彭旭紅

摘要：文章依托南昌地鐵1號線5標(biāo)段盾構(gòu)工程，針對該地區(qū)上軟下硬地層滲透性大、水量大和穩(wěn)定性差的特點，對帶壓開艙過程中掌子面的止水和穩(wěn)定性等關(guān)鍵問題的解決措施進(jìn)行了總結(jié)，這對今后南昌地區(qū)的地鐵施工有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：上軟下硬地層；土壓平衡盾構(gòu)；帶壓開艙

中圖分類號：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）03-0116-02

1 概述

在盾構(gòu)過程中，由于受到盾構(gòu)掘進(jìn)距離的增加和地質(zhì)異常情況的影響，刀盤上的刀具可能會出現(xiàn)磨損或刀盤出現(xiàn)結(jié)泥餅等異常情況，這就不可避免需要開艙更換刀具或清除泥餅。在掌子面穩(wěn)定，地下水較小的情況下一般可以采用常壓開艙。而在掌子面穩(wěn)定性較差，地下水量較大的情況下則需要采用帶壓開艙。帶壓開艙作業(yè)存在很大的風(fēng)險，容易造成掌子面失穩(wěn)和地表坍塌，特別是在城市鬧市區(qū)帶壓開艙作業(yè)，一旦失敗將帶來災(zāi)難性的后果。目前國內(nèi)外對帶壓開艙技術(shù)進(jìn)行一定的研究。郭家慶總結(jié)了確保砂卵石地層自穩(wěn)性和提高砂卵石地層氣密性的帶壓進(jìn)艙作業(yè)的技術(shù)要點和作業(yè)方法。繆忠尚針對NFM上平衡盾構(gòu)機的沒備情況，總結(jié)開艙前的準(zhǔn)備作和帶壓開艙換刀作業(yè)的整個實施流程及相關(guān)技術(shù)要點。王海濤總結(jié)了無水砂卵石地層中帶壓開艙檢修刀具的施工技術(shù)。施筍總結(jié)了選擇加壓開艙技術(shù)的理由，提出加壓開艙的氣壓、泥膜和人員等為控制重點要素，并論述了加壓開艙的原理和工作流程。本文依托南昌地鐵1號線5標(biāo)段盾構(gòu)施工，對上軟下硬地層帶壓開艙施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析。

2 工程概況

南昌地鐵1號線5標(biāo)段中山西路站～子固路站盾構(gòu)區(qū)間上行線起止里程為SK13+016.072～SK13+681.556，上行線隧道長665.484m，區(qū)間下行線起止里程為XK13+016.072～XK13+681.553，下行線隧道長667.44m（含長鏈1.959m），全長1332.924m。區(qū)間共設(shè)置一處聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房，中心里程為SK13+289.663和XK13+287.982。

根據(jù)勘察資料，盾構(gòu)機停機處的地層類型從上至下依次是雜填土、粉質(zhì)粘土、圓粒、粒砂、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。停機處盾構(gòu)掌子面的地層為上軟下硬地層，上部為粒砂，下部為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。該處孔隙水主要為潛水，局部為承壓，主要賦存于沖積砂礫石層中，水位埋深6.5～8.14m；碎屑巖類裂隙、溶隙水主要賦存于破碎的粉砂質(zhì)泥巖層中，滲透系數(shù)較小。從上可知：南昌地區(qū)上軟下硬地層的上部粒砂地層具有滲透性大、水量大和穩(wěn)定性的特點。

3 準(zhǔn)備工作

帶壓進(jìn)艙就是利用某種漿液封閉掌子面土體的孔隙和周邊的空隙，將盾構(gòu)土艙形成一個密封的大容器，土艙內(nèi)裝滿土體，保證大容器側(cè)壁的穩(wěn)定，但為了人能進(jìn)人土艙工作，需排除一部分土體以提供操作的空間，這樣勢必造成側(cè)壁的土壓和水壓不平衡，通過補充氣壓來維持側(cè)壁的穩(wěn)定。

3.1 土艙壓力設(shè)定計算

本次開艙換刀地層為透水性地層，可采用水土分算，帶壓換刀氣壓可按下式計算：

P下限=k·max（γ·h，e1）

式中：

P下限—土艙氣壓設(shè)定值（kPa）

k—安全系數(shù)，一般K>1

γ水·h水—空艙底部水壓（刀盤中心位置）

e側(cè)—空艙底部土層側(cè)壓力

在盾構(gòu)機停機處地下水位基本在隧道頂部6.0m。根據(jù)計算空艙底部水壓在0.9bar。在保證安全前提下，氣壓值越小越好。從以往施工經(jīng)驗來看，由于開挖面地層脫水和較小的刀盤開口率，加之土層加固使其前方土體自穩(wěn)性提高，側(cè)土壓力可以不考慮，土艙中氣壓是均一的，膨潤土漿液的泥塞作用保證了較好的氣密性，氣壓在止水的同時也擋土，這也提高了開挖面土體前面的安全性。為保證進(jìn)艙作業(yè)人員的人身安全，空氣壓力設(shè)定在1.7bar。

3.2 U型止水帷幕

為確保帶壓開艙的安全，采用地面靜壓注漿加固，注漿采用雙液漿，對盾構(gòu)主機區(qū)域形成一個U型止水帷幕墻，防止在開挖過程中土體中水滲入開挖面造成坍塌。靜壓注漿加固U型止水帷幕墻大小為：橫向8m，縱向3.6m，共布置兩排，梅花形布置，布孔間距0.8m，根據(jù)我標(biāo)段在八八區(qū)間靜壓注漿施工靜壓經(jīng)驗，靜壓注漿擴散半徑一般為0.5～0.8m，所以土體固結(jié)體加固寬度能達(dá)到1.8～2.4m。（圖3）

3.3 渣土置換

采用漿液對土艙內(nèi)渣土進(jìn)行置換，在土艙前壁3、9點位向土艙內(nèi)部注漿。共分兩個階段對土艙內(nèi)渣土進(jìn)行置換。

第一階段注漿：置換注漿時，邊注漿邊轉(zhuǎn)動螺旋出土，控制出土量，注漿過程堅持“等量替換、土壓不變”的原則。注漿過程中間隔轉(zhuǎn)動刀盤，用螺旋出土，一旦有漿液從螺旋出來則停止第一階段注漿。注漿量為18方，注漿壓力控制在3.5bar。

第二階段注漿：注漿過程中每30分鐘以0.5r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動刀盤10分鐘；根據(jù)注漿情況螺旋適量出土，注漿量為12方，土艙壓力控制在3.5bar～4.0bar左右。

置換完畢土體，觀察一個小時，開始利用螺旋出土，將土艙上部壓力（1號傳感器）降低到1.3～1.4bar（在不轉(zhuǎn)動刀盤的情況下）；關(guān)掉泡沫系統(tǒng)的液體球閥，只利用泡沫系統(tǒng)的供氣管路往土艙內(nèi)加氣，將土艙上部壓力（1號傳感器）保證在1.3～1.4bar（在不轉(zhuǎn)動刀盤的情況下）；繼續(xù)出土，將土艙內(nèi)的渣土出到土艙門下部球閥開始向外排氣的狀態(tài)，并且滿足保壓系統(tǒng)能夠正常往土艙內(nèi)部補氣的位置，在此過程中，土艙壓力控制在1.3～1.4bar之間，出土量約為10方；保壓系統(tǒng)控制土艙壓力在1.4bar，并且保持1.4bar壓力下5小時，觀察在此過程中的地層盾構(gòu)的密閉性、地層水量的大小和保壓系統(tǒng)的工作情況；在上個步驟的情況都良好的情況下，再將土艙內(nèi)渣土出到2～10位置附近（出土量約為3方），并在觀察1小時是否有異常情況發(fā)生。

3.4 建立泥膜

通過膨潤土漿液稠度試驗確定膨潤土漿液的配比。帶壓換刀對膨潤土稠度的要求是40～120s，實際制拌的膨潤土稠度為90s，通過泥漿稠度儀進(jìn)行測試。

加膨潤土過程中應(yīng)該緩慢轉(zhuǎn)動刀盤并慢速掘進(jìn)20cm，并開始通過刀盤前注入膨潤土漿液進(jìn)行渣土改良，掘進(jìn)速度控制在5～10mm/min，土艙壓力控制在2～2.5bar，使膨潤土充分進(jìn)入刀盤周圍地層，形成氣壓保護(hù)膜。停機過程中，通過往掌子面注入膨潤土溶液，使土艙壓力維持在2～2.5bar。

停機后，向中盾徑向孔注膨潤土，注漿壓力保持在2～2.5bar，確保中盾、盾尾與土體的間隙之間填艙滿膨潤土，以保證土艙壓力穩(wěn)定、防止地層漏氣以及盾體不被水泥漿固結(jié)而導(dǎo)致盾構(gòu)脫困困難。

3.5 氣密性試驗

試驗時不要求人員進(jìn)入，只進(jìn)行無人壓力試驗，以檢查主艙與輔助艙的各功能部件在試驗壓力下的工作情況。氣密性試驗按如下步驟進(jìn)行：關(guān)閉主艙艙門和艙壁密封門，并關(guān)閉主艙與輔助艙之間的密封門，人閘值班員緩慢地打開進(jìn)氣閥，提高主艙的壓力，均速加壓，根據(jù)帶壓工作減壓表設(shè)定速率，因為壓差太大會導(dǎo)致作業(yè)人員中耳鼓膜破裂。觀察主艙壓力表和進(jìn)氣儀表的數(shù)值；打開排氣閥，開始排氣，為了作業(yè)安全，壓力不可以再次大幅度升高，再調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥和排氣閥，直到達(dá)到排氣過程所規(guī)定的緩慢而恒定的壓力降低速度，進(jìn)氣流量計的流量值每人至少為0.5m?/min，以保證正常呼吸；觀察主艙壓力表，當(dāng)主艙內(nèi)部的氣壓降到第一級壓力值時，人閘值班員通過調(diào)節(jié)排氣閥和進(jìn)氣閥，在規(guī)定的時間內(nèi)保持壓力恒定。如此慢慢重復(fù)減壓，直到艙內(nèi)壓力與外界的常壓相同；人閘值班員將加壓和減壓試驗過程中數(shù)據(jù)記錄在人閘記錄本上；

同樣地方法進(jìn)行輔助艙的壓力試驗，在整個試驗過程中必須保證所有的過程都正常。

4 帶壓作業(yè)施工

4.1 帶壓進(jìn)艙

工作人員進(jìn)入輔助艙，關(guān)閉輔助艙艙門，輔助艙與人閘處通訊通過電話聯(lián)系，艙內(nèi)人員使用電話保持與人閘值班員保持聯(lián)系，氣壓作業(yè)操作人員開始對人艙加壓，先將輔助艙氣壓從0緩慢加到0.3bar后，以適應(yīng)艙內(nèi)工作人員咽鼓管的調(diào)壓，暫定穩(wěn)壓5分鐘，如無異常情況后，再在10分鐘內(nèi)（增壓流量控制為0.1bar/min）將氣壓加到設(shè)定的氣壓作業(yè)壓力值1.7bar。然后艙內(nèi)控制人員通過開啟輔助艙與主艙之間的壓力平衡閥來消除兩艙之間的氣壓差，然后打開輔助艙與主艙之間密封門，人員進(jìn)入主艙；開啟工作艙與主艙之間的壓力平衡閥，消除兩艙之間的氣壓差，用氣體檢測儀檢查土艙內(nèi)氣體，確保無有害氣體后才能進(jìn)艙作業(yè)。進(jìn)艙作業(yè)注意不要破壞泥膜，如果破壞，應(yīng)及時調(diào)泥漿修復(fù)；要經(jīng)常觀察泥膜有無龜裂現(xiàn)象，如嚴(yán)重，要退出再次進(jìn)行泥漿置換，形成泥膜。每組有效帶壓作業(yè)時間為3h左右。

4.2 減壓出艙

施工完成后，作業(yè)人員對土艙及刀盤前方進(jìn)行全面的檢查，避免工具、雜物遺留在土艙內(nèi)。確認(rèn)后關(guān)閉所有預(yù)留送風(fēng)口、排氣口、平衡閥及艙門，關(guān)閉情況由當(dāng)班機械技術(shù)人員檢查，符合要求后再進(jìn)行輔助艙降壓，撤離出壓力艙。

采用階段減壓法進(jìn)行人員出艙減壓，整個過程分為減壓、穩(wěn)壓、減壓、穩(wěn)壓、減壓、穩(wěn)壓、減壓過程。減壓過程流量控制在0.05bar/min。具體減壓過程：1.7～1.3bar減壓過程用時5min，穩(wěn)壓25min；1.3～0.9bar減壓過程用時5min，穩(wěn)壓25min；0.9～0.5bar減壓過程用時5min，穩(wěn)壓25min；0.5～0.1bar減壓過程用時5min，穩(wěn)壓25min，然后人員出艙。

5 結(jié)語

基于南昌地區(qū)上軟下硬地層滲透性大、水量大和穩(wěn)定性差的特點，得出南昌地區(qū)帶壓開艙成功的2個關(guān)鍵點，一是控制掌子面的滲水；二是保證掌子面的穩(wěn)定性。針對上軟下硬地層滲透性大，地下水豐富的特點，采用U止水帷幕和降水井降水相結(jié)合的方式，對掌子面的滲水進(jìn)行控制。在帶壓開艙過程中取得了較好的效果。為了保證開艙過程掌子面的穩(wěn)定性，土艙內(nèi)的氣壓控制在1.7bar左右，并建立有效的泥膜防止土艙內(nèi)氣體發(fā)生泄漏。此次成功的帶壓開艙經(jīng)驗將為今后南昌地區(qū)地鐵施工有很重要的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

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