謝鐵軍，呂 濤，楊果林，劉 歡，龍 彪

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

土壓平衡盾構(gòu)(EPB)作為一種快速的隧道施工機(jī)械，具有不受出渣限制，掘進(jìn)速度快，維護(hù)方便，使用成本較低等優(yōu)勢(shì)[1]，被廣泛應(yīng)用于城市隧道及地下工程的建設(shè)。土壓平衡盾構(gòu)通過土艙內(nèi)土壓平衡掌子面水土壓力，在進(jìn)行帶壓換刀作業(yè)時(shí)需要前方土體形成穩(wěn)定的泥膜保證工作面的氣壓平衡。以往的經(jīng)驗(yàn)中，往往采用注入膨潤(rùn)土或水泥砂漿來置換盾構(gòu)土艙內(nèi)的土體[2]，以在刀盤前端位置處形成密實(shí)的泥漿護(hù)壁，保證施工人員安全。但是，在富水砂卵石地層中，由于其滲水和透氣性較大，使用常規(guī)的膨潤(rùn)土泥漿往往難以保證泥膜氣密性[3]，而使用水泥砂漿雖然能夠滿足前方土體穩(wěn)定和氣密性要求，但是其造價(jià)較高，且不利于換刀后盾構(gòu)掘進(jìn)[4]。

盾構(gòu)在富水砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，由于富水砂卵石地層的特殊性，掘進(jìn)緩慢，易出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，在管片與開挖面之間產(chǎn)生較大空隙，如若處理不當(dāng)就會(huì)產(chǎn)生較大的地表沉降，從而對(duì)地面建(構(gòu))筑物產(chǎn)生影響。工程上通常采用地面預(yù)注漿加固技術(shù)和同步注漿的方法進(jìn)行處置[5-10]。但是，在富水砂卵石地層中，由于其孔隙率較大、透水性強(qiáng)，同步注漿時(shí)易產(chǎn)生漿液滲流、串流等現(xiàn)象，注漿效果難以保證，從而導(dǎo)致管片脫出盾尾前同步注漿不密實(shí)，造成地面沉降；此外，在盾構(gòu)隧道下穿城市密集建筑群時(shí)，地面超前注漿加固由于場(chǎng)地占用、環(huán)保施工等原因往往難以實(shí)施。

衡盾泥是一種高黏度的觸變泥漿，具有良好的和易性和粘附性，在水中不易被稀釋帶走。主要用于帶壓開倉作業(yè)的泥膜護(hù)壁，掘進(jìn)中地層水量較大時(shí)可控制噴涌，在復(fù)雜地層中掘進(jìn)時(shí)，空間注入填充可調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，控制地面沉降[11]。鐘長(zhǎng)平等[12]和竺維彬等[13]提出了衡盾泥帶壓開倉泥膜護(hù)壁工法及工藝，并將其用于實(shí)踐，取得了良好的效果。馬卉等[14]研究了衡盾泥在帶壓開艙時(shí)的閉氣保壓效果研究，首次提出了泥膜滲氣系數(shù)的概念。張德文等[15]探討了衡盾泥在富水巖溶地層帶壓開倉換刀中的應(yīng)用，給出了在節(jié)理裂隙強(qiáng)烈發(fā)育、巖溶水補(bǔ)給異常豐富的地層中實(shí)現(xiàn)安全帶壓開倉、高效檢查及更換盾構(gòu)刀具的衡盾泥輔助盾構(gòu)解決方案。郭廣才[16]研究了衡盾泥成膜及閉氣機(jī)理，量化壓力分級(jí)及穩(wěn)壓時(shí)間等指標(biāo)，確保衡盾泥輔助帶壓開倉閉氣效果，實(shí)現(xiàn)了衡盾泥泥膜護(hù)壁工藝在海底塌陷地層帶壓開倉中的應(yīng)用。綜上所述，雖然衡盾泥已經(jīng)逐步應(yīng)用于國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工[17-18]，但是在富水砂卵石地層中的輔助土壓平衡盾構(gòu)帶壓換刀和掘進(jìn)施工應(yīng)用方面鮮見報(bào)道。

本文結(jié)合衡盾泥的基本特性，將其運(yùn)用于長(zhǎng)沙某電力隧道盾構(gòu)區(qū)間富水砂卵石地層輔助帶壓進(jìn)艙換刀及盾構(gòu)下穿建筑群掘進(jìn)施工。通過形成泥膜后土體氣密性檢測(cè)和盾構(gòu)下穿時(shí)地表沉降監(jiān)測(cè)的結(jié)果，充分驗(yàn)證了衡盾泥輔助施工在兩種工況下的可行性，可供類似工程借鑒與參考。

1 工程概況

長(zhǎng)沙某電力隧道盾構(gòu)工程全長(zhǎng)6 601.959 m，起訖里程為ZDK0+000—ZDK5+957.012，設(shè)置3個(gè)盾構(gòu)工作井、7個(gè)電纜出線井。盾構(gòu)機(jī)刀盤開挖直徑為4 350 mm，盾尾外徑為4 290 mm，管片外徑為4 100 mm，內(nèi)徑為3 600 mm。盾構(gòu)隧道分為南北兩條單線隧道，其中在北線DK1+705—DK2+190施工段需要穿越富水砂卵石地層，區(qū)間隧道平面曲線半徑最小半徑為150 m。在富水砂卵石區(qū)間段盾構(gòu)掘進(jìn)施工中主要存在以下問題：

(1) 區(qū)間下穿卵石地層距離長(zhǎng)，土體強(qiáng)度高，掘進(jìn)過程中對(duì)刀具磨損較大，需要頻繁更換刀具。同時(shí)，由于本工程沿線透水性地層與瀏陽河二級(jí)階地存在水力聯(lián)系，河堤兩側(cè)地下水會(huì)受高水頭影響而存在承壓性，不具備常壓開艙換刀的條件，只能進(jìn)行帶壓換刀。

(2) 區(qū)間側(cè)穿洪西小區(qū)民房，房屋比較密集，且各土層分布不均，民房基礎(chǔ)均為淺基礎(chǔ)，磚混結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)距離線路隧道邊最小距離為14 m，盾構(gòu)施工易對(duì)洪西小區(qū)民房造成影響，盾構(gòu)掘進(jìn)或停機(jī)易造成民房不均勻沉降或傾斜失穩(wěn)。

(3) 由于富水砂卵石土層級(jí)配較差，且存在部分大直徑卵石，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中易產(chǎn)生超挖現(xiàn)象，地層損失較難控制；此外，富水砂卵石地層中同步注漿存在滲流、串流等問題，注漿效果難以保證。

2 衡盾泥輔助帶壓換刀施工

本文以盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)富水砂卵石地層某次衡盾泥輔助帶壓開艙換刀過程為例，重點(diǎn)介紹衡盾泥輔助帶壓換刀施工要點(diǎn)、衡盾泥作用機(jī)理和實(shí)際工程效果。

該帶壓開倉換刀作業(yè)點(diǎn)在里程DK1+810處，處于萬家麗北路西側(cè)輔道及綠化帶位置，東側(cè)毗鄰萬家麗高架橋，西側(cè)為洪西小區(qū)民房，小區(qū)距離電力隧道凈距為12.82 m～12.89 m(見圖1)。

圖1 隧道與洪西小區(qū)民房位置關(guān)系圖

2.1 施工要點(diǎn)

(1) 盾尾后部止水。帶壓進(jìn)倉前采用管片背后二次注漿和盾體徑向注漿組合的方式對(duì)盾尾后部進(jìn)行封堵止水。倒數(shù)第5環(huán)、10環(huán)、15環(huán)、20環(huán)、25環(huán)進(jìn)行系統(tǒng)雙液注漿。注漿壓力為0.2 MPa～0.4 MPa，每環(huán)的壓漿量一般為1 m3～2 m3，實(shí)際注漿量根據(jù)注漿壓力進(jìn)行了微調(diào)。區(qū)間二次注漿采用水泥漿、水玻璃雙液漿進(jìn)行,水泥漿采用P.C42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用35Be′(波美度)的濃度,水泥漿漿液水灰比為1∶1；水泥漿與水玻璃的配比(體積比)為1∶1。

(2) 拌制衡盾泥。衡盾泥A液采用洞外拌和方式，通過地面高速剪切泵將衡盾泥A組分和水進(jìn)行循環(huán)攪拌(見圖2)，攪拌時(shí)間大于10 min。衡盾泥A液通過電瓶車砂漿車運(yùn)輸至洞內(nèi)，衡盾泥A液和B液的混合采取洞內(nèi)拌合方式(見圖3)。

圖2 A液洞外攪拌裝置

圖3 A、B液洞內(nèi)混合

根據(jù)衡盾泥基本物理力學(xué)測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定各組分配比，試驗(yàn)結(jié)果表明在A料∶水=1.0∶1.5(漿體)，B料∶水=1.0∶1.0，A混合液∶B混合液=15∶1情況下衡盾泥具有較好的工作性能，滿足現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)注漿及富水砂卵石地層的適應(yīng)性要求。

(3) 衡盾泥-渣土置換

① 置換渣土前，通過打開吊裝孔，對(duì)脫出盾尾3～7環(huán)管片壁后注入雙液漿施做止水環(huán)進(jìn)行止水。通過前盾、中盾位置徑向孔向盾體外側(cè)注入衡盾泥，對(duì)盾體進(jìn)行包裹，并將注漿壓力保持在2.0 bar～3.0 bar。

② 開始置換渣土?xí)r，用螺旋輸送機(jī)從土艙的底部排渣，同時(shí)啟動(dòng)手動(dòng)加氣注入系統(tǒng)，保證土艙內(nèi)壓力穩(wěn)定。土艙內(nèi)的渣土排出1/3～2/3后，立即停止螺旋輸送機(jī)排渣，通過膨潤(rùn)土系統(tǒng)向土艙注入衡盾泥，并逐步關(guān)閉手動(dòng)加氣，等到衡盾泥充滿土艙體積2/3后開始保壓，注入過程中亦應(yīng)保證倉內(nèi)壓力基本穩(wěn)定。

③ 置換完成后，加壓過程中縮回鉸接和千斤頂使盾構(gòu)機(jī)回退刀盤5 cm左右，在確保壓力穩(wěn)定的情況下，邊后退邊注入衡盾泥，以便于更換刀具及在刀盤與掌子面之間建立5 cm左右的泥膜。土艙壓力控制在2.5 bar～3.0 bar，使衡盾泥充分注入刀盤周圍地層，形成氣壓保護(hù)膜。

(4) 分級(jí)加壓。為了使衡盾泥能更加有效的填充滲透，在漿氣置換前還需要進(jìn)行衡盾泥梯級(jí)加壓。具體方法為：衡盾泥壓入從2.0 bar壓至2.8 bar，共分四個(gè)梯次壓入，每個(gè)梯次的壓力為0.2 bar，每個(gè)梯級(jí)共兩個(gè)小時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓，過程中可以低速轉(zhuǎn)動(dòng)(0.1 r/min～0.5 r/min，轉(zhuǎn)半圈)，以保證注入和滲透的均勻性。當(dāng)注入壓力達(dá)到2.8 bar梯級(jí)的時(shí)候，進(jìn)行12 h的動(dòng)態(tài)保壓(2.8 bar)注入。

(5) 漿氣置換。衡盾泥梯級(jí)加壓并形成泥膜后，需要對(duì)土艙進(jìn)行漿氣置換，用空氣置換出土艙衡盾泥，開啟螺旋機(jī)將衡盾泥排出，降低土艙倉位高度，提供換刀作業(yè)面，并利用氣壓保證泥膜及掌子面穩(wěn)定。

加氣排土階段，以0.2 bar為一個(gè)壓力階梯壓力，每個(gè)下降階梯須穩(wěn)壓2 h，波動(dòng)控制在±0.1 bar左右，到達(dá)開倉壓力后，需穩(wěn)壓6 h。啟動(dòng)加氣系統(tǒng)后，立即通過倉室的排漿口(球形閥)或螺旋輸送機(jī)的排渣口排除衡盾泥(排土?xí)r控制不能轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，防止螺旋機(jī)出土?xí)r，產(chǎn)生負(fù)壓，破壞衡盾泥泥膜的整體性)，并保持倉室內(nèi)壓力恒定。

2.2 衡盾泥作用機(jī)理

在進(jìn)行帶壓換刀作業(yè)時(shí)，需要前方土體形成穩(wěn)定的泥膜保證工作面的氣壓平衡。在向富水砂卵石中注入一定壓力衡盾泥后，一方面由于衡盾泥是一種高觸變泥漿，具有較好的和易性，注入的衡盾泥會(huì)將砂卵石土中受有效應(yīng)力較小的細(xì)顆粒沿著滲流管路遷移，并在掌子面后聚集形成有較多細(xì)顆粒的低孔隙率砂卵石土層截面；另一方面，由于衡盾泥具有較強(qiáng)的粘附性，注入的衡盾泥不僅填充土顆粒間的孔隙，同時(shí)會(huì)在土顆粒表面形成一層穩(wěn)定的衡盾泥膜，當(dāng)其受到外界氣壓或者水壓力作用時(shí)，可通過衡盾泥與土體顆粒間的粘附力有效抵消外界壓力，在掌子面上形成了一個(gè)穩(wěn)定的氣壓保護(hù)膜。

2.3 工程效果評(píng)價(jià)

泥膜的形成效果通過測(cè)試土體的氣密性進(jìn)行檢測(cè)判定。在衡盾泥渣土置換完成形成泥膜之后，根據(jù)艙內(nèi)氣體壓力損失量進(jìn)行衡量。本實(shí)例中，在土艙壓力為2.5 bar～3.0 bar時(shí)，2 h艙內(nèi)氣體壓力損失小于0.05 bar，表明泥膜氣密性合格，泥膜效果良好。

漿氣置換步驟完成后即可進(jìn)倉進(jìn)行刀具更換，其余步驟本文不做詳述，完整的衡盾泥輔助帶壓換刀施工流程可參見圖4。

3 衡盾泥輔助盾構(gòu)下穿敏感建筑施工沉降控制

本項(xiàng)目盾構(gòu)隧道區(qū)間在DK1+705—DK1+772、DK1+881—DK2+010、DK2+130—DK2+180下穿洪西小區(qū)民房,盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)區(qū)間地表沉降控制、沿線建(構(gòu))筑物及管線的保護(hù)是本工程的重點(diǎn)，也是衡量工程建設(shè)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。按照設(shè)計(jì)圖紙，該下穿位置采用袖閥管注漿技術(shù)對(duì)土體進(jìn)行預(yù)加固，洪西小區(qū)民房緊鄰甚至部分位于加固范圍內(nèi)，但是受地面交通疏解和施工場(chǎng)地條件限制，原設(shè)計(jì)采用的袖閥管注漿方案難以實(shí)施，因此考慮采用衡盾泥輔助盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)地表沉降控制。

圖4 衡盾泥輔助帶壓進(jìn)倉換刀流程圖

為了充分說明衡盾泥輔助盾構(gòu)方案相對(duì)于袖閥管注漿加固方案的優(yōu)越性，表1從技術(shù)方案、施工時(shí)間、施工設(shè)備、環(huán)保施工、場(chǎng)地協(xié)調(diào)、沉降控制效果以及經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)地面注漿加固和衡盾泥輔助盾構(gòu)進(jìn)行了綜合比較。從表1可以看出，衡盾泥輔助盾構(gòu)方案在各方面均優(yōu)于地面注漿加固方案，特別是在工程預(yù)算上由于衡盾泥輔助盾構(gòu)方案不考慮臨時(shí)占地、協(xié)調(diào)封閉門面及房屋、管線改線等相關(guān)費(fèi)用，能夠顯著降低工程費(fèi)用，節(jié)約資金。

表1 盾構(gòu)側(cè)穿洪西小區(qū)注漿加固及衡盾泥方案的優(yōu)缺點(diǎn)比選表

3.1 施工方法

盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)入洪西小區(qū)民房提前十環(huán)開始，通過從盾構(gòu)機(jī)中盾位置的徑向孔處同步注入衡盾泥，及時(shí)填充盾構(gòu)施工過程中由于刀盤超挖造成的盾體與土體之間的空隙，具體施工中要根據(jù)盾構(gòu)機(jī)正上方地面的沉降量及時(shí)調(diào)整。衡盾泥的注入點(diǎn)在中午11點(diǎn)到下午1點(diǎn)鐘位置。衡盾泥注入后，會(huì)對(duì)盾體與土體間的超挖間隙進(jìn)行填充，同時(shí)在一定注漿壓力下向四周的土層中滲透一部分衡盾泥，形成泥膜，有效的控制同步注漿和二次注漿的漿液向富水砂卵石地層中滲透，確保注漿效果。

3.2 輔助施工監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

(1) 監(jiān)測(cè)方案。盾構(gòu)富水砂卵石地層掘進(jìn)過程中，需要對(duì)地表沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，區(qū)間地表測(cè)點(diǎn)埋設(shè)以隧道中心線正上方地表線為基準(zhǔn)線 根據(jù)區(qū)間情況，在軸線走向上按正常區(qū)域10 m布置1點(diǎn)，同時(shí)每50 m布置1條監(jiān)測(cè)斷面，每斷面為13個(gè)點(diǎn)(部分?jǐn)嗝嬗捎谥車h(huán)境較為復(fù)雜，點(diǎn)位無法全部監(jiān)測(cè))，在軸線左右兩側(cè)分別設(shè)點(diǎn)，斷面測(cè)點(diǎn)間距為距離軸線3 m、8 m、13 m、18 m、23 m、28 m，對(duì)同一橫截面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行編號(hào)，其中07號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位為隧道中心線正上方地表處，01號(hào)和13號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分別位于距離軸線左右28 m處，其他點(diǎn)位依次類推。

(2) 監(jiān)測(cè)結(jié)果及評(píng)價(jià)。為了分析盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中地表沉降在空間上和時(shí)間上的特征，隨機(jī)選取四個(gè)不同的橫截面分析其空間分布(見圖5)，同時(shí)選定某一橫截面上的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析其隨時(shí)間變化的特征(見圖6)。從圖5、圖6可以看出，橫截面上的沉降大致呈V形分布，即中間沉降較大、兩邊沉降較??；隨著時(shí)間的推移，地表沉降會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，隧道頂部中線附近沉降最大。由此可以判斷，07號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及其附近點(diǎn)位為地表沉降敏感點(diǎn)，通過對(duì)其進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)可以較好的反映出盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中對(duì)地表的影響。

圖5 不同橫截面地表沉降數(shù)據(jù)

圖6 同一橫截面地表沉降隨時(shí)間變化曲線

在富水砂卵石地層掘進(jìn)區(qū)間內(nèi)，分別對(duì)使用衡盾泥輔助盾構(gòu)和未使用衡盾泥輔助盾構(gòu)施工的兩個(gè)橫截面上的07號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了沉降數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，常規(guī)盾構(gòu)(未使用衡盾泥)在富水砂卵石區(qū)間掘進(jìn)時(shí)，在掘進(jìn)后1 d～6 d的時(shí)間內(nèi)地表沉降呈現(xiàn)出急劇增加的趨勢(shì)，之后達(dá)到相對(duì)平穩(wěn)階段，且沉降量最大值為25 mm，遠(yuǎn)超限定值(8 mm)；使用衡盾泥輔助盾構(gòu)掘進(jìn)后，沉降曲線在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)表現(xiàn)平穩(wěn)，未出現(xiàn)急劇增加的趨勢(shì)，累計(jì)地表沉降最大值為6 mm，小于8 mm。由此可見，通過衡盾泥輔助盾構(gòu)可以有效控制富水砂卵石區(qū)段掘進(jìn)時(shí)的地表沉降，減小對(duì)周圍敏感建筑的影響。

圖7 衡盾泥輔助盾構(gòu)與常規(guī)盾構(gòu)地表沉降曲線

4 結(jié) 論

(1) 本文結(jié)合長(zhǎng)沙某電力盾構(gòu)隧道項(xiàng)目，在衡盾泥輔助帶壓進(jìn)倉換刀施工過程中實(shí)現(xiàn)了較好的保壓止水效果，形成泥膜后2 h倉內(nèi)氣體壓力波動(dòng)值低于0.05 bar，為之后的進(jìn)倉作業(yè)打好了良好基礎(chǔ)。

(2) 在富水砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，相比于常規(guī)盾構(gòu)掘進(jìn)，衡盾泥輔助盾構(gòu)掘進(jìn)能夠顯著降低地表沉降，將地表沉降控制在8 mm以內(nèi)，達(dá)到了地表沉降控制目標(biāo)。說明衡盾泥在注入地層后可以有效填充富水砂卵石地層中的間隙，防止出現(xiàn)過大沉降變形。

(3) 相較于傳統(tǒng)的施工工藝，衡盾泥輔助盾構(gòu)施工具有工藝簡(jiǎn)單、成本較低、安全有效、對(duì)周圍環(huán)境影響較小等諸多優(yōu)勢(shì)，建議在土壓平衡盾構(gòu)施工中廣泛推廣應(yīng)用。