上軟下硬富水復(fù)合地層水泥砂漿護(hù)壁保壓換刀技術(shù)應(yīng)用

何昌連，潘淡濃

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

0 引言

隨著城市軌道交通快速發(fā)展，盾構(gòu)隧道面臨的地質(zhì)條件及施工環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，不僅會(huì)遇到軟弱土層、硬巖層、上軟下硬復(fù)合地層等復(fù)雜地質(zhì)，還有穿越江河、建筑群樁、橋樁等特殊工況。盾構(gòu)刀盤(pán)在硬巖地層中掘進(jìn)極易受損，而在復(fù)合地層中除磨損外還常伴隨“泥餅”現(xiàn)象，致使盾構(gòu)推力、扭矩等參數(shù)異常，給盾構(gòu)掘進(jìn)帶來(lái)極大阻礙，因此必須開(kāi)倉(cāng)進(jìn)行換刀與除泥餅作業(yè)。常用的開(kāi)倉(cāng)方式有常壓開(kāi)倉(cāng)和氣壓開(kāi)倉(cāng)兩種，其中前者適用于掌子面自穩(wěn)性強(qiáng)、含水量低等條件，后者適用于地質(zhì)條件復(fù)雜、掌子面自穩(wěn)性差、含水量高、滲透系數(shù)大等條件。

本文以南京地鐵三號(hào)線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間穿越玄武湖為例，著重介紹盾構(gòu)機(jī)所處湖底粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾卵礫石、強(qiáng)風(fēng)化角巖化泥巖等上軟下硬、自穩(wěn)性差、透水性強(qiáng)的惡劣工況下，如何實(shí)施水泥砂漿護(hù)壁輔助氣壓換刀技術(shù)。

1 工程概況

南京地鐵三號(hào)線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間為雙線隧道，左線里程K18+203～K20+879約2 226環(huán)，右線里程K18+208～K20+892約2 223環(huán)，隧道外徑6.2 m（見(jiàn)圖1）。區(qū)間平面最小曲線半徑為R=350 m，縱斷面設(shè)計(jì)為V形坡，最大縱坡28.495‰，隧道埋深為9.2～34.2 m（中間風(fēng)井處埋深最大）。區(qū)間隧道設(shè)中間風(fēng)井1座（與2#聯(lián)絡(luò)通道合建）、聯(lián)絡(luò)通道4座。其中右線里程K19+290～K20+340下穿玄武湖，水深一般為1.3～1.7 m，湖底標(biāo)高一般為8.33～9.0 m，右線里程K19+370～K19+400穿越已建九華山公路隧道，隧道底標(biāo)高約0 m，抗拔樁長(zhǎng)約20 m，樁底標(biāo)高約-20 m。

2 工程地質(zhì)水文條件

新莊站—雞鳴寺站區(qū)間隧道過(guò)中間風(fēng)井后盾構(gòu)主要處于玄武湖底硬巖段地層掘進(jìn)，該區(qū)域隧道掌子面主要為T2h-2j強(qiáng)風(fēng)化角巖化泥巖、T2h-3j中風(fēng)化角巖化泥巖、δu-3中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖地層，該巖層呈紅色砂土狀，自穩(wěn)性差且遇水易軟化；隧道頂部1.5 m范圍為③-4e1混合土層，該土層以粉質(zhì)黏土夾卵礫石為主，含微承壓水，透水性強(qiáng)、穩(wěn)定性差；隧道頂部1.5～2.5 m范圍為③-4b1-2粉質(zhì)黏土層，該層為軟弱土層，自穩(wěn)性差、透水性強(qiáng)（見(jiàn)圖2）。

圖1 新莊站—雞鳴寺站區(qū)間線路平面

圖2 新莊站—雞鳴寺站區(qū)間地質(zhì)剖面

巖、土層分布變化大，強(qiáng)度軟硬不均，閃長(zhǎng)巖和角巖化泥巖分布無(wú)規(guī)律，巖石強(qiáng)度差異性大，部分強(qiáng)度甚至達(dá)到100 MPa以上。巖層中飽含基巖裂隙水，軟弱土層中含微承壓水，地下水豐富。

3 盾構(gòu)選型與刀盤(pán)配置

圖3 盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)

4 換刀施工籌劃

4.1 合理選擇開(kāi)倉(cāng)位置

盾構(gòu)機(jī)自中間風(fēng)井始發(fā)后進(jìn)入長(zhǎng)距離硬巖段地層掘進(jìn)，并于961～988環(huán)穿越九華山隧道，為避免換刀施工對(duì)九華山隧道運(yùn)營(yíng)造成干擾，決定待穿越九華山隧道后進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)換刀作業(yè)。根據(jù)施工記錄反映，硬巖段盾構(gòu)掘進(jìn)速度達(dá)到15 mm/min，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至1 030環(huán)時(shí)，掘進(jìn)速度降至3 mm/min，經(jīng)判斷刀具磨損嚴(yán)重（見(jiàn)圖4），不宜繼續(xù)掘進(jìn)，遂準(zhǔn)備停機(jī)換刀。

圖4 刀具磨損

4.2 換刀風(fēng)險(xiǎn)分析

玄武湖水系龐大，湖底所處地層為粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾卵礫石、強(qiáng)風(fēng)化角巖化泥巖等，自穩(wěn)性差、透水性強(qiáng)。若湖底開(kāi)倉(cāng)換刀期間，出現(xiàn)掌子面土體坍塌或氣壓泄漏等狀況，導(dǎo)致湖水回灌現(xiàn)象，則將帶來(lái)無(wú)法挽回的后果，社會(huì)影響十分嚴(yán)重。

4.3 保壓方案選擇

（1）采用常規(guī)氣壓換刀[1]，基本上無(wú)法保住氣壓。

（2）若采用膨潤(rùn)土泥膜護(hù)壁保壓換刀[2]，由于該地層中地下水豐富，泥膜及掌子面土體易被水流沖刷、剝落，導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)，因此也不適用。

（3）若采用填倉(cāng)法換刀[3]，則耗時(shí)太久，因此也不適用。

綜上所述，為確保換刀作業(yè)安全可靠、風(fēng)險(xiǎn)可控，經(jīng)研究決定采用水泥砂漿護(hù)壁技術(shù)進(jìn)行保壓換刀施工。

5 水泥砂漿護(hù)壁保壓換刀

5.1 施工工藝流程

水泥砂漿護(hù)壁保壓換刀施工工藝流程如圖5所示。

圖5 施工工藝流程

5.2 施工準(zhǔn)備

5.2.1 換刀氣壓設(shè)定

根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)情況擬定在1 037環(huán)停機(jī)，由朗肯土壓力理論可得該環(huán)靜止土壓力為0.238 MPa，而盾構(gòu)近期實(shí)際掘進(jìn)平衡土壓力為0.25 MPa，且未出現(xiàn)欠挖、超挖等現(xiàn)象，因此換刀氣壓暫定為0.25 MPa，并根據(jù)最終保壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。

5.2.2 技術(shù)準(zhǔn)備

盾構(gòu)掘進(jìn)至1 031～1 036環(huán)時(shí)，保持土倉(cāng)內(nèi)平衡土壓力為0.25 MPa；待掘進(jìn)至1 037環(huán)停機(jī)時(shí)，將土倉(cāng)壓力穩(wěn)定在0.3 MPa，并將刀盤(pán)伸縮行程調(diào)整為12 cm。

5.2.3 材料設(shè)備準(zhǔn)備

地面上配備2臺(tái)75 kW電動(dòng)空壓機(jī)和1臺(tái)柴油空壓機(jī)（備用）以供氣。氣體經(jīng)空氣過(guò)濾系統(tǒng)處理后，通過(guò)氣體輸送管路接入SAMSON盾構(gòu)保壓系統(tǒng)。此外由盾構(gòu)車架上的空壓機(jī)另接一條備用輸氣管路接入SAMSON系統(tǒng)，以防地面設(shè)備故障或管路損壞等原因造成倉(cāng)內(nèi)氣壓不足，確保換刀施工安全（見(jiàn)圖6）。另需配備注漿材料（水泥、膨潤(rùn)土等）、聚氨酯，以及換刀機(jī)具等材料設(shè)備。

圖6 盾構(gòu)保壓系統(tǒng)總裝圖

5.3 注漿止水、閉氣

為封堵盾尾后方地下水以防其前竄至土倉(cāng)內(nèi)，并減少氣體泄漏通道，在盾尾、中盾等區(qū)域壓注漿液或聚氨酯。具體步驟如下：

（1）向盾尾后4～6環(huán)管片外部逐環(huán)壓注雙液漿以形成“環(huán)箍”，切斷盾尾后方地下水流竄通道。漿液配合比：水灰比為1.5，水泥漿與水玻璃體積比為3∶1。漿液初凝時(shí)間為25～45 s，水玻璃濃度為35Be'。

（2）向盾尾后1～3環(huán)管片外部壓注聚氨酯以形成“止水環(huán)”，有效隔水。

（3）通過(guò)盾構(gòu)殼體預(yù)留徑向注漿孔向中盾外部壓注膨潤(rùn)土漿液，注漿終壓控制在0.3 MPa，使膨潤(rùn)土充滿盾殼與土體間空隙，防止氣體向盾尾后流竄，同時(shí)可避免盾體被置換土體的水泥漿固結(jié)。

5.4 螺旋機(jī)閘門密封性改良

盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)，螺旋機(jī)閘門極可能受到局部磨損破壞，氣體易從該處泄漏。因此可在閘門口處加裝一套DN300球閥，以增強(qiáng)其密封性。

5.5 土體置換

采用水泥砂漿置換土倉(cāng)內(nèi)土體[4]，在刀盤(pán)前端形成致密的水泥砂漿“護(hù)壁墻體”，能有效阻隔地下水并防止氣體泄漏。具體步驟如下：

（1）在土倉(cāng)壓力墻上3、9點(diǎn)位置（鐘表位）連接注漿管路。

（2）分階段向土倉(cāng)內(nèi)注漿，置換土倉(cāng)內(nèi)渣土。

a.第一階段。刀盤(pán)縮回8 cm，保持土倉(cāng)壓力在0.3～0.35 MPa進(jìn)行置換注漿，間隔轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)（轉(zhuǎn)速為0.5 r/min）。堅(jiān)持“等量替換、土壓不變”的原則，利用螺旋機(jī)出渣，一旦螺旋機(jī)攪出漿液立即停止第一階段注漿，注漿量控制為20 m3（見(jiàn)表1）。

表1 水泥漿液配合比

b.第二階段。保持土倉(cāng)壓力在0.36～0.42 MPa進(jìn)行置換注漿，間隔轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)（轉(zhuǎn)速為0.5 r/min）。適量出渣，注漿量控制為12 m3（見(jiàn)表1）。

5.6 土倉(cāng)氣密性試驗(yàn)

（1）土體置換完畢后觀察1 h，若無(wú)異常情況，在不轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)的情況下利用螺旋機(jī)出渣，將土倉(cāng)上部壓力降低至0.25～0.27 MPa。

（2）關(guān)閉泡沫系統(tǒng)的液體球閥，利用泡沫系統(tǒng)的供氣管路向土倉(cāng)內(nèi)加氣，使土倉(cāng)上部壓力保持在0.25～0.27 MPa。在不轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)的情況下繼續(xù)出渣，將倉(cāng)內(nèi)渣位降至土倉(cāng)門底部球閥以下，使得SAMSON保壓系統(tǒng)能夠正常向土倉(cāng)內(nèi)補(bǔ)氣，出渣量控制在10～12 m3。

（3）設(shè)置SAMSON保壓系統(tǒng)補(bǔ)氣壓力為0.25MPa，觀察3 h，記錄過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行情況、地層密閉性、土壓力變化情況以及保壓系統(tǒng)工作情況。

（4）若無(wú)異常情況出現(xiàn)，則繼續(xù)出渣，將土倉(cāng)內(nèi)渣位降至2、10點(diǎn)位置（鐘表位）附近，出渣量控制為10 m3，繼續(xù)觀察1 h。

（5）若無(wú)異常情況出現(xiàn)，則安排操作人員壓氣進(jìn)倉(cāng)，并根據(jù)倉(cāng)內(nèi)實(shí)際情況將倉(cāng)內(nèi)渣位降至3～9點(diǎn)位置，出渣量控制為13～14 m3。

（6）若以上步驟均無(wú)異常情況出現(xiàn)，則進(jìn)入保壓換刀作業(yè)工序。

5.7 保壓換刀作業(yè)

本文中主要介紹保壓換刀安全注意事項(xiàng)，具體工序從略。

（1）嚴(yán)格執(zhí)行“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 h倉(cāng)門值班”原則。倉(cāng)外值班人員必須實(shí)時(shí)監(jiān)控倉(cāng)內(nèi)作業(yè)人員身體狀況、掌子面情況等，若發(fā)現(xiàn)異常情況則立即關(guān)閉倉(cāng)門減壓出倉(cāng)。

（2）倉(cāng)內(nèi)水位上漲時(shí)，以保證倉(cāng)內(nèi)氣壓平衡為原則，打開(kāi)土倉(cāng)面板上相應(yīng)位置的球閥進(jìn)行排水，待有氣體泄漏時(shí)即刻關(guān)閉球閥。

（3）每組人員帶壓工作時(shí)間不宜超過(guò)2 h，減壓時(shí)間宜根據(jù)帶壓作業(yè)時(shí)長(zhǎng)來(lái)控制。

6 施工效果

通過(guò)水泥砂漿護(hù)壁保壓換刀技術(shù)在南京地鐵三號(hào)線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間隧道穿越玄武湖案例中的成功應(yīng)用，共計(jì)換刀3次、換刀49把、換刀時(shí)長(zhǎng)36 d，單次護(hù)壁時(shí)間為11～15 h（見(jiàn)表2），解決了在掌子面自穩(wěn)性差、含水量豐富的復(fù)雜地層中難以安全換刀的課題，希望能為行業(yè)同仁在同類地層中實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)保壓換刀作業(yè)帶來(lái)幫助。

表2 水泥砂漿護(hù)壁保壓換刀工況統(tǒng)計(jì)

7 結(jié)語(yǔ)

本文以南京地鐵三號(hào)線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間隧道為背景，通過(guò)對(duì)上軟下硬富水復(fù)合地層保壓換刀技術(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)了如下體會(huì)：

（1）水泥砂漿護(hù)壁保壓技術(shù)可在刀盤(pán)前端形成具有一定強(qiáng)度的水泥砂漿“護(hù)壁墻體”，基本杜絕了常規(guī)泥膜護(hù)壁下的掌子面土體失穩(wěn)、氣壓泄露等不良現(xiàn)象，加固效果顯著，是可推薦選擇的保壓施工技術(shù)。

（2）水泥砂漿護(hù)壁保壓技術(shù)其總體可靠性要遠(yuǎn)優(yōu)于膨潤(rùn)土泥膜護(hù)壁保壓技術(shù)，但弱于填倉(cāng)法保壓技術(shù)。在上軟下硬富水復(fù)合地層中，一般選擇該技術(shù)實(shí)施換刀作業(yè)是可行的。

（3）今后可加強(qiáng)對(duì)水泥砂漿護(hù)壁墻體強(qiáng)度、抗?jié)B性等指標(biāo)的采集與梳理，可為信息化指導(dǎo)施工提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。