基于緩凝凝膠漿液的盾構壓氣開倉技術研究與應用

梁嘉洛

廣州市盾建建設有限公司 廣東 廣州 510000

隨著城市交通建設的快速發展，地下隧道的建設日益增多，盾構技術作為一種先進的施工方法在其中扮演著重要角色。在盾構施工過程中，盾構機壓氣開倉技術是確保施工順利進行的關鍵環節之一。然而，盾構機壓氣開倉過程中存在一系列技術挑戰，如開挖面土體穩定性、倉內氣密性的提升等問題。為解決這些挑戰，研究人員開始關注并應用緩凝凝膠漿液作為一種有效輔助材料。本文旨在系統綜述基于緩凝凝膠漿液的盾構壓氣開倉技術，并探討其在隧道施工中的應用前景[1]。通過對該技術的深入研究和分析，將為提高盾構施工的效率和質量提供重要的理論和實踐指導。

1 盾構機壓氣開倉技術綜述

1.1 盾構機壓氣開倉原理

盾構機壓氣開倉，是指盾構停止掘進后，在開挖倉內氣壓高于大氣壓條件下，工程人員進人開挖倉施工作業。其原理是通過向人閘和開挖倉注入壓縮空氣，使開挖倉內氣壓提升至指定數值，以改變地層的應力分布及平衡開挖面外水土壓力，使開挖面保持穩定，保證開挖倉內人員作業安全，并減少土層的沉降和地面沉陷的風險。盾構機壓氣開倉原理的關鍵在于通過開倉作業前對盾構周邊地層進行處理等各種輔助工法，保證地層的穩定性和氣密性符合要求，確保開挖面的穩定性和施工安全。通過深入理解和研究盾構機壓氣開倉原理，可以優化施工參數和技術策略，提高施工效率和質量，為地下隧道建設提供可靠的技術支持。

1.2 盾構機壓氣開倉的挑戰

盾構機壓氣開倉作為地下隧道施工中的重要環節，面臨著一系列挑戰。氣密性的提升是實現高效壓氣開倉的關鍵因素。氣密性不足會導致氣體泄漏，倉內壓力驟降造成減壓病，危害倉內作業人員的生命安全。此外，開挖面的穩定性也是一個重要挑戰。盾構機壓氣開倉會引起地層變形和土體松動，如果開挖面的穩定性不得到有效控制，可能導致倉內及地層塌方[2]。同時，地下水和地下水位的變化也會對盾構機壓氣開倉造成挑戰，因為水的存在可能會影響氣體的擴散和壓實效果。在盾構機壓氣開倉中，需要綜合考慮氣密性提升、開挖面穩定性以及地下水的影響等多個方面的挑戰，并針對這些挑戰提出相應的解決方案和技術措施，以確保盾構機壓氣開倉的安全、高效和可靠性。

1.3 現有的盾構機壓氣開倉輔助方法

為應對盾構機壓氣開倉中的挑戰，研究人員提出了多種輔助方法來提高施工效率和質量。一種常見的方法是往開挖倉注入惰性漿液后，注入壓縮空氣進行漿氣置換，使開挖面形成一層致密泥膜保證倉內氣密性，通過調整壓縮空氣流量流量，保證倉內壓力穩定[3]。此外，采用超前孔注漿預加固，提升開挖面上方土體強度及氣密性，從而提高盾構壓氣開倉的效果也是一種常見方法。另一種方法是往開挖面土體地層注入凝膠化學漿液，以封堵地下水流動通道，增加開挖面土體氣密性，提高盾構機壓氣開倉的成功率。此外，應用先進的監測技術，如應變傳感器和地下水位監測系統，能夠實時監測地層變化和水文條件，為盾構機壓氣開倉提供可靠的數據支持。

1.4 緩凝凝膠漿液在盾構機壓氣開倉中的應用

緩凝凝膠漿液作為一種新型的輔助材料，在盾構機壓氣開倉中具有廣泛的應用前景。其應用主要體現在幾個方面。首先，緩凝凝膠漿液可調控土體的凝膠時間，通過選擇適當的緩凝劑和添加量，可使凝膠時間延長或縮短，從而滿足不同地層條件下的施工需求。其次，緩凝凝膠漿液還能改善土體的流變性能，在盾構機壓氣開倉過程中漿液均勻的凝膠層，有效填充地層裂隙，增加地層的整體穩定性，減小土體的滲透性，從而提高氣密性和防止氣體泄漏[4]。此外，通過添加緩凝劑來調控化學凝膠漿液的凝膠時間和流變性，結合超前注漿孔設計和布置，可以擴大土體改善范圍，提高盾構機壓氣開倉的成功率。緩凝凝膠漿液在盾構機壓氣開倉中的應用具有多方面的優勢和潛在效益，為提高施工效率、保障工程安全和質量提供了一種可行的技術方案和工程實踐。

2 緩凝凝膠漿液的性質與調控

2.1 磷酸水玻璃漿液的基本性質

磷酸水玻璃漿液作為一種常用的凝膠漿液，在盾構機壓氣開倉中具有實用性。磷酸水玻璃漿液具有優異的硬化性能和流變性能。通過調節漿液中磷酸和水玻璃的比例，可以控制其硬化時間和黏度，以滿足不同施工條件下的需要。磷酸水玻璃漿液具有良好的粘聚性和黏結性，能夠增加土體的黏結力和粘聚力，提高開挖面的穩定性和抗裂性。此外，磷酸水玻璃漿液還表現出較好的滲透性，能夠滲透入地層裂隙中并形成凝膠層，從而增加地層的整體穩定性。同時，磷酸水玻璃漿液還具有一定的耐水性和耐化學腐蝕性，能夠在地下水環境中長期穩定存在。

2.2 漿液參數對凝膠時間的影響

增加磷酸水玻璃的濃度可以縮短凝膠時間，反之降低磷酸水玻璃的濃度可以延緩凝膠時間，然而過度調節漿液濃度會導致漿液凝膠性能不滿足改良土體氣密性和滲透性的要求。因此，需要加入緩凝劑以延長漿液的凝膠時間。經查閱相關資料，磷酸水玻璃漿液的凝膠時間主要受氣溫和pH值影響。一般情況下，升高溫度可以加快凝膠反應速度，縮短凝膠時間，而降低溫度則會延長凝膠時間。在一定范圍內，較高的pH值可以加速凝膠反應，而較低的pH值則會延緩凝膠時間。

2.3 緩凝劑的選擇與添加量控制

緩凝劑的選擇和摻入量控制對于磷酸水玻璃漿液的性能和盾構機壓氣開倉的效果至關重要。在選擇緩凝劑時，需要考慮多個因素，包括漿液pH值、土體類型、地層條件、施工環境、氣溫等。不同的緩凝劑具有不同的化學成分和作用機理，如無機鹽、硅酸鹽、聚合物等，可通過與磷酸鹽反應來控制漿液的凝膠時間和流變性。在摻入量控制方面，需要根據具體施工需求和實驗結果進行優化，確保漿液的穩定性和可控性。過高或過低的緩凝劑添加量都會對漿液的性能產生不利影響。此外，添加量還受到其他因素的影響，如漿液濃度、漿液混合比例等，需要進行合理調整。圖1展示了磷酸水玻璃配合比凝膠試驗流程圖。在室內溫度30℃的條件下，通過按不同稀釋比例稀釋磷酸和水玻璃，然后等體積混合，并加入不同劑量的緩凝劑，成功試驗出能將磷酸水玻璃漿液凝膠時間控制在60～100秒左右的漿液配合比。通過合理選擇緩凝劑和嚴格控制添加量，可以實現漿液的凝膠時間、黏度和穩定性的精確調控，以滿足盾構機壓氣開倉的施工要求。

圖1 磷酸水玻璃配合比凝膠試驗流程圖

3 緩凝凝膠漿液的盾構壓氣開倉技術方法

3.1 盾構機超前注漿孔設計與布置

在設計方面，需要考慮地層的物理性質、裂隙狀況以及地下水位等因素。合理布置的超前注漿孔設計可以確保漿液充分滲透到地層中，形成穩定的凝膠帶，并增強地層的氣密性。布置方面，超前注漿孔應根據盾構機的工作面、土壓力分布以及土體變形情況進行合理布置，以實現對地層的均勻加固和穩定支護[5]。合適的孔距可以提供足夠的注漿空間和壓力，確保漿液充分填充和浸透，從而形成連續的凝膠帶和穩定的土體結構。此外，超前注漿孔的布置應與其他施工參數相協調，如盾構機埋深、注漿壓力和注漿劑的流量等，以保證施工過程的安全性和高效性。

3.2 微調漿液凝膠時間的方法

在實踐中，存在多種方法可以實現凝膠時間的調整。其中，磷酸水玻璃混合漿液的pH值是影響凝膠時間的重要因素。調節漿液的pH值也可以對凝膠時間產生影響。在一定范圍內，增加pH值可以加速凝膠反應，從而縮短凝膠時間，而降低pH值則會延緩凝膠時間。磷酸屬于中強酸，溶液呈酸性，水玻璃溶液呈堿性，兩種材料按不同比例稀釋，然后等體積混合，pH值變化較大。若通過分別調整兩種漿液濃度來控制凝膠時間，會對凝膠狀態有較大的影響，且凝膠時間難以微調。

以調節漿液pH值為目的的緩凝劑選擇上，碳酸氫鈉溶液呈堿性，可起到調節磷酸水玻璃漿液pH值的作用，且對磷酸水玻璃反應生成的凝膠體狀態無影響。同時，碳酸氫鈉成本低，易采購，碳碳酸氫鈉粉末容易運輸和儲存。故本技術研究定以碳酸氫鈉作為緩凝劑，摻入磷酸稀釋液。分別以磷酸稀釋比例，水玻璃稀釋比例，以及碳酸氫鈉摻入量為變量，通過室內試驗，研究出能適當延長凝膠時間的漿液配比。最終得出1:4水玻璃稀釋液（原液41°Bé）和1:30磷酸稀釋液（原液濃度85%），并在磷酸稀釋液中摻入質量1%的碳酸氫鈉粉末，等體積混合后漿液凝膠時間在88～105秒之間，滿足預設要求。

需要注意的是，這些微調方法需要在實驗室條件下進行試驗驗證，并結合具體工程要求進行優化。在實際應用中應根據具體情況進行綜合考慮和合理調整，以確保凝膠時間的精確控制和穩定性，提高盾構機壓氣開倉的施工效率和質量。

3.3 漿液擴散范圍的增大與氣密性提升

在漿液擴散范圍方面，由于緩凝凝膠漿液的擴散性大于普通凝膠漿液，注漿擴散范圍可控，故可以通過合理布置注漿孔的數量，減少施工時間，提升開倉效率。合理的孔距設計可以提供足夠的注漿空間和壓力，使漿液能夠充分填充目標區域，實現擴散范圍可控，節約成本。此外，采用合適的注漿方法和注漿參數，如注漿壓力、注漿速度和注漿劑的流量等，也可以促進漿液在地層中的均勻分布和擴散。在氣密性方面，凝膠漿液在地層有效擴散形成較為密實的凝膠帶，從而提高地層的氣密性。此外，通過其他密封措施，如盾構機盾尾管片注漿施做止水，盾構機徑向孔填充等，可以減少氣體泄漏和滲透，進一步提升工作區域的氣密性。

3.4 盾構機壓氣開倉成功率的提升

盾構機壓氣開倉的成功關鍵在于倉內的氣密性，合理的注漿參數以及倉內壓力參數選擇對成功開倉至關重要[6]。嚴格控制注漿劑的配比和注漿參數，以確保漿液的流動性和穩定性。適宜的注漿壓力和流量可以提供足夠的注漿能力，確保凝膠帶的形成，封堵土層中的漏氣通道和來水通道，提升倉內密封性。此外，對盾構機的維護和保養也是提高成功率的關鍵。定期檢查和維修盾構機的關鍵部件，尤其是空壓機及自動保壓系統，保證其在開倉過程中持續正常運行，保持倉內壓力穩定，確保倉內作業人員安全。

4 應用領域與前景展望

4.1 基于緩凝凝膠漿液的盾構機壓氣開倉技術的應用范圍

盾構機壓氣開倉技術作為一種高效、安全的地下工程施工方法，在地鐵、電力、水利和管廊工程等領域具有廣泛的應用[7]。凡是在復雜地層下采用盾構法施工的隧道，經常出現盾構機刀具損壞、倉內結泥餅，或遇到障礙物等情況，需要在復雜地層下壓氣開倉作業。該技術能提高盾構機在復雜地層條件下壓氣開倉成功率，實現降本增效，在盾構法隧道領域的應用范圍廣泛，能夠滿足不同工程的需求，提高工程施工效率，降低施工風險。在具體的應用中，仍需結合工程的地質特征、水文條件和環境要求等因素，進行合理設計和施工控制，以確保盾構機壓氣開倉技術的順利應用和工程的安全可靠。

4.2 經濟與社會效益分析

基于緩凝凝膠漿液的盾構機壓氣開倉技術的應用不僅在工程施工方面帶來顯著的經濟效益，同時也對社會產生積極影響。從經濟角度來看，通過緩凝凝膠漿液輔助盾構機壓氣開倉技術可以提高工程施工的效率和速度，縮短工期，降低工程成本，提高經濟效益。在社會方面，該技術的應用可以提升城市地下空間建設效率，提升了城市形象和功能，促進了經濟增長和社會進步。

5 結語

基于緩凝凝膠漿液的盾構壓氣開倉技術具有重要的應用價值和發展前景。該技術在提高開倉成功率、增強壓氣開倉作業安全性、縮短工期、降低成本等方面展現了巨大潛力。然而仍需進一步研究和探索，包括漿液配方優化、施工參數調控、工程實踐經驗總結等方面，以推動該技術在地下工程領域的廣泛應用。同時，還需注重環境保護和社會可持續發展，充分考慮工程與環境的協調，為人們創造更美好的城市生活環境。未來的研究和實踐將進一步完善基于緩凝凝膠漿液的盾構機壓氣開倉技術，促進地下工程領域的創新和發展。