程楚慧 曾憲鋒

（粵水電軌道交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510600）

目前城市軌道建設(shè)大多采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)法施工不影響交通，施工噪聲小，適應(yīng)各種地層，地表沉降易控制，地下管線不受干擾。采用盾構(gòu)法施工，進(jìn)入土倉檢查和更換刀具不可避免，特別是在刀盤前方土體不穩(wěn)，當(dāng)常壓開倉存在風(fēng)險時，就需要采用帶壓作業(yè)。

國內(nèi)外對氣壓開倉技術(shù)已有研究，以往氣壓開倉中泥膜制作、漿渣置換、氣漿置換均按照全倉置換方法進(jìn)行，但實際施工中，如刀盤結(jié)泥餅，土倉碴土固結(jié)，刀盤前方土體不穩(wěn)，地層擾動有空洞，富水地層噴涌，螺旋機(jī)密封不嚴(yán)，需要壓氣換刀，土倉碴土不可能全部置換且開倉過程，保持倉內(nèi)穩(wěn)定的時效性較短。李應(yīng)嬌等[1]研究盾構(gòu)機(jī)土倉氣密性檢測、土倉土氣置換、分散劑注入與半氣壓攪拌浸泡施工技術(shù)，解決了盾構(gòu)機(jī)在不具備開倉條件下處理盾構(gòu)機(jī)泥餅的問題，避免了人員進(jìn)倉處理泥餅的風(fēng)險以及因盾構(gòu)機(jī)開倉而造成地面及鄰近建筑物發(fā)生沉降的風(fēng)險。馬卉、祝思然等[2]通過室內(nèi)試驗及理論計算的方法對衡盾泥的泥膜氣密性進(jìn)行分析，保證盾構(gòu)開艙時配置的空壓機(jī)完全滿足補(bǔ)氣條件。賀霄飛等[3]探討了壓氣作業(yè)在不穩(wěn)定地層中更換刀具的情況，并闡述了壓氣作業(yè)中的常見問題及處理方法。在實際施工中，如刀盤結(jié)泥餅，地層擾動，土倉渣土部分固結(jié)，富水地層噴涌，螺旋機(jī)閘門密封不嚴(yán)，需要帶壓開倉，土倉碴土不可能完全置換。為解決上述技術(shù)難題，須針對盾構(gòu)法壓氣作業(yè)半倉置換施工技術(shù)進(jìn)行研究，形成了相應(yīng)的施工技術(shù)。

1 工程概況

廣州市軌道交通八號線北延段【施工6 標(biāo)】土建工程盾構(gòu)區(qū)間，位于廣州市白云區(qū)石槎路，包括聚龍站～平沙站區(qū)間0.25 km、平沙站～小坪站區(qū)間 1.15 km，采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)埋深在 10～13m，隧道穿越地層為<3-3>礫砂層、<3-2>中粗砂層、<4N-2>可塑狀粉質(zhì)黏土層、<4N-3>硬塑狀粉質(zhì)黏土層、<6C>泥巖頁巖全風(fēng)化層、<8C-1>質(zhì)灰?guī)r中風(fēng)化帶、<9C-1>炭質(zhì)灰?guī)r微風(fēng)化帶、<9C-2>微風(fēng)化灰?guī)r層，地層復(fù)雜。在該類地層進(jìn)行盾構(gòu)施工，一方面由于灰?guī)r地層強(qiáng)度較高，容易造成刀具和刀盤的嚴(yán)重破損；另一方面，由于上軟下硬地層，地層穩(wěn)定性差，給開倉檢查及刀具更換帶來極大困難。盾構(gòu)在該類地層中掘進(jìn)需要經(jīng)常開倉檢查及刀具更換。

2 總體思路

盾構(gòu)法壓氣作業(yè)半倉置換施工技術(shù)方案主要是通過盾尾管片注雙液漿，尾刷注盾尾油脂，盾體徑向注膨潤土，形成土倉后部密封；通過半倉漿渣置換，降低漿液配比，提高泥膜壓力，增加泥膜等級，更好地形成土倉前部密封；通過氣漿置換，土倉氣體保壓試驗，跟蹤空壓啟動頻率，判斷泥膜制作效果，保證人員順利進(jìn)入土倉，保證開倉作業(yè)時間。1）首次通過半倉置換方法，解決在刀盤結(jié)泥餅、地層擾動、土倉渣土部分固結(jié)、富水地層易噴涌、螺旋機(jī)閘門密封不嚴(yán)易噴涌，土倉碴土不能完全置換的問題，解決土倉磕土超排的風(fēng)險，同時克服設(shè)備不能密封的風(fēng)險。2）優(yōu)化泥膜材料配合比，降低了稠度，提高漿液流動性和擴(kuò)散性，漿液置換方便，操作安全，判斷準(zhǔn)確，縮短泥膜制作施工工期。3）為帶壓開倉提供穩(wěn)定、可靠、安全的作業(yè)環(huán)境，給盾構(gòu)法帶壓開倉提供足夠的倉內(nèi)作業(yè)時間。4）通過測量空壓機(jī)的啟動與停止的頻率，確定掌子面的密封性能，從而為帶壓開倉持續(xù)時間提供參考，為人員在土倉內(nèi)作業(yè)的安全性提供重要評估依據(jù)，為氣壓開倉的安全性提供重要評估依據(jù)。

2 開挖倉氣壓的確定

氣壓作業(yè)工作壓力：能保證掌子面的穩(wěn)定的開挖倉氣壓，如公式（1）所示。

式中：Pw為計算至隧道開挖中心的水頭壓力；Pr為考慮不同地質(zhì)條件、地面環(huán)境及開挖面位置的壓力調(diào)整值。

在氣壓作業(yè)前，應(yīng)進(jìn)行保壓試驗。在開倉前進(jìn)行渣土輸出，同時加入氣體進(jìn)行置換。當(dāng)開挖倉內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)定值時（預(yù)定值不得低于計算所得的理論工作壓力），打開自動保壓系統(tǒng)。當(dāng)倉內(nèi)土體降至設(shè)定高度后，如果開挖倉壓力保持2 h沒有變化或沒有發(fā)生大的波動，就說明保壓試驗合格。

在確定氣壓，準(zhǔn)備進(jìn)行壓氣前，一定要保證盾尾的油脂注入量和砂漿注入量足夠，保證土倉不漏氣。

3 施工工藝流程

盾構(gòu)法壓氣作業(yè)半倉置換施工工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 盾構(gòu)整體快速過站裝置流程圖

4 盾構(gòu)法壓氣作業(yè)半倉置換施工

4.1 盾尾管片注雙液漿

停機(jī)前，保證餃接行程不少于15 cm。在脫出盾尾的后5環(huán)管片注入雙液漿止水，保證后部來水不進(jìn)入土倉，保證土倉壓力穩(wěn)定和周邊地層穩(wěn)定。注漿壓力按盾構(gòu)埋深控制，通過注漿孔檢測二次注漿密封效果。常壓進(jìn)倉主要應(yīng)保證刀盤前方周圍地層穩(wěn)定和后部無來水的要求，因此止水封堵效果及進(jìn)行封堵的位置至關(guān)重要，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。

倒數(shù)3-5 環(huán)管片進(jìn)行壁后雙液注漿止水，同時在盾體徑向注漿孔注入膨潤土泥漿及聚氨酯加強(qiáng)止水和防止雙液漿固結(jié)包裹盾體。保證壁后填充密實，形成封閉止水環(huán)。盾尾管片注雙液漿施工示意圖如圖2 所示。

圖2 盾尾管片注雙液漿示意圖

注漿壓力為0.2MPa～0.4MPa。每環(huán)的注漿量一般為1m3～2m3，注漿量受到注漿壓力的影響，實際注漿量還應(yīng)參考注漿壓力來決定。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。注漿施工記錄表見表1。

表1 注漿施工記錄表

注漿24 小時后，打開管片上注漿球閥，無外流水即可，少量滴漏、壁管濕潤亦視為合格。盾尾打開盾體上球閥，檢查漏水情況，無線性外流水即為合格。

4.2 盾尾注盾尾油脂和盾體徑向注膨潤土

在尾刷和盾尾之間注入油脂，密封尾刷和盾尾之間間隙。注入壓力按盾尾埋深控制，并詳細(xì)記錄注入時間、注入點位位置、注入量以及注入壓力等。通過盾體徑向預(yù)留孔，在盾體徑向注膨潤土或衡盾泥，填充盾體和土層之間間隙，保證周邊地層穩(wěn)定止水。并詳細(xì)記錄注入時間、點位、注入量以及注入壓力等。

4.3 漿液制作

漿液制作以衡盾泥為例，衡盾泥是一種以無機(jī)黏土為主要材料，通過改性后與增黏劑反應(yīng)形成一種高黏度的觸變泥漿，具有良好的和易性和黏附性，在水中不易被稀釋帶走，成膜穩(wěn)定，附著力好。按照半倉置換要求，適當(dāng)降低漿液配比。

漿液制作以衡盾泥為例，衡盾泥是一種以無機(jī)黏土為主要材料，通過改性后與增黏劑反應(yīng)形成一種高黏度的觸變泥漿，具有良好的和易性和黏附性，在水中不易被稀釋帶走，成膜穩(wěn)定，附著力好。按照半倉置換要求，適當(dāng)降低漿液配比。A 液∶衡盾泥：水360kg ∶1000kg，A 液∶B 液：（12.5-20）∶1。其中A 液制作直接在隧道內(nèi)進(jìn)入，將衡盾泥和水直接在砂漿車內(nèi)混合和攪拌，通過剪切泵進(jìn)行二次循環(huán)剪切。保證A 液無顆粒狀，無干粉狀，無塊狀。通過臺車上同步注漿罐，將A 液與B 液倒入臥式攪拌槽內(nèi)進(jìn)行混合，A 液放量不能超過臥式攪拌葉片的2/3 高度，每次1～2m3，2min 后目測達(dá)到效果。

4.4 漿渣置換

注入位置利用土倉隔板3、9 點預(yù)留球閥，在置換過程中，將注入壓力設(shè)定為0.5MPa，密切觀察土倉上部壓力變化，動態(tài)控制倉內(nèi)壓力，要求如下：恒定土倉上部壓力，避免壓力過度波動擾動地層。適當(dāng)打開螺旋機(jī)閘門排土，保證排土量與注入量基本平衡，并做好記錄。在螺旋機(jī)排土過程中，當(dāng)出現(xiàn)衡盾泥成分時，可慢速（0.1 r/min）旋轉(zhuǎn)刀盤15 °～20°，再繼續(xù)壓漿。直至土倉置換完成一半左右。

4.5 刀盤回縮

置換完成后，可回縮鉸接，使盾構(gòu)機(jī)后退5cm，使刀盤與掌子面之間建立5cm 左右的泥膜。可加厚了刀盤前方的衡盾泥厚度及均勻度，形成“泥墻”。

4.6 泥膜制作

加壓等級為5 梯級，第1 梯級為開倉工作壓力0.02MPa，每梯級升高0.02MPa。每梯級壓降達(dá)到0.02MPa 后，重新注入漿液；每半小時低速轉(zhuǎn)動刀盤1 次，每次轉(zhuǎn)動半圈；壓降小于0.02MPa /2h，提升壓力等級。

最后一級，當(dāng)注入壓力達(dá)到設(shè)計壓力時，進(jìn)行12 h 的動態(tài)保壓注入試驗，至少保持2 h 壓力不出現(xiàn)明顯下降（≤0.02 MPa），才可以進(jìn)行排土壓氣，注入過程中要記錄壓力變化情況以及每次補(bǔ)注的時間與注入量。

通過2～4 h 的保壓和持續(xù)補(bǔ)漿，泥膜已經(jīng)形成一定規(guī)模。形成的泥膜是否能夠提供帶壓作業(yè)時的圍護(hù)作用，需要通過泥膜檢驗來做初步的判斷。通過排漿逐步將土倉壓力回調(diào)至工作壓力，開始觀察2h，如發(fā)現(xiàn)土倉壓力有逐漸上升的趨勢，說明外圍壓力大于設(shè)定的土倉壓力，需要增大工作壓力。如果土倉壓力變化小于0.005MPa，就說明滿足泥膜滿足保壓標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)入換氣排漿的階段。各種壓力泥膜制作記錄表（5 級）見表2。

表2 泥膜制作施工記錄表

4.7 氣漿置換

在保壓過程中緩慢地將泥漿排出，整個過程必須平穩(wěn)緩慢地進(jìn)行，避免出現(xiàn)漿液排出過快造成上部欠壓的情況。出渣壓力按照開倉時工作壓力來設(shè)置，出渣過程中壓力變化不超過0.005MPa 。當(dāng)泥膜制作達(dá)到最后一級后，通過土倉隔板3、9 點位預(yù)留球閥進(jìn)行氣漿置換。3、9 點位球閥接管，將漿液排至砂漿車內(nèi)；土倉壓力達(dá)到開倉壓力后，開通氣動自動加壓裝置，使土倉壓力恒定；繼續(xù)排出漿液，通過球閥開關(guān)，調(diào)節(jié)漿液流量，保持土倉壓力穩(wěn)定；當(dāng)3、9 位球閥排出氣體后，置換成功。

4.8 土倉保壓

空壓機(jī)頻率是監(jiān)控土倉壓力是否穩(wěn)定的關(guān)鍵，氣漿置換完成后，在土倉保壓階段，空壓機(jī)運(yùn)行頻率加載時間與卸載時間不小于1/10；在氣壓開倉作業(yè)階段，空壓機(jī)運(yùn)行頻率加載時間與卸載時間不小于1/2。

當(dāng)達(dá)到設(shè)計壓力后，進(jìn)行保壓。保壓持續(xù)2～4 h。在保壓過程中，注漿罐中保留適當(dāng)?shù)哪酀{，控制室內(nèi)安排不間斷觀察。泥漿進(jìn)行滲透后，壓力下降，此時通過注漿系統(tǒng)繼續(xù)向倉內(nèi)補(bǔ)漿，直至液面和壓力恢復(fù)到最大允許壓力。壓力變化值20 min～30 min記錄一次，保壓全過程壓力變化小于0.005MPa，視為保壓試驗合格。當(dāng)出現(xiàn)大于0.005MPa 時必須重新施作泥膜，泥膜施作完成后，再次進(jìn)行保壓試驗，直至保壓在穩(wěn)定的范圍。

在保壓過程中加強(qiáng)地面監(jiān)測和地面管線監(jiān)測。地面監(jiān)測范圍為開倉位置前后30 米。保壓期間安排測量人員對刀盤所在的位置地面進(jìn)行監(jiān)測。

保壓期間對地面和周邊情況加強(qiáng)巡視工作，檢查地面是否有漏氣現(xiàn)象，如有漏氣則進(jìn)行注漿封閉。保壓期間對地面進(jìn)行全時段巡視檢查，直至保壓試驗完成為止。

5 實施效果

與盾構(gòu)壓氣換刀全倉置換對比，該技術(shù)結(jié)合施工實際情況，克服了土倉渣土不能全部置換的缺點，通過優(yōu)化泥膜材料配比，增加泥膜制作等級，提高泥膜制作壓力，保證了泥膜質(zhì)量，該技術(shù)結(jié)合實際，操作方便，可克服螺旋機(jī)閘門泄漏，不易造成地面塌陷，安全性大大增加，開倉成功率大大增加。其中泥膜制作可以采用膨潤土，也可采用衡盾泥。漿渣置換，不用全部置換完成，可達(dá)到漿液加壓制作泥膜條件，既節(jié)約了泥膜材料，又減少了由于超排造成的地面塌陷。氣漿置換，漿液排出不用螺旋機(jī)，通過土倉隔板3、9 點預(yù)留球閥排放，通過土倉隔板3、9 點預(yù)留球閥，檢測土倉液面，保證開倉順利換刀，避免了由于螺旋機(jī)閘門無法保壓和漿液超排等造成土倉泄壓，地面塌陷的風(fēng)險。

6 結(jié)語

廣州市軌道交通八號線北延段【施工6 標(biāo)】土建工程項目采用該技術(shù)，成功解決了在刀盤結(jié)泥餅，地層擾動，土倉渣土部分固結(jié)，富水地層噴涌，螺旋機(jī)閘門密封不嚴(yán)，需要帶壓開倉，土倉碴土不可能完全置換的施工難題且未對周邊建構(gòu)筑物造成任何安全影響。施工全過程工效高、安全可靠順利完成盾構(gòu)壓氣作業(yè)，總體施工質(zhì)量較好。