在上軟下硬地層條件下帶壓開倉施工技術研究與應用

李春杰

摘? 要：文章以廈門市軌道交通2號線二期工程某區間土壓平衡盾構在上軟下硬（上部為凝灰熔巖殘積黏性土，下部為微風化凝灰熔巖）的地層施工中遇到盾構推力、刀盤扭矩、出渣溫度等參數出現明顯增大且刀盤頻繁卡死等情況，為保證工程的安全順利進行，采用帶壓開倉技術進倉更換刀具及清理障礙物，實施效果良好，可為同類工程提供相關經驗。

關鍵詞：WSS注漿;泥膜建立;保壓試驗;壓力設定

中圖分類號：U455.4 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0128-03

1 概述

隨著城市地鐵興建，盾構機的應用范圍越來越廣泛，尤其是在軟硬不均地層掘進施工時，盾構易出現推力大、刀盤扭矩異常、渣溫異常等情況，易造成刀具偏磨損壞，使施工安全風險加大。因此，及時開倉檢查更換刀具是降低盾構施工的關鍵舉措。廈門軌道交通2號線某區間全長1143.350m，采用土壓平衡盾構法施工，開挖直徑6.48m，盾構在掘進至400環位置處存在基巖凸起，導致刀盤刀具磨損嚴重，需進行帶壓進倉進行刀具檢查及更換。

2 工程概述

盾構停機開倉位置隧頂覆土深度約14.4m，該處地質情況由上至下分布主要為<1-2>素填土、<8-1-2>粉質粘土，隧道通過的地層主要為<11-3>凝灰熔巖殘疾粘性土、<12-1>全風化凝灰熔巖、<12-2>散體狀強風化凝灰熔巖、<12-5>微風化凝灰熔巖，為典型的上軟下硬的復合地層。

由于基巖凸起段地處馬鑾灣片區，原上覆地表為魚塘蝦塘等水產養殖區，地下水豐富，供給量充沛，地下水位埋深1.1～2.8m，區間砂層分布的承壓水其承壓性明顯，承壓水頭較高。

3 施工特點

在上軟下硬的地層中帶壓開倉施工保壓措施采用“WSS注漿加固+膨潤土建泥膜”的方式，其特點如下：

（1）地面注漿加固采用WSS工法實施，WSS工法采用AB液（水玻璃和磷酸）和AC液（水玻璃和水泥漿）兩種漿液對地層加固止水處理。

（2）AB液具有良好的止水性，能夠調節固化時間，漿液固化后不收縮、對地下水無污染，是一種綠色環保材料。

（3）AC液具有強度高的特點，同時也能夠調節凝固時間，有效控制地層沉降。

（4）泥膜的建立，泥膜采用鈉級膨潤土配置，要求漏斗粘度達到60～80s，主要為了保證帶壓開倉時土倉的密封效果。

4 施工原理

盾構停機后，首先對盾構前盾、中盾、盾尾及土倉注入膨潤土，主要起到防止注漿加固時抱死問題。其次，施工止水環，起到盾尾隔水作用，保證土倉內無水涌入，同時對盾體前方及上部的土體進行WSS地面注漿加固，達到穩定地層的目的;最后，通過泥膜建立、土倉密封檢查及保壓系統調式等，滿足規范驗收后，才能進倉作業。帶壓進倉施工工藝流程如圖2所示。

5 施工控制要點

5.1 盾尾止水環施工

在施作止水環時，應從盾尾后3～6環進行二次注漿雙液封堵，保證漿液充分與管片包裹，防止帶壓開倉過程中地下水涌入，同時也防止在保壓過程中氣壓從盾尾泄漏影響保壓效果。

（1）注漿前，用同步注漿管路向盾尾后方注入比較粘稠的膨潤土，保護注漿管路和盾尾。

（2）從盾尾第3環向第6環開始連續注漿，共計4環。主要通過管片吊裝孔注入雙液漿，雙液漿配合比例為：水玻璃：水=1：2（體積比），水泥：水=1：1（質量比），水泥漿：水玻璃=1：1（體積比）。注漿完成后，在相應的管片上開孔檢查密封效果，無明顯流水為合格。

（3）注漿過程中，以注漿壓力為主，注漿量為輔的原則，壓力控制在0.2～0.35MPa，同時注意觀察土倉壓力變化防止漿液竄入土倉。如果有變化應當停止注漿，并適當轉動刀盤，防止固結刀盤。

5.2 WSS注漿加固

WSS注漿加固范圍為盾構刀盤切口環前3m以及切口環后2m，加固深度為隧道下3m，在盾構體范圍內的為盾體上2m，注漿孔采用1.5m梅花形布設。

5.4 泥膜建立

土倉泥膜由鈉基膨潤土和水絆制的高粘度泥漿形成，通過盾構拌漿罐由注漿泵注入土倉，泥膜泥漿每立方米配合比為80～100kg（膨潤土）：10kg（水），粘稠度控制在60～80s，泥漿比重控制在1.1～1.15之間，泥漿注入量控制在約24m3左右。具體操作步驟如下：

（1）通過螺旋機出土將倉內土方高度降至盾構機中心軸線位置。制作泥膜前，鉸接長度宜伸長50～80mm，有助于撤銷盾構頂力后換刀作業。

（2）通過1#加泥加水管向土倉頂部注入膨潤土漿液，當土倉頂部壓力大于2.0bar的時候，開始進行渣土置換，過程中如果倉內壓力過高，加大出土，持續注入膨潤土。控制土倉頂部壓力在2.0bar左右，此過程盡量少轉動刀盤，如遇出土不暢，短時間低速轉動刀盤（轉速0.2-0.4）。

（3）渣土置換完成后，關閉螺旋機閘門，進行1-2小時的保壓，頂部壓力2.0bar以上。

（4）準備好第二批膨潤土溶液，開啟螺旋機閘門，完成第二次渣土置換;頂部土壓力維持在1.4-1.5bar，持續觀察2h，頂部土壓力低于1.4bar，需補充注入膨潤土，第二階段排土與第一階段排土總量控制在2/3土倉容量左右，即22m3左右，等壓力穩定之后，靜待6-12h，使膨潤土充分進入掌子面及周邊地層，形成密封泥膜，施工中盡量將膨潤土滲入到土層中，采用壓力差的方式增加膨潤土的滲透量。

（5）打開排氣口球閥，進行疏通，確保暢通無泥土，然后接入平衡閥氣管，并設定保壓控制柜壓力值為1.4bar，保壓2h，如果地面隆沉在5～-10mm以內，無泄氣冒泡現象，氣壓穩定且變幅不超過0.05bar時，則證明泥膜氣密性良好。

圖4 泥膜形成現場照片5.5 設備保障措施

在帶壓開倉前應對開倉所涉及的設備進行全面排查，確保設備在開倉作業過程中正常運轉。

（1）全面清潔人倉，檢查倉門的密封情況：清潔密封接觸面，確保倉門密封效果，檢查刀盤操作箱操作是否正常;檢查測試防爆電話是否能使用;檢查壓力表安全閥、壓力記錄儀、空氣流量計、加熱器、照明燈等設備是否正常，壓力表、安全閥需由有資質的檢測單位進行鑒定，壓力記錄儀做功能性檢測。

（2）全面調試土倉自動保壓（samson）系統，確保管路通暢、系統正常工作，盾構自帶2套保壓系統，應分別檢查調試，根據預定的開倉土壓進行調試，確定壓力變送器安全可靠，確保2套系統工作正常。需對盾構配置的空壓機，包括濾芯、油位、排氣閥、油氣分離器、三聯件等進行全面檢測，檢測供氣系統中的空氣凈化器、過濾器，檢測空壓機儀表及控制元件，保證空氣供應正常。

（3）配備滿足施工要求的備用空壓機及備用電源在壓氣作業期間，必須保證電力不中斷，盾構機絕不允許出現跳電的情況。

5.6 帶壓開倉實施

（1）進倉前準備工作

進倉之前，再一次檢查儀表、供氣、排氣、通訊、照明、保壓、溫度計、緊急電話及閥門、倉門密封是否干凈;再一次檢查作業所需工具設備材料是否齊備地放置在倉內。

（2）保壓試驗

a.為防止保壓系統進氣管路堵塞，把進氣孔改至土倉壁板最高點的，土倉第一次排渣容積為1.505m3，離土倉頂部大約60cm位置，并保證上部管路暢通，土倉壓力維持在1.4bar。

b.第二次排渣將膨潤土液位降到土倉人閘門及保壓系統進氣孔以下位置（2點-10點位置），并保證上部土壓計全部漏出來，保壓系統壓力設置為1.4bar，往土倉加氣，土壓維持在1.4bar，3h后觀察土倉壓力變化及保壓系統及空壓機運轉情況，通過實驗數據顯示證明自動保壓系統運行良好，土倉壓力沒有大的波動，滿足規范要求，可以進行下一步進倉。

（3）工作人員進入副倉，關閉副倉倉門，使用電話與人閘值班員保持聯系，依照主倉加壓程序達到副倉的壓力平衡。

（4）開啟保護倉與主倉之間的壓力平衡閥，消除兩倉之間的氣壓差，用氣體檢測儀檢查土倉內氣體，確保無有害氣體后才能進倉作業。

（5）進倉：擰松土倉門鎖緊裝置，先開一條縫，再緩慢開啟，防止土倉內泥漿或渣土突然涌入人倉。

（6）進入土倉。打開土倉門后，先站在門口觀察土倉內液位及掌子面穩定性，確保掌子面無塌落及漏水情況，人員進入土倉，開始相關作業。

（7）減壓出倉工作

檢查所用工具保證所有工具帶出土倉，人員全部進入人倉后，土倉和氣倉之間的土倉門關閉，土倉和氣倉的連通閥關閉，氣倉和人倉之間的氣倉門關閉，嚴格按照減壓方案進行減壓。

5.7 恢復掘進

換刀工作結束后，待人員與設備撤出土倉和人閘后，啟動刀盤，恢復掘進（暫時不出土），為確保前部掌子面的穩定性，恢復掘進時，必須采用回填土的方式來實現土壓代替氣壓。

6 結束語

土壓平衡盾構在上軟下硬的復合地層中帶壓進倉的技術要求較高，風險難度較大，其中土倉掌子面泥膜的建立及土倉壓力的設定與計算是盾構帶壓開倉施工成功的關鍵。廈門軌道交通2號線某區間盾構在上軟下硬的復合地層中成功完成帶壓開倉施工，并取得了良好的效果，為今后類似工程提供了參考和經驗，降低土壓平衡盾構在復雜地質情況下帶壓開倉施工的風險。

參考文獻：

[1]曹金鼎，劉曉正，龐林.泥水平衡盾構機帶壓開艙施工技術研究與應用[A].2018中國盾構工程技術學術研討會論文集[C].2018：

189-195.