上軟下硬富水復合地層水泥砂漿護壁保壓換刀技術應用

何昌連，潘淡濃

（宏潤建設集團股份有限公司，上海市 200235）

0 引言

隨著城市軌道交通快速發展，盾構隧道面臨的地質條件及施工環境越來越復雜，不僅會遇到軟弱土層、硬巖層、上軟下硬復合地層等復雜地質，還有穿越江河、建筑群樁、橋樁等特殊工況。盾構刀盤在硬巖地層中掘進極易受損，而在復合地層中除磨損外還常伴隨“泥餅”現象，致使盾構推力、扭矩等參數異常，給盾構掘進帶來極大阻礙，因此必須開倉進行換刀與除泥餅作業。常用的開倉方式有常壓開倉和氣壓開倉兩種，其中前者適用于掌子面自穩性強、含水量低等條件，后者適用于地質條件復雜、掌子面自穩性差、含水量高、滲透系數大等條件。

本文以南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區間穿越玄武湖為例，著重介紹盾構機所處湖底粉質黏土、粉質黏土夾卵礫石、強風化角巖化泥巖等上軟下硬、自穩性差、透水性強的惡劣工況下，如何實施水泥砂漿護壁輔助氣壓換刀技術。

1 工程概況

南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區間為雙線隧道，左線里程K18+203～K20+879約2 226環，右線里程K18+208～K20+892約2 223環，隧道外徑6.2 m（見圖1）。區間平面最小曲線半徑為R=350 m，縱斷面設計為V形坡，最大縱坡28.495‰，隧道埋深為9.2～34.2 m（中間風井處埋深最大）。區間隧道設中間風井1座（與2#聯絡通道合建）、聯絡通道4座。其中右線里程K19+290～K20+340下穿玄武湖，水深一般為1.3～1.7 m，湖底標高一般為8.33～9.0 m，右線里程K19+370～K19+400穿越已建九華山公路隧道，隧道底標高約0 m，抗拔樁長約20 m，樁底標高約-20 m。

2 工程地質水文條件

新莊站—雞鳴寺站區間隧道過中間風井后盾構主要處于玄武湖底硬巖段地層掘進，該區域隧道掌子面主要為T2h-2j強風化角巖化泥巖、T2h-3j中風化角巖化泥巖、δu-3中風化閃長巖地層，該巖層呈紅色砂土狀，自穩性差且遇水易軟化；隧道頂部1.5 m范圍為③-4e1混合土層，該土層以粉質黏土夾卵礫石為主，含微承壓水，透水性強、穩定性差；隧道頂部1.5～2.5 m范圍為③-4b1-2粉質黏土層，該層為軟弱土層，自穩性差、透水性強（見圖2）。

圖1 新莊站—雞鳴寺站區間線路平面

圖2 新莊站—雞鳴寺站區間地質剖面

巖、土層分布變化大，強度軟硬不均，閃長巖和角巖化泥巖分布無規律，巖石強度差異性大，部分強度甚至達到100 MPa以上。巖層中飽含基巖裂隙水，軟弱土層中含微承壓水，地下水豐富。

3 盾構選型與刀盤配置

圖3 盾構刀盤結構

4 換刀施工籌劃

4.1 合理選擇開倉位置

盾構機自中間風井始發后進入長距離硬巖段地層掘進，并于961～988環穿越九華山隧道，為避免換刀施工對九華山隧道運營造成干擾，決定待穿越九華山隧道后進行開倉換刀作業。根據施工記錄反映，硬巖段盾構掘進速度達到15 mm/min，盾構機掘進至1 030環時，掘進速度降至3 mm/min，經判斷刀具磨損嚴重（見圖4），不宜繼續掘進，遂準備停機換刀。

圖4 刀具磨損

4.2 換刀風險分析

玄武湖水系龐大，湖底所處地層為粉質黏土、粉質黏土夾卵礫石、強風化角巖化泥巖等，自穩性差、透水性強。若湖底開倉換刀期間，出現掌子面土體坍塌或氣壓泄漏等狀況，導致湖水回灌現象，則將帶來無法挽回的后果，社會影響十分嚴重。

4.3 保壓方案選擇

（1）采用常規氣壓換刀[1]，基本上無法保住氣壓。

（2）若采用膨潤土泥膜護壁保壓換刀[2]，由于該地層中地下水豐富，泥膜及掌子面土體易被水流沖刷、剝落，導致掌子面失穩，因此也不適用。

（3）若采用填倉法換刀[3]，則耗時太久，因此也不適用。

綜上所述，為確保換刀作業安全可靠、風險可控，經研究決定采用水泥砂漿護壁技術進行保壓換刀施工。

5 水泥砂漿護壁保壓換刀

5.1 施工工藝流程

水泥砂漿護壁保壓換刀施工工藝流程如圖5所示。

圖5 施工工藝流程

5.2 施工準備

5.2.1 換刀氣壓設定

根據實際掘進情況擬定在1 037環停機，由朗肯土壓力理論可得該環靜止土壓力為0.238 MPa，而盾構近期實際掘進平衡土壓力為0.25 MPa，且未出現欠挖、超挖等現象，因此換刀氣壓暫定為0.25 MPa，并根據最終保壓試驗結果進行微調。

5.2.2 技術準備

盾構掘進至1 031～1 036環時，保持土倉內平衡土壓力為0.25 MPa；待掘進至1 037環停機時，將土倉壓力穩定在0.3 MPa，并將刀盤伸縮行程調整為12 cm。

5.2.3 材料設備準備

地面上配備2臺75 kW電動空壓機和1臺柴油空壓機（備用）以供氣。氣體經空氣過濾系統處理后，通過氣體輸送管路接入SAMSON盾構保壓系統。此外由盾構車架上的空壓機另接一條備用輸氣管路接入SAMSON系統，以防地面設備故障或管路損壞等原因造成倉內氣壓不足，確保換刀施工安全（見圖6）。另需配備注漿材料（水泥、膨潤土等）、聚氨酯，以及換刀機具等材料設備。

圖6 盾構保壓系統總裝圖

5.3 注漿止水、閉氣

為封堵盾尾后方地下水以防其前竄至土倉內，并減少氣體泄漏通道，在盾尾、中盾等區域壓注漿液或聚氨酯。具體步驟如下：

（1）向盾尾后4～6環管片外部逐環壓注雙液漿以形成“環箍”，切斷盾尾后方地下水流竄通道。漿液配合比：水灰比為1.5，水泥漿與水玻璃體積比為3∶1。漿液初凝時間為25～45 s，水玻璃濃度為35Be'。

（2）向盾尾后1～3環管片外部壓注聚氨酯以形成“止水環”，有效隔水。

（3）通過盾構殼體預留徑向注漿孔向中盾外部壓注膨潤土漿液，注漿終壓控制在0.3 MPa，使膨潤土充滿盾殼與土體間空隙，防止氣體向盾尾后流竄，同時可避免盾體被置換土體的水泥漿固結。

5.4 螺旋機閘門密封性改良

盾構機長距離掘進時，螺旋機閘門極可能受到局部磨損破壞，氣體易從該處泄漏。因此可在閘門口處加裝一套DN300球閥，以增強其密封性。

5.5 土體置換

采用水泥砂漿置換土倉內土體[4]，在刀盤前端形成致密的水泥砂漿“護壁墻體”，能有效阻隔地下水并防止氣體泄漏。具體步驟如下：

（1）在土倉壓力墻上3、9點位置（鐘表位）連接注漿管路。

（2）分階段向土倉內注漿，置換土倉內渣土。

a.第一階段。刀盤縮回8 cm，保持土倉壓力在0.3～0.35 MPa進行置換注漿，間隔轉動刀盤（轉速為0.5 r/min）。堅持“等量替換、土壓不變”的原則，利用螺旋機出渣，一旦螺旋機攪出漿液立即停止第一階段注漿，注漿量控制為20 m3（見表1）。

表1 水泥漿液配合比

b.第二階段。保持土倉壓力在0.36～0.42 MPa進行置換注漿，間隔轉動刀盤（轉速為0.5 r/min）。適量出渣，注漿量控制為12 m3（見表1）。

5.6 土倉氣密性試驗

（1）土體置換完畢后觀察1 h，若無異常情況，在不轉動刀盤的情況下利用螺旋機出渣，將土倉上部壓力降低至0.25～0.27 MPa。

（2）關閉泡沫系統的液體球閥，利用泡沫系統的供氣管路向土倉內加氣，使土倉上部壓力保持在0.25～0.27 MPa。在不轉動刀盤的情況下繼續出渣，將倉內渣位降至土倉門底部球閥以下，使得SAMSON保壓系統能夠正常向土倉內補氣，出渣量控制在10～12 m3。

（3）設置SAMSON保壓系統補氣壓力為0.25MPa，觀察3 h，記錄過程中設備運行情況、地層密閉性、土壓力變化情況以及保壓系統工作情況。

（4）若無異常情況出現，則繼續出渣，將土倉內渣位降至2、10點位置（鐘表位）附近，出渣量控制為10 m3，繼續觀察1 h。

（5）若無異常情況出現，則安排操作人員壓氣進倉，并根據倉內實際情況將倉內渣位降至3～9點位置，出渣量控制為13～14 m3。

（6）若以上步驟均無異常情況出現，則進入保壓換刀作業工序。

5.7 保壓換刀作業

本文中主要介紹保壓換刀安全注意事項，具體工序從略。

（1）嚴格執行“三人一組進倉、組長進倉帶班、操倉人員及醫生24 h倉門值班”原則。倉外值班人員必須實時監控倉內作業人員身體狀況、掌子面情況等，若發現異常情況則立即關閉倉門減壓出倉。

（2）倉內水位上漲時，以保證倉內氣壓平衡為原則，打開土倉面板上相應位置的球閥進行排水，待有氣體泄漏時即刻關閉球閥。

（3）每組人員帶壓工作時間不宜超過2 h，減壓時間宜根據帶壓作業時長來控制。

6 施工效果

通過水泥砂漿護壁保壓換刀技術在南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區間隧道穿越玄武湖案例中的成功應用，共計換刀3次、換刀49把、換刀時長36 d，單次護壁時間為11～15 h（見表2），解決了在掌子面自穩性差、含水量豐富的復雜地層中難以安全換刀的課題，希望能為行業同仁在同類地層中實現盾構保壓換刀作業帶來幫助。

表2 水泥砂漿護壁保壓換刀工況統計

7 結語

本文以南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區間隧道為背景，通過對上軟下硬富水復合地層保壓換刀技術進行研究，總結了如下體會：

（1）水泥砂漿護壁保壓技術可在刀盤前端形成具有一定強度的水泥砂漿“護壁墻體”，基本杜絕了常規泥膜護壁下的掌子面土體失穩、氣壓泄露等不良現象，加固效果顯著，是可推薦選擇的保壓施工技術。

（2）水泥砂漿護壁保壓技術其總體可靠性要遠優于膨潤土泥膜護壁保壓技術，但弱于填倉法保壓技術。在上軟下硬富水復合地層中，一般選擇該技術實施換刀作業是可行的。

（3）今后可加強對水泥砂漿護壁墻體強度、抗滲性等指標的采集與梳理，可為信息化指導施工提供數據基礎。