成都地鐵大直徑盾構(gòu)帶壓開(kāi)倉(cāng)施工關(guān)鍵技術(shù)

吳 宗 林， 李 學(xué) 謙

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

成都軌道交通19號(hào)線(xiàn)二期工程龍橋路站～雙流機(jī)場(chǎng)站區(qū)間共計(jì)2次穿越江安河，2次穿越牧馬山干渠，穿越既有線(xiàn)(地鐵3/10/成貴高鐵)3處，所穿越的建筑物共計(jì)35棟，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。

盾構(gòu)穿越的地層主要為砂卵石、砂卵石與泥巖復(fù)合地層。在砂卵石地層掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)、刀具由于卵石土切削的不均勻性和沖擊易產(chǎn)生異常損壞，導(dǎo)致刀盤(pán)、刀具和螺旋輸送機(jī)的磨損均比較嚴(yán)重。在復(fù)合地層掘進(jìn)過(guò)程中，泥巖具有微膨脹性與高黏性，當(dāng)?shù)侗P(pán)攪動(dòng)土體時(shí)破壞了其原有的平衡狀態(tài)，通過(guò)盾體后方或上方的來(lái)水，導(dǎo)致土體內(nèi)的水分增加，吸水后的膨脹土粘附在刀盤(pán)上容易導(dǎo)致刀盤(pán)及土倉(cāng)結(jié)餅，刀具偏磨，如果長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，還可能導(dǎo)致盾體被裹死等惡劣情況出現(xiàn)。

在地下復(fù)雜的地質(zhì)條件、地面條件苛刻的要求下，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的換刀必須找到一種切合實(shí)際、高效、經(jīng)濟(jì)、安全的方式，既能保障盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)，同時(shí)也能保障地下及地上的安全。

以成都軌道交通19號(hào)線(xiàn)二期工程龍橋路站～雙流機(jī)場(chǎng)站區(qū)間帶壓開(kāi)倉(cāng)施工為例，對(duì)大直徑盾構(gòu)帶壓開(kāi)倉(cāng)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，所取得的成果希望能為后續(xù)成都地鐵盾構(gòu)帶壓開(kāi)倉(cāng)施工提供借鑒。針對(duì)該區(qū)間共計(jì)進(jìn)行了12次帶壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)，其中7次在砂卵石與泥巖復(fù)合地層中進(jìn)行，5次在砂卵石地層中進(jìn)行。12次帶壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)均一次性建設(shè)泥膜成功，從而為項(xiàng)目安全穩(wěn)步推進(jìn)提供了較好的條件，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

該區(qū)間穿越的地層主要為密實(shí)砂卵石地層，占比為51%，其次為泥巖地層，占比為33%，砂卵石與中等風(fēng)化泥巖復(fù)合地層，占比為16%。顆粒分析及地質(zhì)勘察報(bào)告揭示：卵石(Q3fgl+al)原巖多為中等風(fēng)化花崗巖、灰?guī)r及石英砂巖，其卵石含量為50%～80%，粒徑為2～20 cm，最大達(dá)47 cm。砂卵石綜合含水層滲透系數(shù)K為25～35 m/d，強(qiáng)透水。中等風(fēng)化泥巖(K2g)為膨脹巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，易風(fēng)化，遇水易軟化。整個(gè)區(qū)間地質(zhì)條件復(fù)雜，需要尋求合適的施工方式。

2 盾構(gòu)帶壓開(kāi)倉(cāng)施工

2.1 帶壓換刀的工作原理

在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)對(duì)刀盤(pán)前方地層進(jìn)行改良或加固處理后，在保證刀盤(pán)前方周?chē)貙雍屯羵}(cāng)滿(mǎn)足氣密性要求的條件下，利用空氣壓縮機(jī)將空氣加壓并注入土倉(cāng)，以氣壓代替土壓，通過(guò)在土倉(cāng)內(nèi)建立合理的氣壓用以平衡刀盤(pán)前方的水與土壓力，達(dá)到穩(wěn)定掌子面和防止地下水滲入的目的。作業(yè)人員在盾構(gòu)帶壓的條件下進(jìn)入土倉(cāng)進(jìn)行檢查、維修保養(yǎng)和刀具更換等過(guò)程作業(yè)。

壓氣對(duì)開(kāi)挖面起到的穩(wěn)定作用可以分為下述三種：

(1)可以阻止來(lái)自開(kāi)挖面的涌水，防止開(kāi)挖面坍塌。

(2)因壓氣壓力本身的擋土作用使開(kāi)挖面穩(wěn)定。

(3)由于壓氣對(duì)圍巖縫隙起到排擠水的作用，增加了粉砂、黏土層或含有粉砂黏土成分的砂質(zhì)土的強(qiáng)度，進(jìn)而增加了開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。

其中以高壓空氣防止開(kāi)挖面坍塌的作用是氣壓法能夠起到的最顯著的作用，但其擋土作用視圍巖的性質(zhì)不同而有所區(qū)別。對(duì)于透氣性小的黏性土或粉砂質(zhì)土地層中這種效果比較明顯；而在透氣性大的砂質(zhì)土和砂礫石層中，既使采用與地下水壓相適應(yīng)的氣壓力亦會(huì)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，而且其往往阻止不了開(kāi)挖面下部的涌水及其上部的坍塌，因此，需要對(duì)刀盤(pán)前方的地層進(jìn)行適當(dāng)?shù)母牧肌?/p>

帶壓開(kāi)倉(cāng)換刀的施工流程見(jiàn)圖1。

圖1 帶壓開(kāi)倉(cāng)換刀施工流程圖

2.2 到達(dá)停機(jī)位置前的渣土改良

盾構(gòu)機(jī)到達(dá)開(kāi)倉(cāng)位置之前，必須加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)內(nèi)的渣土進(jìn)行改良，采用泡沫劑及膨潤(rùn)土提高渣土的和易性和不透水性，使渣土處于流塑狀態(tài),以便于螺旋輸送機(jī)排渣,同時(shí)還能形成“土塞”效應(yīng),防止螺旋輸送機(jī)尾部噴涌。鈣基膨潤(rùn)土配比情況見(jiàn)表1。

表1 鈣基膨潤(rùn)土配比表

2.3 土倉(cāng)氣壓的確定

帶壓進(jìn)倉(cāng)壓力值的設(shè)定系根據(jù)地下水位埋深及隧道埋深確定。通過(guò)計(jì)算可以得出土倉(cāng)中需要建立的氣壓，根據(jù)該工區(qū)12次帶壓開(kāi)倉(cāng)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，其工作面最終的壓力要求比設(shè)定的土壓力高0.2～0.3 bar左右。區(qū)間帶壓開(kāi)倉(cāng)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

掌子面穩(wěn)定開(kāi)倉(cāng)氣壓P的計(jì)算方法為：

P=Pw+Pr

表2 區(qū)間帶壓開(kāi)倉(cāng)統(tǒng)計(jì)表

Pw=γw×h

式中Pw為地下水位至隧道開(kāi)挖中心的水頭壓力；γw為水的比重；h為地下水位到盾構(gòu)機(jī)底部的高度；Pr為考慮不同地層條件、地面環(huán)境及開(kāi)挖面位置的壓力調(diào)整值。

2.4 泥膜的制作及渣土的置換

泥膜施工是整個(gè)帶壓換刀的關(guān)鍵工序。通過(guò)注入填充及擠壓、置換渣土、轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)攪拌及擠壓，在盾體外壁和盾構(gòu)開(kāi)挖掌子面前方建立起具有一定厚度、強(qiáng)度、防水性、持久性的保壓泥膜。復(fù)合黏土混合漿液效果與泥膜效果見(jiàn)圖2。對(duì)土倉(cāng)采用復(fù)合黏土混合液進(jìn)行置換，復(fù)合黏土混合液的主要成分為鈣基膨潤(rùn)土、鈉基膨潤(rùn)土、消石灰、甲基纖維素和水玻璃。復(fù)合黏土混合液配合比見(jiàn)表3。

表3 復(fù)合黏土混合液配合比表

圖2 復(fù)合黏土混合漿液效果與泥膜效果圖

泥膜與土倉(cāng)渣土的置換具體分為以下十二個(gè)步驟進(jìn)行：

第一步：封環(huán)。停機(jī)后，對(duì)管片拖出盾尾6～7環(huán)后進(jìn)行1～2環(huán)的雙液注漿，將凝固時(shí)間控制在10～20 s，以達(dá)到止水的目的。注漿完成后開(kāi)孔檢查以確定止水效果是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。若止水效果不佳，應(yīng)增加二次注漿封堵環(huán)數(shù)以確保止水效果。二次注漿配合比見(jiàn)表4。

表4 二次注漿配合比表

第二步：通過(guò)同步注漿系統(tǒng)注入膨潤(rùn)土漿液保護(hù)管道，注入完成后關(guān)閉盾尾球閥。

第三步：利用地面砂漿攪拌站制作膨潤(rùn)土漿液(含有鈣基、鈉基膨潤(rùn)土、消石灰、纖維素)，每次制作量為6～8 m3并通過(guò)電瓶車(chē)運(yùn)至隧道內(nèi)，漿液進(jìn)隧道后在漿車(chē)內(nèi)攪拌3 min，然后利用砂漿泵抽至砂漿罐中。

第四步：在盾構(gòu)機(jī)同步注漿箱中添加設(shè)計(jì)量1/3體積的水玻璃進(jìn)行充分?jǐn)嚢杈鶆蛐纬沙噬责こ砀酄畹膹?fù)合黏土混合液(復(fù)合黏土混合液：膨潤(rùn)土漿液中添加了配合比中1/3體積水玻璃用量的漿液)。

第五步：拆除一路同步注漿管配合變徑頭接至土倉(cāng)口的球閥位置，通過(guò)此管往土倉(cāng)內(nèi)注入復(fù)合黏土混合液，將土倉(cāng)壓力穩(wěn)定在3～3.5 bar，使復(fù)合黏土混合液充分填充至盾構(gòu)機(jī)四周地層的間隙。

第六步：暫停注入，觀察倉(cāng)內(nèi)的壓力下降速度；若其降低較快，需繼續(xù)往倉(cāng)內(nèi)注入復(fù)合黏土混合液，重復(fù)上述流程，直至倉(cāng)內(nèi)壓力維持在3～3.5 bar。

第七步：通過(guò)同步注漿系統(tǒng)，往土倉(cāng)內(nèi)邊注入復(fù)合黏土混合液、邊對(duì)土倉(cāng)內(nèi)的渣土進(jìn)行置換。復(fù)合黏土混合液注入過(guò)程中，同時(shí)啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)緩慢排渣、控制上部土倉(cāng)的壓力，此時(shí)的土倉(cāng)壓力維持在2.7～2.8 bar，以避免螺旋輸送機(jī)壓力大造成漏氣現(xiàn)象的出現(xiàn)。當(dāng)排出來(lái)的渣土明顯含有復(fù)合黏土混合液時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)從螺旋輸送機(jī)出渣口采取渣樣放置量筒內(nèi)，通過(guò)觀察渣樣顏色、含砂量和加入水玻璃拌和試驗(yàn)判定倉(cāng)內(nèi)渣土的置換位置(渣土降至刀盤(pán)中心以下并且以螺旋輸送機(jī)出土不漏氣為原則)。

第八步：準(zhǔn)備一臺(tái)單液注漿機(jī)(回漿泵+三相異步電動(dòng)機(jī))，注漿管與入倉(cāng)口位置由另外一個(gè)平衡閥連接，作為補(bǔ)充水玻璃液的注入口。

第九步：根據(jù)注入土倉(cāng)復(fù)合黏土混合液的總量，核算需補(bǔ)充注入剩余2/3體積的水玻璃用量，采用二次注漿機(jī)間歇性補(bǔ)充注入水玻璃形成復(fù)合黏土混合漿液的方式；啟動(dòng)刀盤(pán)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為0.5 rpm，刀盤(pán)轉(zhuǎn)向始終保持同一方向旋轉(zhuǎn)，持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)0.5 h左右，在該過(guò)程中詳細(xì)觀察土倉(cāng)壓力變化與扭矩波動(dòng)情況；若土倉(cāng)壓力和扭矩相對(duì)穩(wěn)定，其維持時(shí)間不少于1 h。停機(jī)1 h，觀察土壓壓力變化速率，待其相對(duì)穩(wěn)定(將壓力上下波動(dòng)幅度控制在0.05 bar/h)后最終形成保壓泥膜(泥膜形成后嚴(yán)禁轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán))。

第十步：打開(kāi)3、9點(diǎn)球閥，置換土倉(cāng)內(nèi)的空氣，降低土倉(cāng)內(nèi)的溫度，對(duì)球閥出氣孔的氣體進(jìn)行氣體檢測(cè)(特別注意對(duì)瓦斯氣體的檢測(cè))。

第十一步：觀察土倉(cāng)壓力變化情況且時(shí)間不少于1 h，每10 min施測(cè)一次空壓機(jī)加卸載情況；若加載時(shí)間小于卸載時(shí)間，證明泥膜質(zhì)量滿(mǎn)足要求，土倉(cāng)保氣性良好；加載時(shí)間小于卸載時(shí)間的差值越大，表明掌子面穩(wěn)定性及泥膜質(zhì)量越好。若加載時(shí)間大于(等于)卸載時(shí)間，則證明泥膜建立失敗，需重新建立泥膜(特別需要注意觀察地面是否有漏氣現(xiàn)象)。

第十二步：按照正常流程進(jìn)行帶壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)操作，首批入倉(cāng)人員的任務(wù)主要是觀察掌子面泥膜穩(wěn)定性情況；若泥膜效果良好，則可進(jìn)倉(cāng)清理刀箱，檢查刀具磨損情況，開(kāi)始后續(xù)換刀作業(yè)。

2.5 保壓試驗(yàn)

開(kāi)倉(cāng)前，為驗(yàn)證地層的氣密性，有必要進(jìn)行一次保壓試驗(yàn)。保壓試驗(yàn)的時(shí)間不得低于4 h，同時(shí)觀察土壓傳感器的變化、samson系統(tǒng)開(kāi)度及空壓機(jī)的運(yùn)行情況。要求土壓傳感器的土壓變化值不得大于0.05 bar/h，samson的開(kāi)度不得大于0.2，空壓機(jī)的儲(chǔ)氣罐壓力為6.5～7 bar，且空壓機(jī)的加載時(shí)間要小于卸載時(shí)間,同時(shí)，入倉(cāng)處的壓力不得低于5.5 bar。與此同時(shí)，安排相關(guān)人員觀察地表、鉸接以及盾尾漏氣是否嚴(yán)重,若土倉(cāng)壓力無(wú)法達(dá)到要求,則需重新恢復(fù)注漿或重新推進(jìn)。

保壓試驗(yàn)成功后，在開(kāi)倉(cāng)作業(yè)過(guò)程中應(yīng)盡量維持此壓力，并通過(guò)進(jìn)氣閥的操作控制氣壓的變化值在可控范圍之內(nèi)；當(dāng)土倉(cāng)內(nèi)的土體排空至一號(hào)傳感器時(shí)，如果傳感器的讀數(shù)接近排土前的壓力，說(shuō)明土倉(cāng)加壓成功；當(dāng)排至二號(hào)傳感器時(shí)其讀數(shù)與一號(hào)傳感器讀數(shù)一樣且壓力穩(wěn)定，說(shuō)明土倉(cāng)密閉性達(dá)到進(jìn)倉(cāng)作業(yè)要求，土倉(cāng)建壓成功,可以進(jìn)行帶壓換刀(或檢查刀具)操作。

2.6 施工人員入閘作業(yè)

(1)入倉(cāng)步驟。

①檢查所有的顯示設(shè)備，如時(shí)鐘、溫度計(jì)、電話(huà)和閘閥等，檢查倉(cāng)門(mén)的清潔程度；

②入倉(cāng)人員進(jìn)入人倉(cāng)；

③關(guān)閉主倉(cāng)和副倉(cāng)的倉(cāng)門(mén)并確保其正確關(guān)閉；

④確保操倉(cāng)人員與帶壓人員之間的電話(huà)聯(lián)系；

⑤緩慢打開(kāi)通向主倉(cāng)的通風(fēng)球閥。向倉(cāng)內(nèi)增壓，直至達(dá)到操作壓力。

⑥待主倉(cāng)內(nèi)的壓力等于土倉(cāng)倉(cāng)內(nèi)的壓力后，即完成土倉(cāng)與主倉(cāng)之間的壓力均衡后球閥必須關(guān)閉。人員進(jìn)入土倉(cāng)的程序見(jiàn)圖3。

圖3 人員進(jìn)入土倉(cāng)程序圖

(2)加壓過(guò)程。

①原始位置：P1﹥P0。

P0為大氣壓力；P1為支撐壓力。

原始狀態(tài)時(shí)，主倉(cāng)與副倉(cāng)的壓力為大氣壓力。原始狀態(tài)倉(cāng)壓力示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 原始狀態(tài)倉(cāng)壓力示意圖

②主倉(cāng)的加壓：P1﹥P2﹥P0。

P2為主倉(cāng)壓力，介于P1和P0之間。

關(guān)閉主倉(cāng)倉(cāng)門(mén)后，打開(kāi)通風(fēng)球閥對(duì)主倉(cāng)進(jìn)行加壓。加壓狀態(tài)倉(cāng)壓力示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 加壓狀態(tài)倉(cāng)壓力示意圖

③土倉(cāng)與主倉(cāng)壓力平衡：P1=P2。

土倉(cāng)與主倉(cāng)實(shí)現(xiàn)氣壓平衡后停止加壓。此時(shí)，可以開(kāi)啟土倉(cāng)閘門(mén)進(jìn)入土倉(cāng)，同時(shí)副倉(cāng)始終保持不加壓。 土倉(cāng)、主倉(cāng)壓力平衡示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 土倉(cāng)、主倉(cāng)壓力平衡示意圖

2.7 施工人員出倉(cāng)

減壓作業(yè)嚴(yán)格按照《盾構(gòu)法開(kāi)倉(cāng)及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》(CJJ217-2014) 氣壓作業(yè)的工作時(shí)間和減壓時(shí)間執(zhí)行。打開(kāi)排氣減壓閥緩慢降低入倉(cāng)氣壓，同時(shí)觀察人倉(cāng)中設(shè)置的壓力計(jì)。減壓過(guò)程中，根據(jù)倉(cāng)內(nèi)人員的身體感覺(jué)和每一階段壓力的保持時(shí)間調(diào)整通氣速率、直至常壓狀態(tài)。人倉(cāng)里的加熱系統(tǒng)必須根據(jù)國(guó)家規(guī)定進(jìn)行配置。操倉(cāng)員需要定期查看流量計(jì)以保證入倉(cāng)的通風(fēng)量。作業(yè)人員經(jīng)過(guò)減壓過(guò)程離開(kāi)入倉(cāng)后，操倉(cāng)員關(guān)閉記錄儀，作好減(加)壓的詳細(xì)記錄。

2.7 換刀結(jié)束后的掘進(jìn)恢復(fù)

由于砂卵石地層具有一定的穩(wěn)定性,因此最終決定采用加氣推進(jìn)的模式，即更換刀具后,啟動(dòng)刀盤(pán)與千斤頂恢復(fù)盾構(gòu)掘進(jìn),同時(shí)保持土倉(cāng)內(nèi)的氣壓,暫不出土,逐漸恢復(fù)土倉(cāng)內(nèi)的存土量,增加土壓,同步逐漸減小氣壓,最終實(shí)現(xiàn)土壓完全代替氣壓平衡。

在恢復(fù)掘進(jìn)第一環(huán)時(shí)，根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)情況逐漸增加推力及扭矩，逐步提高推進(jìn)速度至50 mm/min以上。開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)應(yīng)注意有無(wú)噴涌的現(xiàn)象發(fā)生，發(fā)生噴涌時(shí)必須降低閘門(mén)的開(kāi)度，加大螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，掘進(jìn)速度應(yīng)與出土匹配，出土量較大時(shí)需注意增加掘進(jìn)速度。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著大直徑盾構(gòu)逐步由郊區(qū)走向城區(qū)，且因帶壓開(kāi)倉(cāng)施工技術(shù)具有不占用地面空間，對(duì)市政道路、管線(xiàn)、房屋、民居等影響小，費(fèi)用較低、效率較高的特點(diǎn)，在穿越繁華城區(qū)盾構(gòu)施工換刀時(shí)具有常壓換刀無(wú)法比擬的優(yōu)越性而逐步得到應(yīng)用。但是，由于該施工工藝要求相對(duì)較高，且因成都地層的特殊性而導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)極大。經(jīng)過(guò)中國(guó)水電第七工程局19號(hào)線(xiàn)土建2工區(qū)項(xiàng)目部的多次試驗(yàn)與實(shí)踐，在砂卵石及復(fù)合地層中成功解決了帶壓換刀的技術(shù)難題，取得了較好的效果，所闡述的內(nèi)容可供同仁參考。