盾構(gòu)砂漿置換法常壓開倉作業(yè)技術(shù)

柴高炯

(中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司，上海 200443)

0 前 言

某地鐵項目于2020年7月14日掘進(jìn)至409環(huán)，其中，掘進(jìn)401～409環(huán)，盾構(gòu)掘進(jìn)速度1～5 mm/min，刀盤扭矩平均值2 000～4 000 kN·m，最大值4 000～5 000 kN·m，總推力1 900～2 200 t。速度慢，扭矩高，于2020年7月17日帶壓進(jìn)倉作業(yè)，在第三倉作業(yè)過程中土倉內(nèi)CO含量超標(biāo)，人員緊急關(guān)閉倉門，開始正常減壓出倉，停止帶壓作業(yè)。

出于安全考慮，帶壓開倉存在安全隱患，因此，考慮砂漿置換法進(jìn)行開倉，更換墊高刀具，更換土壓傳感器，安裝、試驗(yàn)高壓沖洗裝置，清理泥餅。

1 工程概況

盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置位于河道泄洪堤內(nèi)桐口村居民果樹林地下方，刀盤里程為CDK1+519.458(415環(huán))，管片拼裝至409環(huán)。該位置隧道覆土為10.5 m，隧道上方為村民菜地和果樹林地。刀盤前方地層從上到下主要為粉質(zhì)黏土(0～1.8 m)、淤泥(1.8～3.7 m)、全風(fēng)化閃長巖(3.7 m～7.5 m)、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖(砂土狀)(7.5～13.5 m)、中風(fēng)化閃長巖。洞身范圍地質(zhì)主要為強(qiáng)風(fēng)化閃長巖(砂土狀)、中風(fēng)化閃長巖。

勘察范圍內(nèi)所有鉆孔均遇見地下水?？辈鞎r測得鉆孔中初見水位埋深為1.00～9.20 m，初見水位標(biāo)高為6.73～16.63 m；穩(wěn)定水位埋深為0.80～9.00 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為6.33～16.23 m。

盾構(gòu)機(jī)位于泄洪堤內(nèi)，距離鐵路路基40 m，周邊無管線、高大建筑物，主要為果樹林地。

2 施工工藝

砂漿置換法是近年來國內(nèi)盾構(gòu)開倉較為常用的一種加固方法[1]。拌置一定強(qiáng)度砂漿，通過盾構(gòu)土倉壁檢查孔注入混合砂漿，置換盾構(gòu)土艙中部分或全部土體，利用砂漿與土體混合物將盾構(gòu)機(jī)刀盤前方、開口處裹住，尤其是上方砂漿混合物到達(dá)一定強(qiáng)度后形成具有防水及自立性的止水帷幕，然后開倉，分層、有序清除土倉內(nèi)砂漿進(jìn)行檢查、換刀。

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)異常，通過經(jīng)驗(yàn)判斷刀具磨損嚴(yán)重，必須換刀后進(jìn)行作業(yè)。但盾構(gòu)機(jī)所處地層為上軟下硬地層，穩(wěn)定性差，無法進(jìn)行常壓開倉，且由于地層中CO含量較高，也無法進(jìn)行帶壓開倉。而在砂土地層中，砂漿置換法常壓開倉作業(yè)具有較高可靠性、工期較短、成本較低、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 砂漿置換施工流程

地面加固及降水井施工→環(huán)箍注漿→正常推進(jìn)5 cm→渣土置換→注水泥砂漿→盾體后退5 cm→回縮螺旋機(jī)關(guān)閉下閘門→開倉清倉→土倉回填→恢復(fù)推進(jìn)。

2.2 地面注漿加固

由于前期帶壓開倉施工需要，已采用WSS后退式注漿進(jìn)行地面加固，樁間距為橫向1.5 m、縱向1.5 m，梅花形布置，隧道范圍外采用水泥-水玻璃雙液漿加固，隧道范圍內(nèi)采用水泥漿加固，漿液配比水灰比為1∶1，水玻璃∶水=1∶1，水泥漿∶水玻璃液=1∶1。為加強(qiáng)刀盤前方土體自穩(wěn)性，在刀盤前方0.5、1.5 m以及刀盤上方采用WSS注漿再次對地面進(jìn)行加固，距離為1 m，梅花形布置，刀盤前方加固至巖面，刀盤上方加固至盾體，隧道范圍內(nèi)及隧道上方1 m采用磷酸-水玻璃雙液漿，距地面4 m范圍不注漿，其余注水泥-水玻璃雙液漿。

2.3 降水施工

目前盾構(gòu)機(jī)刀盤里程為CDK1+519.458，通過地面在盾體及刀盤前方隧道范圍外打設(shè)4口降水井持續(xù)降水，降水井距隧道邊線5 m，間距4 m，降水井深15 m。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)附近水位監(jiān)測孔將盾構(gòu)機(jī)周邊水位降低至地面以下14 m，即降水至中風(fēng)化巖層(刀盤中心埋深13.6 m)。換刀作業(yè)過程中應(yīng)保證端頭連續(xù)降水，定時對地下水位進(jìn)行監(jiān)測。

2.4 環(huán)箍注漿

由于目前地層處于復(fù)合地層，地層滲透系數(shù)大，地下水豐富，為避免成環(huán)管片背后來水進(jìn)入土倉造成砂漿置換失敗，在管片背后進(jìn)行整環(huán)雙液注漿形成止水環(huán)，截斷管片背后來水。注漿環(huán)號選定在脫出盾尾4環(huán)之后進(jìn)行連續(xù)5環(huán)二次注漿。管片背后注漿范圍見圖1。

圖1 管片背后注漿范圍

二次注漿采用水玻璃+純水泥漿的方式。漿液配比及其相關(guān)參數(shù)指標(biāo)如下：水泥漿水灰比為0.8～1.0；水玻璃與水按1∶1進(jìn)行稀釋；注入時漿液與水玻璃體積比為：水泥漿∶水玻璃=1∶1。

注漿過程中應(yīng)有排氣孔，排氣孔原則上設(shè)在預(yù)注漿孔上并安裝注漿單向逆止閥，同時打開球閥，直至出現(xiàn)冒漿時關(guān)閉球閥，10 min后檢查注漿效果，如有水溢出應(yīng)對該孔進(jìn)行注漿。

2.5 渣土置換

氣壓輔助推進(jìn)5 cm(左中土壓1.4 bar)，將鉸接伸長至允許最大值(160 mm)后，再使用攪拌站配置的純膨潤土泥漿直接置換。膨潤土泥漿配比為1∶8(質(zhì)量比)，膨化時間≥24 h，黏度40～50 MPa·s，采用同步注漿設(shè)備，將配置好的膨潤土泥漿通過2、10點(diǎn)鐘位置土倉壁胸腔球閥直接注入土倉內(nèi)，在保證土倉壓力不小于理論土壓的1.1倍的情況下，通過螺旋機(jī)將土倉內(nèi)原有的渣土置換。置換標(biāo)準(zhǔn)為螺旋機(jī)出渣中膨潤土占比為80%或注入膨潤土量大于20 m3后停止置換，開始砂漿置換。

2.6 土倉內(nèi)砂漿置換

根據(jù)福州地區(qū)開倉置換砂漿配比以及本地區(qū)地質(zhì)砂土含量，共設(shè)置8組不同配比試驗(yàn)，如表1所示。

表1 砂漿配合比試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 單位：kg

綜合考慮掌子面穩(wěn)定、開挖難度、復(fù)推影響程度等因素，最終選定漿液配比為：水泥150 kg、砂820 kg、粉煤灰300 kg、膨潤土200 kg、水400 kg，漿液稠度9～11 cm，漿液初凝時間14～19 h(養(yǎng)護(hù)條件擬合土倉條件，封閉潮濕)。

砂漿置換以恒壓的原則進(jìn)行，一邊通過螺旋輸送機(jī)出土，一邊通過同步注漿從土倉隔板球閥注入砂漿，注漿過程中保證土艙壓力維持在2 bar左右，避免壓力太小地面出現(xiàn)沉降及壓力太大對主軸承密封不利。注漿時緩慢轉(zhuǎn)動刀盤，刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.5～1 r/min，保證艙內(nèi)土體與砂漿充分混合，注漿量約60 m3，同時密切關(guān)注刀盤密封壓力并注入油脂，壓力不低于3 bar。

在注漿過程中隨時通過土倉隔板各個位置的球閥檢查置換效果，同時隨時檢查螺旋機(jī)出土碴樣中的砂漿含量。當(dāng)注漿量達(dá)到要求、螺旋輸送機(jī)出土砂漿含量達(dá)到90%以上、頂部壓力達(dá)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定后，再次打開土倉隔板上所有球閥及盾構(gòu)中體的徑向注漿孔進(jìn)行檢查，并將空心管通過球閥插入土倉內(nèi)取樣進(jìn)行分析。

提前做好防盾尾后退措施，在盾尾焊接4塊工字鋼，防止盾構(gòu)倒退過多損壞盾尾刷。以注漿壓力使盾體后推約5 cm，同時人工回縮鉸接油缸。盾體回縮后保持土壓不變。必要時可加氣輔助后退。

需注意的是，最后一次轉(zhuǎn)動刀盤時將刀盤超挖刀置于3點(diǎn)鐘位置，便于后續(xù)換刀施工。

2.7 開倉前效果檢查

首先檢查倉內(nèi)漿液凝固情況，先打開土倉壁上的兩個球閥，用氣體檢測儀在球閥口進(jìn)行氣體檢測，保證土倉內(nèi)無有毒有害氣體，再次利用粗細(xì)10 mm左右的鋼筋向土倉內(nèi)砸入，根據(jù)砸入的情況判斷凝固的情況。然后打開土倉門上方的球閥，同樣的方法檢查倉內(nèi)凝固的情況，看是否還有水流出。

檢查前盾側(cè)壁注漿情況，打開盾體上兩側(cè)的球閥，與上述方法相同，檢查注漿后側(cè)壁土體情況，看是否還有未凝固的砂層、是否還有地下水流出。如兩個條件均滿足，則表明側(cè)壁加固效果也比較好。

通過檢查，確保開倉前砂漿置換達(dá)到預(yù)期效果，水位到達(dá)開倉條件，方可開倉進(jìn)行下步施工。

2.8 清倉及刀具檢查更換

開倉前先通過球閥對倉內(nèi)氣體進(jìn)行檢測，無有毒有害氣體后打開倉門，利用鼓風(fēng)機(jī)向土倉內(nèi)輸送新鮮空氣，以置換倉內(nèi)污濁氣體，安質(zhì)人員時刻檢測倉內(nèi)是否含有有毒有害氣體，確認(rèn)其無有毒有害氣體、準(zhǔn)備好照明設(shè)施后方可讓人員進(jìn)入土倉施工。

清艙利用鐵鎬、鐵鍬，采用編織袋裝土，人工送上皮帶機(jī)，再由皮帶機(jī)送往渣土車。清艙順序由上至下，切口環(huán)及開口處水泥漿保留。如鑿除過程中部分過鑿或局部滲水，立即采用快硬水泥封堵。須在人艙及皮帶機(jī)之間搭設(shè)鋼板溜槽，并在人員活動范圍兩側(cè)捆綁麻繩防護(hù)欄桿，防止人員墜落。此時艙內(nèi)溫度較高，及時通風(fēng)和用冰塊進(jìn)行降溫，同時備用1臺2 kW水泵，在清倉過程中如果底部有水滲出則及時用水泵抽水。

清倉過程中邊清倉邊更換刀具，刀盤輻條開口以及中線三角區(qū)暫不清理，直接清理刀箱。清理刀廂時應(yīng)鑿出一把，更換一把，若拆刀過程中掌子面不穩(wěn)有渣土流出，應(yīng)立即封閉刀廂并插管注入水泥漿[2]。

刀具磨損的建議標(biāo)準(zhǔn)：周邊磨損量為15 mm，齒刀磨損量為10 mm左右時更換。這個指標(biāo)的確定與刀具耐磨層厚度有很大關(guān)系。

3 施工效果

本次砂漿置換常壓開倉換刀各個環(huán)節(jié)整體受控，無質(zhì)量安全事故。

1)加固效果良好。加固后的地面隆起明顯，在加固區(qū)域取芯驗(yàn)證加固效果，芯樣可見大量固化砂漿；進(jìn)倉作業(yè)過程中掌子面始終比較穩(wěn)定，未出現(xiàn)掌子面坍塌情況，確保了開倉作業(yè)始終處于安全環(huán)境下。

2)降水效果良好。在開倉前24 h開始降水，并在清倉和換刀過程中始終保持降水，土倉內(nèi)總體滲水量較小，雖然隨著換刀數(shù)量增加滲水點(diǎn)增加，已有滲水點(diǎn)水量不斷減小，始終保持在可控范圍內(nèi)，如圖2所示。

圖2 降水效果

3)填倉。采用泡沫及自動保壓系統(tǒng)將土倉內(nèi)膨潤土排出，注入砂漿并繼續(xù)排土，螺機(jī)出現(xiàn)明顯砂漿，縮回螺機(jī)關(guān)閉下閘門，繼續(xù)通過漿罐注入砂漿，壓力穩(wěn)定在2 bar后后退刀盤12 cm，繼續(xù)注入砂漿，確保壓力穩(wěn)定2 bar后停止，過程中轉(zhuǎn)動刀盤，注入完成后刀盤停轉(zhuǎn)，停到制定位置。

4)清倉。清倉過程中配置了白班和夜班兩班人員，保證開挖作業(yè)不間斷。清理過程中，土倉內(nèi)砂漿由上向下一次性清理完成，不包含刀盤上的砂漿，作業(yè)過程中做好防墜、防腐蝕、通風(fēng)等安全措施。

5)換刀。換刀分左右兩個作業(yè)面同時作業(yè)，加快進(jìn)度。在刀盤已提前清理的情況下可左右開展兩個工作面，同時換刀。

4 結(jié)束語

運(yùn)用砂漿置換法常壓開倉作業(yè)得到了順利實(shí)施，各個環(huán)節(jié)未出現(xiàn)質(zhì)量安全事故，主要結(jié)論與建議如下。

1)開倉方案比較。常壓開倉適用于穩(wěn)定地層，工期短、費(fèi)用低、風(fēng)險低；帶壓開倉適用于較穩(wěn)定地層，但地層中有毒有害氣體含量不能超標(biāo)，本項目CO超標(biāo)無法使用，工期較長、費(fèi)用較高、風(fēng)險高；砂漿填倉法開倉換刀，地層適應(yīng)性較強(qiáng)，地層氣體含量對本工法使用無影響，周期長、費(fèi)用高、風(fēng)險低。

2)地面加固要在盾體上方、前方均有布置，且下部要使用磷酸-水玻璃溶液進(jìn)行加固，避免漿液卡盾體影響復(fù)推。

3)砂漿性能要進(jìn)行提前試驗(yàn)，驗(yàn)證強(qiáng)度和凝結(jié)時間，強(qiáng)度不足易造成掌子面失穩(wěn)，強(qiáng)度過大易造成清倉換刀困難。

4)在填倉前，刀盤中心刀調(diào)整成垂直狀態(tài)，方便更換。

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