吳 宗 林， 李 學(xué) 謙

(中國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號線二期工程龍橋路站～雙流機(jī)場站區(qū)間共計2次穿越江安河，2次穿越牧馬山干渠，穿越既有線(地鐵3/10/成貴高鐵)3處，所穿越的建筑物共計35棟，施工難度大，安全風(fēng)險極高。

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)過程中，刀盤、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、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)過程中，泥巖具有微膨脹性與高黏性，當(dāng)?shù)侗P攪動土體時破壞了其原有的平衡狀態(tài)，通過盾體后方或上方的來水，導(dǎo)致土體內(nèi)的水分增加，吸水后的膨脹土粘附在刀盤上容易導(dǎo)致刀盤及土倉結(jié)餅，刀具偏磨，如果長時間停機(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)，同時也能保障地下及地上的安全。

以成都軌道交通19號線二期工程龍橋路站～雙流機(jī)場站區(qū)間帶壓開倉施工為例，對大直徑盾構(gòu)帶壓開倉施工關(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)帶壓開倉施工提供借鑒。針對該區(qū)間共計進(jìn)行了12次帶壓開倉作業(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次帶壓開倉作業(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)帶壓開倉施工

2.1 帶壓換刀的工作原理

在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)對刀盤前方地層進(jìn)行改良或加固處理后，在保證刀盤前方周圍地層和土倉滿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，以氣壓代替土壓，通過在土倉內(nèi)建立合理的氣壓用以平衡刀盤前方的水與土壓力，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)入土倉進(jìn)行檢查、維修保養(yǎng)和刀具更換等過程作業(yè)。

壓氣對開挖面起到的穩(wěn)定作用可以分為下述三種：

(1)可以阻止來自開挖面的涌水，防止開挖面坍塌。

(2)因壓氣壓力本身的擋土作用使開挖面穩(wěn)定。

(3)由于壓氣對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)而增加了開挖面的穩(wěn)定性。

其中以高壓空氣防止開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)的氣壓力亦會出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，而且其往往阻止不了開挖面下部的涌水及其上部的坍塌，因此，需要對刀盤前方的地層進(jìn)行適當(dāng)?shù)母牧肌?/p>

帶壓開倉換刀的施工流程見圖1。

圖1 帶壓開倉換刀施工流程圖

2.2 到達(dá)停機(jī)位置前的渣土改良

盾構(gòu)機(jī)到達(dá)開倉位置之前，必須加強(qiáng)對盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)的渣土進(jìn)行改良，采用泡沫劑及膨潤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。鈣基膨潤土配比情況見表1。

表1 鈣基膨潤土配比表

2.3 土倉氣壓的確定

帶壓進(jìn)倉壓力值的設(shè)定系根據(jù)地下水位埋深及隧道埋深確定。通過計算可以得出土倉中需要建立的氣壓，根據(jù)該工區(qū)12次帶壓開倉施工經(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)間帶壓開倉統(tǒng)計情況見表2。

掌子面穩(wěn)定開倉氣壓P的計算方法為：

P=Pw+Pr

表2 區(qū)間帶壓開倉統(tǒng)計表

Pw=γw×h

式中Pw為地下水位至隧道開挖中心的水頭壓力；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

泥膜施工是整個帶壓換刀的關(guān)鍵工序。通過注入填充及擠壓、置換渣土、轉(zhuǎn)動刀盤攪拌及擠壓，在盾體外壁和盾構(gòu)開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圖2。對土倉采用復(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土、鈉基膨潤土、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

泥膜與土倉渣土的置換具體分為以下十二個步驟進(jìn)行：

第一步：封環(huán)。停機(jī)后，對管片拖出盾尾6～7環(huán)后進(jìn)行1～2環(huán)的雙液注漿，將凝固時間控制在10～20 s，以達(dá)到止水的目的。注漿完成后開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。二次注漿配合比見表4。

表4 二次注漿配合比表

第二步：通過同步注漿系統(tǒng)注入膨潤土漿液保護(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土漿液(含有鈣基、鈉基膨潤土、消石灰、纖維素)，每次制作量為6～8 m3并通過電瓶車運(yùn)至隧道內(nèi)，漿液進(jìn)隧道后在漿車內(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口的球閥位置，通過此管往土倉內(nèi)注入復(fù)合黏土混合液，將土倉壓力穩(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，觀察倉內(nèi)的壓力下降速度；若其降低較快，需繼續(xù)往倉內(nèi)注入復(fù)合黏土混合液，重復(fù)上述流程，直至倉內(nèi)壓力維持在3～3.5 bar。

第七步：通過同步注漿系統(tǒng)，往土倉內(nèi)邊注入復(fù)合黏土混合液、邊對土倉內(nèi)的渣土進(jìn)行置換。復(fù)合黏土混合液注入過程中，同時啟動螺旋輸送機(jī)緩慢排渣、控制上部土倉的壓力，此時的土倉壓力維持在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)排出來的渣土明顯含有復(fù)合黏土混合液時，現(xiàn)場從螺旋輸送機(jī)出渣口采取渣樣放置量筒內(nèi)，通過觀察渣樣顏色、含砂量和加入水玻璃拌和試驗(yàn)判定倉內(nèi)渣土的置換位置(渣土降至刀盤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)備一臺單液注漿機(jī)(回漿泵+三相異步電動機(jī))，注漿管與入倉口位置由另外一個平衡閥連接，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；啟動刀盤，刀盤轉(zhuǎn)速為0.5 rpm，刀盤轉(zhuǎn)向始終保持同一方向旋轉(zhuǎn)，持續(xù)轉(zhuǎn)動刀盤0.5 h左右，在該過程中詳細(xì)觀察土倉壓力變化與扭矩波動情況；若土倉壓力和扭矩相對穩(wěn)定，其維持時間不少于1 h。停機(jī)1 h，觀察土壓壓力變化速率，待其相對穩(wěn)定(將壓力上下波動幅度控制在0.05 bar/h)后最終形成保壓泥膜(泥膜形成后嚴(yán)禁轉(zhuǎn)動刀盤)。

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

第十一步：觀察土倉壓力變化情況且時間不少于1 h，每10 min施測一次空壓機(jī)加卸載情況；若加載時間小于卸載時間，證明泥膜質(zhì)量滿足要求，土倉保氣性良好；加載時間小于卸載時間的差值越大，表明掌子面穩(wěn)定性及泥膜質(zhì)量越好。若加載時間大于(等于)卸載時間，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)行帶壓開倉作業(yè)操作，首批入倉人員的任務(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)倉清理刀箱，檢查刀具磨損情況，開始后續(xù)換刀作業(yè)。

2.5 保壓試驗(yàn)

開倉前，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)的時間不得低于4 h，同時觀察土壓傳感器的變化、samson系統(tǒng)開度及空壓機(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的開度不得大于0.2，空壓機(jī)的儲氣罐壓力為6.5～7 bar，且空壓機(jī)的加載時間要小于卸載時間,同時，入倉處的壓力不得低于5.5 bar。與此同時，安排相關(guān)人員觀察地表、鉸接以及盾尾漏氣是否嚴(yán)重,若土倉壓力無法達(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，在開倉作業(yè)過程中應(yīng)盡量維持此壓力，并通過進(jìn)氣閥的操作控制氣壓的變化值在可控范圍之內(nèi)；當(dāng)土倉內(nèi)的土體排空至一號傳感器時，如果傳感器的讀數(shù)接近排土前的壓力，說明土倉加壓成功；當(dāng)排至二號傳感器時其讀數(shù)與一號傳感器讀數(shù)一樣且壓力穩(wěn)定，說明土倉密閉性達(dá)到進(jìn)倉作業(yè)要求，土倉建壓成功,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)入倉步驟。

①檢查所有的顯示設(shè)備，如時鐘、溫度計、電話和閘閥等，檢查倉門的清潔程度；

②入倉人員進(jìn)入人倉；

③關(guān)閉主倉和副倉的倉門并確保其正確關(guān)閉；

④確保操倉人員與帶壓人員之間的電話聯(lián)系；

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

⑥待主倉內(nèi)的壓力等于土倉倉內(nèi)的壓力后，即完成土倉與主倉之間的壓力均衡后球閥必須關(guān)閉。人員進(jìn)入土倉的程序見圖3。

圖3 人員進(jìn)入土倉程序圖

(2)加壓過程。

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，主倉與副倉的壓力為大氣壓力。原始狀態(tài)倉壓力示意圖見圖4。

圖4 原始狀態(tài)倉壓力示意圖

②主倉的加壓：P1﹥P2﹥P0。

P2為主倉壓力，介于P1和P0之間。

關(guān)閉主倉倉門后，打開通風(fēng)球閥對主倉進(jìn)行加壓。加壓狀態(tài)倉壓力示意圖見圖5。

圖5 加壓狀態(tài)倉壓力示意圖

③土倉與主倉壓力平衡：P1=P2。

土倉與主倉實(shí)現(xiàn)氣壓平衡后停止加壓。此時，可以開啟土倉閘門進(jìn)入土倉，同時副倉始終保持不加壓。 土倉、主倉壓力平衡示意圖見圖6。

圖6 土倉、主倉壓力平衡示意圖

2.7 施工人員出倉

減壓作業(yè)嚴(yán)格按照《盾構(gòu)法開倉及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》(CJJ217-2014) 氣壓作業(yè)的工作時間和減壓時間執(zhí)行。打開排氣減壓閥緩慢降低入倉氣壓，同時觀察人倉中設(shè)置的壓力計。減壓過程中，根據(jù)倉內(nèi)人員的身體感覺和每一階段壓力的保持時間調(diào)整通氣速率、直至常壓狀態(tài)。人倉里的加熱系統(tǒng)必須根據(jù)國家規(guī)定進(jìn)行配置。操倉員需要定期查看流量計以保證入倉的通風(fēng)量。作業(yè)人員經(jīng)過減壓過程離開入倉后，操倉員關(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,啟動刀盤與千斤頂恢復(fù)盾構(gòu)掘進(jìn),同時保持土倉內(nèi)的氣壓,暫不出土,逐漸恢復(fù)土倉內(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，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。開始掘進(jìn)時應(yīng)注意有無噴涌的現(xiàn)象發(fā)生，發(fā)生噴涌時必須降低閘門的開度，加大螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，掘進(jìn)速度應(yīng)與出土匹配，出土量較大時需注意增加掘進(jìn)速度。

3 結(jié) 語

隨著大直徑盾構(gòu)逐步由郊區(qū)走向城區(qū)，且因帶壓開倉施工技術(shù)具有不占用地面空間，對市政道路、管線、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)施工換刀時具有常壓換刀無法比擬的優(yōu)越性而逐步得到應(yīng)用。但是，由于該施工工藝要求相對較高，且因成都地層的特殊性而導(dǎo)致施工風(fēng)險極大。經(jīng)過中國水電第七工程局19號線土建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。