李翰卿

（中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100040）

1 工程概況

廣州地鐵十八號線橫番區(qū)間1#中間風(fēng)井～橫番區(qū)間2#盾構(gòu)井區(qū)間盾構(gòu)長度2834.957m，需穿越西瀝水道（河面寬約200m，穿越長度約471m，隧道頂距離河床約17m），盾構(gòu)隧道埋深19.2～27.8m，線路大體呈南北走向，盾構(gòu)開挖斷面8.8m，最高運(yùn)營速度達(dá)160km/h。

盾構(gòu)在西瀝水道下方被迫停機(jī)換刀維修，地質(zhì)圖顯示從上至下地層分別為：<2-2>淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、<2-3>淤泥質(zhì)中粗砂、<2-1B>淤泥質(zhì)土、<2-3>淤泥質(zhì)中粗砂。隧道洞身主要穿越地層：<2-3>淤泥質(zhì)中粗砂、<7H>強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。隧道頂至西瀝水道河床約17m，水深約5～7m。

2 超前注漿加固

盾構(gòu)機(jī)開倉的難易程度取決于所處位置的地層情況，本工程地質(zhì)圖顯示停機(jī)位置地質(zhì)主要為：淤泥質(zhì)中粗砂、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和全風(fēng)化花崗巖，掘進(jìn)斷面上部至地表為淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂具有強(qiáng)度、硬度低和高觸變性的特點(diǎn)，地質(zhì)情況復(fù)雜，是典型的不穩(wěn)定地層。不能直接進(jìn)行常壓、帶壓開倉，必須有輔助手段對刀盤所處地層進(jìn)行加固。由于河道中通航捕撈等水事活動頻繁不具備垂直加固條件，因此利用盾構(gòu)機(jī)預(yù)留超前注漿孔進(jìn)行洞內(nèi)超前加固。

2.1 施工前準(zhǔn)備

（1）停機(jī)后，同步注漿管內(nèi)注入濃泥漿或者厚漿保護(hù)管道；盾尾密封油脂手動注入一圈并在后續(xù)過程中根據(jù)壓力下降情況補(bǔ)充注入；土倉內(nèi)利用注漿系統(tǒng)注入濃泥漿防止雙液漿進(jìn)入倉內(nèi)固結(jié)后難以清理[1]。

（2）脫出盾尾后3 環(huán)施連續(xù)做5 道止水環(huán)。注漿原則為從下至上，左右交叉。

（3）盾體徑向孔按左上、右上、左下和右下分4 個孔位注入膨潤土（30～40s），注入總量為4～5m3。

2.2 超前注漿原理和流程

如圖1 所示，通過盾構(gòu)機(jī)預(yù)留超前注漿孔，將雙液漿注入刀盤前方和上方土體起到加固作用，在加固體的保護(hù)下進(jìn)行開倉作業(yè)。首先向開挖倉注入高濃度膨潤土保壓；利用盾體預(yù)留徑向孔向盾體四周注入膨潤土泥漿，對盾體進(jìn)行防護(hù)，避免漿液包裹盾體造成復(fù)推困難；利用盾體頂部預(yù)留超前注漿孔對刀盤前端地層注漿加固。

圖1 注漿原理示意圖

2.3 漿液參數(shù)

注漿漿液采用水泥—水玻璃漿液。水泥采用PO.42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥漿的水灰比為1∶1；水玻璃原漿濃度40°Bé（波美度），用水調(diào)配出水玻璃稀釋液；水泥漿∶水玻璃稀釋液=1∶1（體積比），具體配比可根據(jù)現(xiàn)場凝結(jié)時間現(xiàn)場調(diào)整。制漿設(shè)備為葉片式攪拌機(jī)，為了保證漿液的均勻性和在注漿間隙時不沉淀，另自行加工攪拌儲漿桶兩臺，容量0.4m3，在儲漿桶外側(cè)設(shè)兩個以上取漿口，以保證大流量注漿時漿液的供應(yīng)。根據(jù)選定漿液的配比參數(shù)拌好漿液，其中水泥漿拌好后用1mm×1mm 網(wǎng)篩過濾，確保漿液均勻[2]。

2.4 注漿方法

采用后退式注漿，待鉆孔完成后，先注入磷酸水玻璃進(jìn)行封口，防止注漿過程中漿液噴涌流失，待封口漿凝結(jié)開始注入雙液漿，當(dāng)注漿量或注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值后后退鉆桿，進(jìn)行下一段的注漿作業(yè)，每步為0.3～0.4m，注漿壓力2～2.5MPa，勻速回抽，直至該孔結(jié)束。

2.5 注漿施工

本次施工過程中共啟用10個超前注漿孔（1～10）和2個水平鉆探孔（11～12）進(jìn)行注漿。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以定量定壓相結(jié)合的方式控制。定量標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的1.5～2 倍，壓力仍然不上升，可采取速凝漿液等措施結(jié)束該孔注漿；定壓標(biāo)準(zhǔn)為注漿過程中壓力逐漸上升，流量逐漸下降，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力后，吸漿量很少或不吸漿時可結(jié)束本孔注漿。一般注漿過程自上而下完成上部4 個孔的注漿作業(yè)后即可進(jìn)行保壓測試。若保壓測試失敗繼續(xù)向剩余下部孔注漿施工，直到保壓測試成功為止[3]。

表1 注漿記錄表

3 制漿劑的應(yīng)用

3.1 制漿劑材料介紹

按照上述工藝反復(fù)注漿可以對盾構(gòu)前方土層進(jìn)行有效加固使其固結(jié)穩(wěn)定，但由于地質(zhì)軟弱自穩(wěn)性差、透水性強(qiáng)，盾構(gòu)機(jī)正面以及周邊仍然存在空隙，在開倉過程中必然形成通道，因此需要使用制漿劑建泥膜輔助氣壓開倉。

盾構(gòu)制漿劑采用3 組份制漿劑，HS-1 組份用于配制初始基礎(chǔ)漿液。大、中分子量的聚合物材料與有益顆粒（切削下的活性土或膨潤土）之間，顆粒與顆粒之間相互吸附，形成布滿整個泥水空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)框架，將自由水和土顆粒包圍其結(jié)構(gòu)中，以提高泥漿的粘度切力，降低濾失量，完成造漿護(hù)壁的初始漿液；HS-2 組份由不同顆粒級配的惰性礦物質(zhì)及原植物纖維、橡膠粉、單封、石棉顆粒等物質(zhì)組成。用途是封堵砂土層、礫石層、風(fēng)化巖層等孔隙，配合其他材料形成致密的泥膜，防止垮塌和穩(wěn)定開挖面的作用；HS-3組份增強(qiáng)泥水內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性和流變性，利于懸浮、攜帶鉆屑，而微孔堵塞材料進(jìn)入土層孔隙中，微脹的作用增強(qiáng)護(hù)壁性和穩(wěn)定開挖面。

3.2 制漿劑建泥膜

在漿車內(nèi)加入清水并啟動攪拌器；起動制漿泵，運(yùn)行正常后向漏斗中緩慢加入1.5～2 包HS-1 后，再加入1.5～2 包HS-3，等HS-1 和HS-3 充分溶解沒有疙瘩后再加入8 包HS-2，加料完畢后制漿泵運(yùn)行10min 后停止。為了防止沉淀，新漿槽的攪拌器應(yīng)保持緩慢轉(zhuǎn)動。必須注意先加HS-1再加HS-3待充分溶解后再加入HS-2。利用盾構(gòu)機(jī)中盾的注入口注入配制好的制漿劑漿液，進(jìn)行填充并包裹整個盾構(gòu)機(jī)體周圍的土層孔隙，注入量要大于理論值的1.3 倍以上，根據(jù)該地層施工經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)壓力綜合考慮確定壓力值。

土倉注入時，注入點(diǎn)位首先選用從盾構(gòu)機(jī)上部注漿口注入泥水倉，注漿時邊注入制漿劑邊排放一部分原來在泥水倉的泥漿，但排放的量一定要少于注入的量，把部分泥漿擠入在地層中。當(dāng)注入的制漿劑的量達(dá)到土倉的容量或泥水壓力上升到大于地層壓力時，開啟刀盤緩慢轉(zhuǎn)動幾圈后停止，如果泥水壓力能夠保持穩(wěn)定則停止注入，保壓力2h 不下降可排漿進(jìn)倉。

4 帶壓換刀作業(yè)

打開自動保壓系統(tǒng)，將壓力調(diào)整至確認(rèn)準(zhǔn)備階段計(jì)算的理論開倉壓力值，使用土倉預(yù)留孔排出倉內(nèi)泥漿，液位下降至3～9 點(diǎn)位置時停止排漿，開始記錄空壓機(jī)加載數(shù)據(jù)進(jìn)行保壓能力測試。保壓測試需要持續(xù)進(jìn)行2h，2h內(nèi)空壓機(jī)加載時間/空壓機(jī)卸載時間+空壓機(jī)加載時間＜10%證明氣密性良好。過程中加強(qiáng)河面巡視，巡視檢查未發(fā)現(xiàn)冒泥漿或河面出現(xiàn)明顯的氣泡說明保壓測試成功，后續(xù)可按換刀計(jì)劃進(jìn)行帶壓進(jìn)倉換刀作業(yè)。依照帶壓開倉規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，過程中嚴(yán)格做好氣體檢測、空壓機(jī)數(shù)據(jù)記錄、倉內(nèi)艙外保持聯(lián)系，時刻注意倉內(nèi)情況，嚴(yán)禁人員進(jìn)倉作業(yè)時進(jìn)行注漿、轉(zhuǎn)動刀盤、啟動泥漿環(huán)流系統(tǒng)等危及人員安全的操作[4]。

在氣壓開倉過程中若供氣量大于供能力的50%，停止氣壓作業(yè)并重新采用制漿劑漿氣置換修補(bǔ)泥膜至保壓試驗(yàn)合格。

5 技術(shù)要點(diǎn)

（1）超前注漿可對地層進(jìn)行加固，突破了地面環(huán)境條件的限制，制漿劑形成的泥膜配合氣壓開倉將河水隔絕在艙外，給開倉作業(yè)提供了條件，這兩項(xiàng)工藝結(jié)合使用解決了加固難、水壓大水量多的難題。

（2）盾構(gòu)超前孔的保護(hù)至關(guān)重要，通常在始發(fā)前向所有預(yù)留注漿孔注入優(yōu)質(zhì)盾尾油脂直至油脂從盾體外擠出，盾體外出口處可涂抹少量快速水泥將孔口抹平，防止地層中雜物進(jìn)入預(yù)留注漿孔道[5]。

（3）超前注漿過程應(yīng)注意漿液從孔口反向噴出污染設(shè)備。鉆桿深入孔道后先注入磷酸水玻璃進(jìn)行封口，注漿過程中操作工嚴(yán)密監(jiān)視壓力變化，防止噴涌。

（4）注漿過程中漿液不可避免流入土倉，因此刀盤應(yīng)當(dāng)間歇性轉(zhuǎn)動，并依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際用新制備泥漿置換土倉內(nèi)原有漿液，以免大量雙液漿在倉內(nèi)凝固抱死刀盤。

6 結(jié)束語

盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)意外在河底停機(jī)后，直接建泥膜帶壓開倉通常不能成功；傳統(tǒng)地面加固方法受到河水限制難以進(jìn)行，勉強(qiáng)施工往往工期長、代價大且難以保證效果。本工程使用洞內(nèi)超前加固注漿，避免了傳統(tǒng)注漿受河水和周邊環(huán)境限制的弊端，在掌子面及刀盤上方形成一層保護(hù)體，在一段時間內(nèi)保證掌子面的穩(wěn)定，給換刀作業(yè)提供穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境，同時使用新型材料制漿劑注入盾構(gòu)周圍和土倉在掌子面形成致密的具有良好氣密性的泥膜，保證了作業(yè)時隔斷地下水涌入、保護(hù)掌子面穩(wěn)定，為河底不利條件下開倉提供了一套其實(shí)可行的方案。淤泥地層、砂層（富水粉細(xì)砂）、卵礫石層、軟硬不均地層、斷裂帶、復(fù)合地層等自穩(wěn)性差，容易發(fā)生坍塌，開倉難度大，本工藝對該類不良地層的開倉換刀也可適用。