南昌地區(qū)上軟下硬地層土壓平衡盾構帶壓開艙技術

彭旭紅

摘要：文章依托南昌地鐵1號線5標段盾構工程，針對該地區(qū)上軟下硬地層滲透性大、水量大和穩(wěn)定性差的特點，對帶壓開艙過程中掌子面的止水和穩(wěn)定性等關鍵問題的解決措施進行了總結，這對今后南昌地區(qū)的地鐵施工有重要的指導意義。

關鍵詞：上軟下硬地層；土壓平衡盾構；帶壓開艙

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）03-0116-02

1 概述

在盾構過程中，由于受到盾構掘進距離的增加和地質異常情況的影響，刀盤上的刀具可能會出現磨損或刀盤出現結泥餅等異常情況，這就不可避免需要開艙更換刀具或清除泥餅。在掌子面穩(wěn)定，地下水較小的情況下一般可以采用常壓開艙。而在掌子面穩(wěn)定性較差，地下水量較大的情況下則需要采用帶壓開艙。帶壓開艙作業(yè)存在很大的風險，容易造成掌子面失穩(wěn)和地表坍塌，特別是在城市鬧市區(qū)帶壓開艙作業(yè)，一旦失敗將帶來災難性的后果。目前國內外對帶壓開艙技術進行一定的研究。郭家慶總結了確保砂卵石地層自穩(wěn)性和提高砂卵石地層氣密性的帶壓進艙作業(yè)的技術要點和作業(yè)方法?？娭疑嗅槍FM上平衡盾構機的沒備情況，總結開艙前的準備作和帶壓開艙換刀作業(yè)的整個實施流程及相關技術要點。王海濤總結了無水砂卵石地層中帶壓開艙檢修刀具的施工技術。施筍總結了選擇加壓開艙技術的理由，提出加壓開艙的氣壓、泥膜和人員等為控制重點要素，并論述了加壓開艙的原理和工作流程。本文依托南昌地鐵1號線5標段盾構施工，對上軟下硬地層帶壓開艙施工技術進行了總結分析。

2 工程概況

南昌地鐵1號線5標段中山西路站～子固路站盾構區(qū)間上行線起止里程為SK13+016.072～SK13+681.556，上行線隧道長665.484m，區(qū)間下行線起止里程為XK13+016.072～XK13+681.553，下行線隧道長667.44m（含長鏈1.959m），全長1332.924m。區(qū)間共設置一處聯絡通道兼廢水泵房，中心里程為SK13+289.663和XK13+287.982。

根據勘察資料，盾構機停機處的地層類型從上至下依次是雜填土、粉質粘土、圓粒、粒砂、強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖。停機處盾構掌子面的地層為上軟下硬地層，上部為粒砂，下部為強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖。該處孔隙水主要為潛水，局部為承壓，主要賦存于沖積砂礫石層中，水位埋深6.5～8.14m；碎屑巖類裂隙、溶隙水主要賦存于破碎的粉砂質泥巖層中，滲透系數較小。從上可知：南昌地區(qū)上軟下硬地層的上部粒砂地層具有滲透性大、水量大和穩(wěn)定性的特點。

3 準備工作

帶壓進艙就是利用某種漿液封閉掌子面土體的孔隙和周邊的空隙，將盾構土艙形成一個密封的大容器，土艙內裝滿土體，保證大容器側壁的穩(wěn)定，但為了人能進人土艙工作，需排除一部分土體以提供操作的空間，這樣勢必造成側壁的土壓和水壓不平衡，通過補充氣壓來維持側壁的穩(wěn)定。

3.1 土艙壓力設定計算

本次開艙換刀地層為透水性地層，可采用水土分算，帶壓換刀氣壓可按下式計算：

P下限=k·max（γ·h，e1）

式中：

P下限—土艙氣壓設定值（kPa）

k—安全系數，一般K>1

γ水·h水—空艙底部水壓（刀盤中心位置）

e側—空艙底部土層側壓力

在盾構機停機處地下水位基本在隧道頂部6.0m。根據計算空艙底部水壓在0.9bar。在保證安全前提下，氣壓值越小越好。從以往施工經驗來看，由于開挖面地層脫水和較小的刀盤開口率，加之土層加固使其前方土體自穩(wěn)性提高，側土壓力可以不考慮，土艙中氣壓是均一的，膨潤土漿液的泥塞作用保證了較好的氣密性，氣壓在止水的同時也擋土，這也提高了開挖面土體前面的安全性。為保證進艙作業(yè)人員的人身安全，空氣壓力設定在1.7bar。

3.2 U型止水帷幕

為確保帶壓開艙的安全，采用地面靜壓注漿加固，注漿采用雙液漿，對盾構主機區(qū)域形成一個U型止水帷幕墻，防止在開挖過程中土體中水滲入開挖面造成坍塌。靜壓注漿加固U型止水帷幕墻大小為：橫向8m，縱向3.6m，共布置兩排，梅花形布置，布孔間距0.8m，根據我標段在八八區(qū)間靜壓注漿施工靜壓經驗，靜壓注漿擴散半徑一般為0.5～0.8m，所以土體固結體加固寬度能達到1.8～2.4m。（圖3）

3.3 渣土置換

采用漿液對土艙內渣土進行置換，在土艙前壁3、9點位向土艙內部注漿。共分兩個階段對土艙內渣土進行置換。

第一階段注漿：置換注漿時，邊注漿邊轉動螺旋出土，控制出土量，注漿過程堅持“等量替換、土壓不變”的原則。注漿過程中間隔轉動刀盤，用螺旋出土，一旦有漿液從螺旋出來則停止第一階段注漿。注漿量為18方，注漿壓力控制在3.5bar。

第二階段注漿：注漿過程中每30分鐘以0.5r/min轉速轉動刀盤10分鐘；根據注漿情況螺旋適量出土，注漿量為12方，土艙壓力控制在3.5bar～4.0bar左右。

置換完畢土體，觀察一個小時，開始利用螺旋出土，將土艙上部壓力（1號傳感器）降低到1.3～1.4bar（在不轉動刀盤的情況下）；關掉泡沫系統的液體球閥，只利用泡沫系統的供氣管路往土艙內加氣，將土艙上部壓力（1號傳感器）保證在1.3～1.4bar（在不轉動刀盤的情況下）；繼續(xù)出土，將土艙內的渣土出到土艙門下部球閥開始向外排氣的狀態(tài)，并且滿足保壓系統能夠正常往土艙內部補氣的位置，在此過程中，土艙壓力控制在1.3～1.4bar之間，出土量約為10方；保壓系統控制土艙壓力在1.4bar，并且保持1.4bar壓力下5小時，觀察在此過程中的地層盾構的密閉性、地層水量的大小和保壓系統的工作情況；在上個步驟的情況都良好的情況下，再將土艙內渣土出到2～10位置附近（出土量約為3方），并在觀察1小時是否有異常情況發(fā)生。

3.4 建立泥膜

通過膨潤土漿液稠度試驗確定膨潤土漿液的配比。帶壓換刀對膨潤土稠度的要求是40～120s，實際制拌的膨潤土稠度為90s，通過泥漿稠度儀進行測試。

加膨潤土過程中應該緩慢轉動刀盤并慢速掘進20cm，并開始通過刀盤前注入膨潤土漿液進行渣土改良，掘進速度控制在5～10mm/min，土艙壓力控制在2～2.5bar，使膨潤土充分進入刀盤周圍地層，形成氣壓保護膜。停機過程中，通過往掌子面注入膨潤土溶液，使土艙壓力維持在2～2.5bar。

停機后，向中盾徑向孔注膨潤土，注漿壓力保持在2～2.5bar，確保中盾、盾尾與土體的間隙之間填艙滿膨潤土，以保證土艙壓力穩(wěn)定、防止地層漏氣以及盾體不被水泥漿固結而導致盾構脫困困難。

3.5 氣密性試驗

試驗時不要求人員進入，只進行無人壓力試驗，以檢查主艙與輔助艙的各功能部件在試驗壓力下的工作情況。氣密性試驗按如下步驟進行：關閉主艙艙門和艙壁密封門，并關閉主艙與輔助艙之間的密封門，人閘值班員緩慢地打開進氣閥，提高主艙的壓力，均速加壓，根據帶壓工作減壓表設定速率，因為壓差太大會導致作業(yè)人員中耳鼓膜破裂。觀察主艙壓力表和進氣儀表的數值；打開排氣閥，開始排氣，為了作業(yè)安全，壓力不可以再次大幅度升高，再調節(jié)進氣閥和排氣閥，直到達到排氣過程所規(guī)定的緩慢而恒定的壓力降低速度，進氣流量計的流量值每人至少為0.5m?/min，以保證正常呼吸；觀察主艙壓力表，當主艙內部的氣壓降到第一級壓力值時，人閘值班員通過調節(jié)排氣閥和進氣閥，在規(guī)定的時間內保持壓力恒定。如此慢慢重復減壓，直到艙內壓力與外界的常壓相同；人閘值班員將加壓和減壓試驗過程中數據記錄在人閘記錄本上；

同樣地方法進行輔助艙的壓力試驗，在整個試驗過程中必須保證所有的過程都正常。

4 帶壓作業(yè)施工

4.1 帶壓進艙

工作人員進入輔助艙，關閉輔助艙艙門，輔助艙與人閘處通訊通過電話聯系，艙內人員使用電話保持與人閘值班員保持聯系，氣壓作業(yè)操作人員開始對人艙加壓，先將輔助艙氣壓從0緩慢加到0.3bar后，以適應艙內工作人員咽鼓管的調壓，暫定穩(wěn)壓5分鐘，如無異常情況后，再在10分鐘內（增壓流量控制為0.1bar/min）將氣壓加到設定的氣壓作業(yè)壓力值1.7bar。然后艙內控制人員通過開啟輔助艙與主艙之間的壓力平衡閥來消除兩艙之間的氣壓差，然后打開輔助艙與主艙之間密封門，人員進入主艙；開啟工作艙與主艙之間的壓力平衡閥，消除兩艙之間的氣壓差，用氣體檢測儀檢查土艙內氣體，確保無有害氣體后才能進艙作業(yè)。進艙作業(yè)注意不要破壞泥膜，如果破壞，應及時調泥漿修復；要經常觀察泥膜有無龜裂現象，如嚴重，要退出再次進行泥漿置換，形成泥膜。每組有效帶壓作業(yè)時間為3h左右。

4.2 減壓出艙

施工完成后，作業(yè)人員對土艙及刀盤前方進行全面的檢查，避免工具、雜物遺留在土艙內。確認后關閉所有預留送風口、排氣口、平衡閥及艙門，關閉情況由當班機械技術人員檢查，符合要求后再進行輔助艙降壓，撤離出壓力艙。

采用階段減壓法進行人員出艙減壓，整個過程分為減壓、穩(wěn)壓、減壓、穩(wěn)壓、減壓、穩(wěn)壓、減壓過程。減壓過程流量控制在0.05bar/min。具體減壓過程：1.7～1.3bar減壓過程用時5min，穩(wěn)壓25min；1.3～0.9bar減壓過程用時5min，穩(wěn)壓25min；0.9～0.5bar減壓過程用時5min，穩(wěn)壓25min；0.5～0.1bar減壓過程用時5min，穩(wěn)壓25min，然后人員出艙。

5 結語

基于南昌地區(qū)上軟下硬地層滲透性大、水量大和穩(wěn)定性差的特點，得出南昌地區(qū)帶壓開艙成功的2個關鍵點，一是控制掌子面的滲水；二是保證掌子面的穩(wěn)定性。針對上軟下硬地層滲透性大，地下水豐富的特點，采用U止水帷幕和降水井降水相結合的方式，對掌子面的滲水進行控制。在帶壓開艙過程中取得了較好的效果。為了保證開艙過程掌子面的穩(wěn)定性，土艙內的氣壓控制在1.7bar左右，并建立有效的泥膜防止土艙內氣體發(fā)生泄漏。此次成功的帶壓開艙經驗將為今后南昌地區(qū)地鐵施工有很重要的指導作用。

參考文獻

[1] 郭家慶，陳饋.成都地鐵砂卵石地層盾構帶壓進艙技術[J].隧道技術，2008，28（5）：586-588.

[2] 繆忠尚，黃雷.NFM盾構機帶壓開艙換技術[J].現代隧道技術，2012，40（2）：99-103.

[3] 王海濤，耿富林，郭彩霞.淺談無水砂卵石地層下土壓平衡盾構機常壓開艙施工[J].隧道與地下工程，2012，30（1）：95-97.

[4] 施筍.土壓平衡盾構在富含水砂層中加壓開艙技術[J].現代隧道技術，2013，50（1）：154-160.

[5] 馬云新.復合地層盾構施工中的壓氣開艙技術[J].建筑機械化，2010，31（6）：61-63.