淺談高滲透性砂層中的泥膜制作施工技術(shù)

摘要：廣東地質(zhì)主要為河海沉積軟弱層、沖洪積層、風(fēng)化殘積土、沉積巖、高強(qiáng)度巖漿巖、地質(zhì)斷裂帶等。在高滲透性砂層中施工，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)刀具磨損嚴(yán)重，通常無(wú)法進(jìn)行常壓開(kāi)艙，往往需要進(jìn)行泥膜氣壓開(kāi)艙，而泥膜質(zhì)量直接關(guān)系到土艙的密閉性。本文主要依據(jù)莞惠城際軌道交通工程GZH-12標(biāo)工程實(shí)際，闡述了通過(guò)對(duì)砂層滲透性進(jìn)行改良、高壓反復(fù)制造泥膜等措施，可有效解決在高滲透性地層中氣壓開(kāi)艙泥膜制造困難等一系列問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：泥膜制作；氣壓開(kāi)艙；砂層滲透性；土艙密閉性

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好或具備改良條件時(shí)，采用常壓開(kāi)艙即可達(dá)到更換刀具的目的；而在高滲透性砂層需先采用封閉止水帷幕阻隔地下水后再進(jìn)行地層加固，一方面需要大量資金和時(shí)間支持，另一方面也無(wú)法有效規(guī)避加固體裹住盾構(gòu)機(jī)筒體的巨大風(fēng)險(xiǎn)；采用傳統(tǒng)方法在高滲透性砂層中難以制作出優(yōu)質(zhì)的泥膜，使得開(kāi)艙不安定因素難以預(yù)知。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的泥膜制造主要適用于覆土淺、地下水壓小、滲透系數(shù)低的盾構(gòu)工程中，當(dāng)傳統(tǒng)泥膜制造工藝應(yīng)用于高滲透性砂層時(shí)，存在的難點(diǎn)有：

（1）泥漿中的顆粒容易在滲透系數(shù)大的砂層中長(zhǎng)距離滲透，掌子面難以形成優(yōu)質(zhì)泥膜；

（2）傳統(tǒng)的泥膜制造工藝難以形成較厚的泥膜，而薄泥膜極易被破壞；

（3）普通泥膜在高氣壓環(huán)境中，容易出現(xiàn)擊穿、龜裂等問(wèn)題而影響土艙密閉性。

二、高滲透性砂層中的泥膜制作施工技術(shù)

1、高滲透性砂層滲透系數(shù)改良技術(shù)

泥膜滲透面主要由盾構(gòu)機(jī)掌子面、筒體四周及成型管片外的地層面組成。對(duì)富水砂層的滲透系數(shù)改良主要采取兩項(xiàng)措施：

（1）聚氨酯隔離滲透面

在盾體上預(yù)留的注脂口往筒體四圍注入聚氨酯，聚氨酯水化后體積膨脹成具有一定彈性的聚合物，能夠有效填充筒體四周地層的空隙，并且膨脹力對(duì)周圍地層產(chǎn)生擠密效應(yīng)，進(jìn)而有效隔斷后方地下水滲透通道，為泥膜制作營(yíng)造有利環(huán)境。

盾體上一般沿環(huán)向方向預(yù)留注脂孔，為全面隔斷地下水通道，每個(gè)注脂孔均需注入聚氨酯以形成封閉的密封環(huán)。

（2）化學(xué)漿液改良砂層滲透性

單純依靠泥漿細(xì)小顆粒難以有效填充砂層空隙，可對(duì)砂層中的空隙進(jìn)行化學(xué)漿液的有效填充。

①化學(xué)漿液范圍

化學(xué)漿液的注入只在刀盤(pán)上方和前方距掌子面一定距離的范圍內(nèi)的立體空間內(nèi)進(jìn)行，與聚氨酯隔離體結(jié)合成一密閉空間。

②注漿孔布設(shè)

平面上布設(shè)間距為1m，以確?？着c孔之間能夠良好搭接成一個(gè)整體。

③注漿方式

化學(xué)漿液主要通過(guò)壓力作用擴(kuò)散，采用壓力式注漿可實(shí)現(xiàn)多次反復(fù)注漿和補(bǔ)強(qiáng)注漿，采用袖閥管注漿方式可實(shí)現(xiàn)重復(fù)注漿。

④漿液材料選擇

選擇能夠速凝的漿液——丙烯酰胺漿液，它是以有機(jī)化合物丙烯酰胺為主劑，配合其他藥劑制成的液體，其粘滯性與水接近，且凝結(jié)前基本維持不變，以水溶性狀態(tài)注入土中，發(fā)生聚合反應(yīng)后形成具有彈性的、不溶于水的聚合物。

在施工前，應(yīng)根據(jù)注漿管路和滲透路徑的長(zhǎng)短設(shè)定漿液膠凝時(shí)間，防止?jié){液過(guò)早凝固而堵塞管路或凝固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)被流動(dòng)的地下水稀釋、沖刷而影響效果。

⑤漿液的注入量控制

根據(jù)地層孔隙率確定地質(zhì)改良范圍V，漿液注入量?。?50%～200%）V，當(dāng)?shù)貙涌紫堵什幻?，注入量取?0%～30%）V。

2、遞變壓力下采用優(yōu)質(zhì)泥漿制造泥膜技術(shù)

制造泥膜時(shí)泥漿壓力應(yīng)高于外界水土壓力，可通過(guò)提高泥膜兩側(cè)壓力差，使泥漿恢復(fù)滲透作用，使泥膜增厚成為可能。

（1）泥漿質(zhì)量控制

泥膜制造要求使用高質(zhì)量泥漿，主要是指較大密度和粘度的泥漿，大密度泥漿中含有的顆粒較多，當(dāng)泥漿在壓力作用下向外界滲透時(shí)，更容易形成泥膜；而大粘度泥漿懸浮顆粒較多，可防止泥漿沉淀離析。要求泥漿密度>1.2g/cm3，粘度>30S（漏斗粘度），粘度分級(jí)控制，從30S～60S遞增。必要時(shí)在泥漿中加入雷膨（質(zhì)量比0.5%～1%）改善泥漿質(zhì)量。

（2）泥漿壓力遞變控制

一般情況下，初始制造泥膜壓力P為P0+20KPa，其中P0為外界水土壓力。

在大埋深（H≥2D，H為隧道埋深，D為盾構(gòu)機(jī)直徑）條件下，壓力梯度分5級(jí)遞增，每梯度壓力增加20KPa，保壓2h。在保壓過(guò)程中，需保證泥漿供給持續(xù)及壓力穩(wěn)定；在壓力遞增過(guò)程中，需加強(qiáng)地面監(jiān)測(cè)，防止壓力過(guò)大擊穿地層或造成地表隆起。

3、反復(fù)氣-漿置換制造泥膜技術(shù)

在高滲透性砂層中進(jìn)行氣壓開(kāi)艙，要求泥膜厚度≥30mm以抵擋高氣壓，單次泥漿壓力式制造的泥膜達(dá)到一定厚度后，需采取氣-漿反復(fù)置換的方法加厚加強(qiáng)泥膜。

氣-漿反復(fù)置換造泥膜原理：泥膜達(dá)到一定厚度后，改用氣壓替代泥漿。在氣壓作用下，泥膜中的水分和地下水不斷被擠走，泥膜失水一方面使地層處于一種類固結(jié)狀態(tài)，另一方面形成新的滲透通道，然后再次加入泥漿，泥漿沿新的滲透通道繼續(xù)滲透，在反復(fù)多次氣-漿置換后，最終達(dá)到加厚泥膜的目的。

（1）氣壓設(shè)置

采用壓縮空氣置換泥漿前，先將土艙內(nèi)泥漿壓力緩慢降至初始泥漿壓力（泥漿供應(yīng)不間斷），然后采用同等壓力的氣壓置換艙內(nèi)泥漿，置換完成后，把艙內(nèi)氣壓緩慢提升20～30 KPa。

（2）置換頻率

置換頻率根據(jù)漏氣情況確定，漏氣量隨時(shí)間成正比，當(dāng)Q漏氣量>40m3/h時(shí)（根據(jù)供氣流量計(jì)算），采用泥漿置換壓縮空氣造泥膜；Q漏氣量≤40m3/h時(shí)，在4h內(nèi)采用泥漿置換壓縮空氣造泥膜。

（3）穩(wěn)定氣壓

在氣壓置換泥漿及氣壓保壓過(guò)程中，需確保氣壓穩(wěn)定（波動(dòng)控制在±10 KPa），可通過(guò)氣壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制或設(shè)備自帶的操艙系統(tǒng)人工控制。

4、泥膜修復(fù)技術(shù)

三、技術(shù)創(chuàng)新

（1）通過(guò)往砂層中注入化學(xué)漿液、在盾體周圍注入聚氨酯等多項(xiàng)技術(shù)措施，可有效降低高滲透性砂層滲透性；

（2）制造泥膜時(shí)通過(guò)壓力遞變，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)滲透通道的封堵，增加單次制造泥膜厚度；

（3）通過(guò)泥漿-壓縮空氣的多次反復(fù)置換及泥膜制造，可使泥膜在固結(jié)狀態(tài)下不斷增厚，從而制造大厚度優(yōu)質(zhì)泥膜；

（4）通過(guò)制定泥膜修復(fù)準(zhǔn)則，定時(shí)修復(fù)泥膜，可確保泥膜的完好性；

（5）通過(guò)對(duì)砂層滲透系數(shù)的分析，選擇不同的技術(shù)組合形式達(dá)到采用最低成本制造優(yōu)質(zhì)泥膜的目的。

四、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)周密的施工準(zhǔn)備和科學(xué)合理的現(xiàn)場(chǎng)組織，GZH-12標(biāo)采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在高滲透性砂層中制造出優(yōu)質(zhì)泥膜的目標(biāo)，解決了盾構(gòu)機(jī)在高滲透性砂層中開(kāi)艙換刀的被動(dòng)性。該技術(shù)具有施工方便、效果可靠、節(jié)約成本、縮短工期等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代城市建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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