土壓平衡盾構在復合地層中帶壓進倉施工技術

李志軍 高 波 王光偉

(中鐵隧道集團二處有限公司 河北燕郊065201)

在現代城市建設中，地下空間的開發利用已成為重要的組成部分［1］，隨著我國地鐵線路規劃、建設項目的不斷增加，國內各大城市均開始大力發展地鐵工程，以便緩解地面交通擁堵現狀。盾構法因具有機械化程度高、施工速度快，對地面影響小等特點逐漸成為修建地下隧道的第一大工法。然而，由盾構工法的特點可知，盾構隧道開挖不可避免地會對周圍地層產生擾動，從而引起地層變形，嚴重時可能會危及地下管線及周圍建(構)筑物的安全［2-8］。在采用盾構法施工時不可避免地還會出現諸如推力大、掘進速度慢、渣土溫度高、齒輪油油溫高、盾構機及螺旋輸送機扭矩過大［9］、難以實現開挖面土壓力的動態平衡［10］等現象。為此，需要通過帶壓進倉處理掘進面存在的問題，這將給進倉工作人員帶來一定的技術風險，甚至威脅到其生命安全。因此，總結這樣的工程經驗，以供類似工程借鑒就顯得非常必要。

1 工程概況

1.1 工程范圍及地理位置

南京地鐵五塘廣場站—小市站區間隧道位于中央北路下方，當盾構掘進至第413環～418環(對應刀盤里程YK13+474.9～+481.7)時，盾構機出現推力大、掘進速度慢、渣土溫度高、齒輪油油溫高、刀盤扭矩大等現象。其中，在第413環盾構掘進時，其掘進參數與白班施工的第411環～412環掘進參數相比出現明顯變化。最終在掘進至418環，里程YK13+481.7的位置停止掘進。

1.2 停機處地質情況

盾構停機時刀盤位置處于復合地層中，具體情況見圖1～2。

隧道縱向:刀盤里程處主要為強、中風化砂巖，巖面沿隧道掘進方向逐漸爬升，坡比約為1∶0.32。

隧道橫向:盾構隧道推進方向右側中風化砂巖巖面高5.13 m;左側中風化砂巖巖面高2.89 m、強風化砂巖厚1.64 m、粉土厚1.86 m;中風化砂巖巖面橫向坡比為1∶0.36。

圖2 刀盤位置地質橫剖面

2013年8月12日，對渣土取樣進行了篩分試驗，含水率22%、大于10 mm石子顆粒3.9%、大于5 mm石子顆粒3.7%、大于2.5 mm石子顆粒2.2%，大于2.5 mm石子顆粒90.2%。

1.3 原因分析

通過對地質情況以及掘進參數進行分析，主要原因是由于渣土改良不佳造成。可能出現的情況有刀盤結泥餅、土倉內結泥餅、刀具偏磨或個別刀具損壞幾種。為解決目前的問題，必須實施帶壓進倉，并結合開倉后的具體情況采取相應措施。

2 帶壓進倉工作原理、工藝流程

2.1 基本原理

對盾構機土倉、盾殼處注入高濃度膨潤土泥漿，泥漿滲入地層后形成泥膜以封堵地層;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，通過在土倉建立合理的氣壓來平衡刀盤前方的水、土壓力，達到穩定掌子面和防止地下水滲入的目的，為在土倉內進行檢查、更換刀盤刀具和處理刀盤泥餅創造工作條件。

2.2 施工工藝流程

施工工藝流程見圖3。

3 帶壓進倉準備工作

3.1 注漿封堵

帶壓進倉前主要應對以下幾個部位進行注漿封堵:

圖3 帶壓作業工藝流程

1)利用盾構中體、前體上四周的注入口，對盾構主機周圍進行注漿封堵，以防止壓縮空氣從盾殼與地層之間泄露。

2)利用盾構機上的膨潤土注入系統對掌子面進行封堵。

3.2 渣土置換

利用盾構機土倉隔板頂部預留的閘閥、膨潤土注入系統，往土倉內泵入泥漿，在確保上部土壓不小于0.12 MPa的條件下，通過螺旋輸送機排土直至將土倉內的渣土排空。

當土倉內渣土已全部置換完成，關閉螺機倉門與螺機出渣口的上、下插板，停止排渣，繼續向土倉內注入泥漿，讓泥漿充分滲透到地層，形成泥膜。注漿過程中上部土壓范圍為0.13～0.14 MPa。

為防止刀盤面板前的掌子面無泥漿滲透，在排渣過程中可按每間隔1 h緩慢轉動一次刀盤;在渣土置換前，需確保準備的膨潤土泥漿量至少為土倉容量的70%。

3.3 泥漿置換

啟動德國samson公司土倉自動保壓系統，用氣體置換泥漿。緩慢打開進氣閥，使土倉內的壓力上升，當氣壓開始上升時，啟動螺旋輸送機排出土倉內泥漿(排出量為1/2土倉容量)。為保證土倉內壓力的穩定，一定要將螺旋輸送機的倉門開啟度放小，緩慢置換。

在泥漿置換過程中盾構機上部土壓范圍為0.12～0.14 MPa。

3.4 土倉氣密性試驗

當土倉內的膨潤土泥漿排除至1/2土倉容量后，即可進行土倉氣密性試驗。啟動samson自動保壓系統，在系統上設置上部土倉氣壓為0.12 MPa，根據系統記錄的補氣量大小(補氣量小于30%為合格)及地表沉降監測情況，確定土倉氣密性是否滿足要求。

3.5 進倉壓力確定

3.5.1 理論計算

3.5.1.1 淺埋、深埋的劃分

式中:Hp為深、淺埋隧道分界的深度，m;hq為施工坍方平均高度，hq=0.45×26-Sω，m;S為圍巖類別，如Ⅱ類圍巖，則S=2;ω為寬度影響系數，且ω=1+i(B-5);B為隧道凈寬度，m;i為以B=5 m為基準，B每增減1 m時的圍巖壓力增減率。

當B＜5 m時，取i=0.2;當B＞5 m時，取i=0.1。

則Hp=(2～2.5)×(0.45×26-2)×(1+0.1×(6.46-5))=16.5～20.6 m

當隧道埋深為14.2 m時，即屬于淺埋隧道。

3.5.1.2 淺埋隧道的土壓計算

1)靜止土壓(見圖4)。

式中:k0為側向土壓力系數，k0=υ/1-υ;υ為巖體的泊松比。

式中:γi為第i層土的天然容重(地下水位以下一般采用浮容重)，kN/m3;hi為第i層土的厚度，m;n為從地面到深度z處的土層數。

通過上述公式計算出

2)主動土壓力(見圖5)。

圖4 土體自重應力分布

式中:σz為深度為z處的地層自重應力+地面荷載，c為土的黏著力，z為地層深度，φ為地層內部摩擦角。

通過上述公式計算出:

圖5 主動土壓力計算

3)被動土壓力計算(見圖6)。

4)地下水壓力

式中:q為根據土的滲透系數確定的一個經驗數值，砂土中q=0.8～1.0，黏性土中q=0.3～0.5;γ為水的容重，kN/m3;h為地下水位距離刀盤頂部的高度，m。σw=0.4×10×(14.2-3.6)=42.4 kN/m1=0.042 MPa

5)地面動荷載，按掛-120 t考慮。

計算模型:掛-120 t作用在刀盤上方，掛-120 t按12個車輪，車輪接觸面積長按1.2 m、寬按1.0 m計算，擴散角按35°、埋深按14.2 m計算，即刀盤處地面動荷載產生的垂直土壓力為:120×10/((2×14.2×tan35o+1)(214.2tan35o+1.2))=2.72kN/m1;側向土壓力系數k0=0.75;地面動荷載產生的側壓力=2.72×0.75=2.04 KN/m1=0.002 MPa

圖6 被動土壓力計算

6)預備土壓。按照施工經驗，在對沉降要求比較嚴格的地段計算土壓力時，通常在理論計算的基礎之上再考慮10～20 kg/m1(0.01～0.02 MPa)的壓力作為預備壓力。

7)上部土壓計算。在盾構掘進時，計算采用“靜止土壓+水壓+地面動荷載+預備土壓”，即0.125+0.042+0.002+0.02=0.189 MPa

帶壓進倉時，最小保壓值應為“主動土壓+水壓+地面動荷載+預備土壓”，即=0.034+0.042+0.002+0.02=0.098 MPa

3.5.2 現場試驗確定壓力

根據上述計算結果，帶壓進倉時土倉內保壓值應在0.098～0.189 MPa的范圍內，具體數值應根據保壓試驗過程中地面監測情況確定。

根據現場保壓試驗，對理論計算取值范圍進行折中后，設定保壓初始值為0.145 MPa。連續監測1 h后，監測數據穩定(見圖7)，上下浮動均在0.5 mm以內，表明保壓設定值合理，予以采用。

圖7 地面監測數據分析

3.6 人員設備準備

由于帶壓進倉的特殊性，所以要求經過高壓潛水培訓的人員才可以進倉作業，加壓倉操作人員必須具備高壓氧倉操作資格。盾構司機負責整個帶壓作業過程的操作，土木工程師負責監控開挖倉補氣量并及時安排補漿或置換泥漿加固掌子面泥膜。

氣壓倉保壓性能檢測1 h內壓力波動不超過0.02 MPa即為合格。

4 帶壓進倉作業

4.1 進倉步序及操作方法

1)進倉前，由操倉手檢查工(器)具、水等是否放入主倉，以免動用準備倉。

2)操倉手慢慢打開加氣閥門，嚴格按照流量增加主倉室的壓力直到到達操作壓力值，作業人員也可以根據自己身體的實際狀況在人倉內操作門閥來增加主倉室壓力。本次開倉的工作壓力為0.14 MPa，根據要求倉內壓力從0到0.14 MPa，加壓時間為2 min。

3)加壓過程中，操倉手打開主倉外的卸壓球閥以保證主倉內一定的通風量。

4)當主倉室的壓力等于盾構機土倉的壓力時，主倉內人員緩慢打開主倉和土倉之間的平衡球閥開關，使土倉與主倉之間壓力平衡。

5)在主倉和土倉之間進行壓力補償之后，作業人員打開壓力擋板的門進入土倉。

6)在達到每倉的工作時間(或有人員身體不適時)，主倉操作人員應全部進入主倉，立即關閉主倉與人倉之間的門，鎖緊螺栓，同時將副倉加壓至與主倉壓力一致。

7)主倉操作人員將主倉與副倉之間的門打開，操倉手確認主倉操作人員安全后開始減壓，每倉的減壓時間應根據高壓進倉操作時間確定。本次進倉操作時間為160 min左右，減壓時間應為36～46 min。

4.2 倉內情況及處理措施

根據進倉檢查，土倉內全部為泥餅，幾乎把倉門遮蓋完。根據現場分析，采用高壓水槍射水的方法將刀盤及隔板上的泥餅沖散，每次沖洗倉門正對的部分(0—3點鐘方向)。每倉沖洗完畢后(或將主倉門關閉，人員撤至主倉)，盾構操作司機旋轉刀盤，將沖散的泥餅攪拌均勻后從螺機排出，直至螺機排出的全部為空氣時，螺機停止排土，使刀盤繼續旋轉，將土攪拌至螺機出渣口，防止刀盤倉氣體從螺機逃逸。每倉沖洗前在刀盤回轉接頭處做好記號，每次將刀盤逆時針旋轉90°，保證沖洗完后相鄰的部分正對刀盤倉門，防止漏沖。

4.3 刀具磨損情況及評估意見

根據進倉檢查，個別齒刀存在崩齒的現象，滾刀無偏磨現象(見圖8～9)。刀具的整體磨損程度在可接受范圍內，不用更換刀具。

圖8 刀刃輪跡線

圖9 滾刀

4.4 監測實施及數據分析

由測量組對刀盤位置處地表沉降情況實施監測，白天人員進倉期間監測頻率按15 min/次，夜間出渣期間監測頻率按2 h/次。地表沉降穩定判斷指標為:當次測量與上次測量成果相比下沉大于1 mm時，需通知進倉人員加強注意觀察掌子面穩定情況;大于2 mm時，倉內人員必須立即撤出。

整個帶壓進倉實施4 d，地面累計最大隆起為1.4 mm，倉內土體未出現坍塌涌水等情況(見圖10)。

圖10 各點位實時監測變化曲線

5 帶壓進倉中遇到的問題及處理措施

5.1 渣土置換困難

當泥漿置換渣土時，出現螺機不轉動、僅開啟其出土口上下插板的情況下，螺機噴涌現象嚴重，并伴隨土倉內土壓快速下降(上部土壓由0.12 MPa下降到0.08 MPa左右);關閉螺機出土口、往土倉內僅注入少量泥漿時，其土壓回升速度較快。從出土口噴出的樣品分析，泥漿含量大、土塊含量少，即往土倉內注入的泥漿基本上已全部從螺機出土口噴出、但倉內渣土未得到排出，泥漿置換土倉內渣土難度大，從而會影響掌子面泥膜生成質量，導致人員不能安全帶壓進倉。從413～417環掘進時螺機噴渣情況以及盾構停機過程中土倉內壓力的波動情況分析，可以排除因地層中或管片背后水源進入土倉導致關閉螺機閘門、土倉內土壓上升較快的情況。

處理措施為:改裝膨潤土注入系統中相關管路，將土倉注入口調整至刀盤注入口，往刀盤前方注入膨潤土泥漿，確保掌子面泥膜生成質量。

5.2 壓力值差大

開倉前，發現土倉上部擠壓式土壓傳感器與人倉內指針式壓力傳感器兩者壓力值差達0.06 MPa。

經分析該兩個傳感器因構造原理不同，導致同一條件下兩者反映的壓力差值大，倉內實際壓力以人倉內指針式壓力傳感器顯示的壓力值為準。

6 結論與討論

6.1 刀盤結泥餅原因分析

1)盾構始發時刀盤正面區域配置了滾刀，0～282環(長338 m)洞身穿越地層為粉質黏土地層，根據左線類似地層常壓開倉情況判斷，該段地層中盾構掘進時滾刀刀箱及土倉隔板上已黏附一定厚度的黏土層。

2)在K13+439～481段掘進時，土倉內上部土壓過高、渣土改良效果差。

該段地層掘進時上部土壓設置在0.19 MPa左右，根據開倉實測，上部土壓傳感器存在誤差，即傳感器顯示的壓力值較實際壓力值低0.06 MPa，此時土倉內上部土壓值實際在0.25 MPa。

該段地質勘探孔距離隧道結構邊線近(約3 m)，盾構剛進入該地層時采用了泡沫改良渣土，泡沫易從勘探孔中溢出流至中央北路的公交站臺附近，給當地居民帶來不良影響。鑒于以上原因，盾構掘進時改用水來替代泡沫改良渣土，渣土改良后流動性差;在高壓力條件下，土倉內流動性差的渣土越堆越厚，堵塞了刀盤大部分開口部位，造成盾構掘進時渣土溫度高、速度慢等現象。

6.2 改進措施

1)降低上部土壓設置值。根據理論計算值、土壓傳感器誤差值，將上部土壓值設置為0.13～0.14 MPa，并密切關注地表沉降變化情況。

2)采用泡沫改良渣土。在對地勘孔進行處理后，采用泡沫改良渣土。泡沫發泡率為10，原液摻入量3%，泡沫注入率為40%～50%。

2)采用“半倉土+半倉氣”掘進模式。采用泡沫注入系統往土倉內注入壓縮空氣，土倉內存土量控制在1/2土倉容積，通過控制壓縮空氣注入量、螺機出渣量確保土倉上部土壓。

采用該模式掘進時，必須加大同步注漿量，防止漿液返入砂漿罐內。長時間停機前，盾構掘進時應逐步減少土倉內壓縮空氣注入量，確保長時間停機期間土倉內保持滿倉土。

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