(gòu)機(jī)的同步注漿系統(tǒng)連接，并由盾構(gòu)機(jī)的同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行注漿，在注漿管上安裝壓力表，在油缸固定座與反力支座之間設(shè)置行程監(jiān)測裝置(激光測距儀固定在油缸固定座上、測距激光片對應(yīng)設(shè)置在反力支座上)，壓力表用于監(jiān)測注漿管的注漿壓力，將信號反饋給盾構(gòu)機(jī)注漿系統(tǒng)；激光測距儀用于監(jiān)測伸縮油缸的伸縮行程，將信號反饋給盾構(gòu)機(jī)注漿系統(tǒng)和液壓伸縮油缸的液壓控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓力方量雙標(biāo)準(zhǔn)控制。

兩套液壓伸縮油缸的液壓控制系統(tǒng)與盾構(gòu)機(jī)的液壓控制系統(tǒng)按照液壓原理進(jìn)行連接，由盾構(gòu)機(jī)的液壓控制系統(tǒng)整體控制，并配置專門的手動控制裝置；每套液壓伸縮油缸的額定壓力為10 MPa，有效行程為1～1.2 m，并與注漿管在土倉內(nèi)水平移動至刀盤內(nèi)側(cè)或伸出刀盤的距離相等。伸縮油缸伸開至最大行程示意如圖2所示，伸縮油缸收縮狀態(tài)示意如圖3所示。

圖2 伸縮油缸伸開至最大行程示意

圖3 伸縮油缸收縮狀態(tài)示意

4.3.3 掌子面注入新型漿液

選擇盾構(gòu)機(jī)土倉九點(diǎn)半以上區(qū)域的土倉壁預(yù)留球閥作為注漿點(diǎn)[12]，注漿點(diǎn)位設(shè)3～5個，注漿順序由上至下，左右對稱；最上方的注漿點(diǎn)作為第一個注漿點(diǎn)位，注漿裝置安裝后，開啟預(yù)留球閥，同時控制兩液壓伸縮油缸同步收縮，帶動注漿管穿過預(yù)留球閥伸入土倉內(nèi)，并水平移動至刀盤臨近土倉的一側(cè)或水平移動穿過刀盤的間隙伸入刀盤前側(cè)的土層內(nèi)；液壓伸縮油缸收縮到位后，通過盾構(gòu)機(jī)的同步注漿系統(tǒng)及注漿裝置將配制的新型漿液注入盾構(gòu)機(jī)刀盤掌子面的土層內(nèi)，其注漿量為刀盤掌子面前方50 cm范圍的地層間隙，掌子面的注入系數(shù)取當(dāng)前地層段同步注漿參數(shù)中填充系數(shù)＋0.2作為參考值，注漿壓力控制在4～4.5 bar，注入方量為3～4 m3。

第一個注漿點(diǎn)位注漿完成后，控制兩套液壓伸縮油缸同步伸開，將注漿管收回使其脫離預(yù)留球閥，關(guān)閉該注漿點(diǎn)的預(yù)留球閥，拆卸注漿裝置。重復(fù)完成每個注漿點(diǎn)位的注漿工作，注漿工作完成之后進(jìn)行土倉的氣密性檢測，當(dāng)空壓機(jī)加載時間少于加壓總時間10%時，可進(jìn)行開倉換刀作業(yè)，否則重復(fù)上述步驟繼續(xù)進(jìn)行加固，直至符合要求。掌子面穩(wěn)固效果如圖4所示。

圖4 掌子面穩(wěn)固效果

4.4 新型漿液降解

開倉換刀作業(yè)完成后，封閉土倉[13]，按照上述注漿方式注入降解溶液，使掌子面地層內(nèi)新型漿液降解，快速恢復(fù)掘進(jìn)；降解液由分散劑、泡沫劑、洗衣粉配制而成，充分利用分散劑及洗衣粉對混凝土的腐蝕性，將粘附在刀盤開口位置的漿液進(jìn)行軟化，并隨盾構(gòu)掘進(jìn)帶出，可快速清洗干凈，減少作業(yè)量。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，降解溶液配合比(按質(zhì)量比):分散劑∶泡沫劑∶洗衣粉∶水＝125∶60∶25∶100。

5 結(jié)束語

該技術(shù)成功應(yīng)用于深圳地鐵16號線四工區(qū)龍龍區(qū)間盾構(gòu)帶壓開倉，利用可伸縮注漿裝置，配合新型漿液，對盾構(gòu)刀盤掌子面直接進(jìn)行注漿加固，解決了盾構(gòu)開倉換刀前地層加固施工進(jìn)度慢、加固效果差、施工成本高等問題。該注漿裝置可安裝在盾構(gòu)機(jī)土倉壁上預(yù)留位置，加固土倉內(nèi)上半部分位置，完全有效地截?cái)嗲胺剿?，提高安全質(zhì)量保障及工序切換效率。

(1)利用液壓伸縮油缸控制注漿硬管，使其在土倉壁通孔內(nèi)自由伸縮，將漿液直接送至指定加固區(qū)域進(jìn)行注漿。采用該方法，大大減少了漿液用量，加快了地層加固效果，同時也減少了人工清理土倉內(nèi)渣土的時間及工作量。

(2)快凝低強(qiáng)度漿液比重大、稠度低、泌水性低、抗稀釋性能好，使?jié){液能夠快速凝固并達(dá)到預(yù)計(jì)的效果，且具有良好的降解性；換刀后，利用降解溶液快速融化新型漿液，減少刀盤面板上粘附渣土清理工作，可快速恢復(fù)施工，縮短工期，節(jié)約成本。

(3)利用盾構(gòu)后方堵水配合盾構(gòu)刀盤掌子面加固開倉作業(yè)，可提高溶洞特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)安全性。

(4)注漿硬管端頭出漿孔設(shè)計(jì)成梅花形，便于漿液擴(kuò)散，提高加固效率；注漿硬管的另一端連接軟管至盾構(gòu)自有的注漿系統(tǒng)，同時將注漿硬管尾部的壓力傳感器信號連接至注漿系統(tǒng)控制區(qū)域，實(shí)現(xiàn)壓力方量雙標(biāo)準(zhǔn)控制。

(5)注漿裝置的油缸反力支座，在連接注漿管的同時對法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)化處理，防止出現(xiàn)損壞；在雙層夾心鋼板上焊接連接油缸軸套，可提供反用力，便于不同位置的更換。

(6)反力支座與注漿管接觸面設(shè)潤滑密封系統(tǒng)，可密封注漿硬管與土倉壁預(yù)留球閥之間的間隙，保證土倉的密封性，同時設(shè)計(jì)專門的注脂點(diǎn)，降低接觸件之間的摩擦力，延長使用壽命。