淺談高滲透性砂層中的泥膜制作施工技術

摘要：廣東地質主要為河海沉積軟弱層、沖洪積層、風化殘積土、沉積巖、高強度巖漿巖、地質斷裂帶等。在高滲透性砂層中施工，盾構機刀盤刀具磨損嚴重，通常無法進行常壓開艙，往往需要進行泥膜氣壓開艙，而泥膜質量直接關系到土艙的密閉性。本文主要依據莞惠城際軌道交通工程GZH-12標工程實際，闡述了通過對砂層滲透性進行改良、高壓反復制造泥膜等措施，可有效解決在高滲透性地層中氣壓開艙泥膜制造困難等一系列問題。

關鍵詞：泥膜制作；氣壓開艙；砂層滲透性；土艙密閉性

當地質條件較好或具備改良條件時，采用常壓開艙即可達到更換刀具的目的；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行地層加固，一方面需要大量資金和時間支持，另一方面也無法有效規避加固體裹住盾構機筒體的巨大風險；采用傳統方法在高滲透性砂層中難以制作出優質的泥膜，使得開艙不安定因素難以預知。

一、國內外研究現狀

傳統的泥膜制造主要適用于覆土淺、地下水壓小、滲透系數低的盾構工程中，當傳統泥膜制造工藝應用于高滲透性砂層時，存在的難點有：

（1）泥漿中的顆粒容易在滲透系數大的砂層中長距離滲透，掌子面難以形成優質泥膜；

（2）傳統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境中，容易出現擊穿、龜裂等問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

1、高滲透性砂層滲透系數改良技術

泥膜滲透面主要由盾構機掌子面、筒體四周及成型管片外的地層面組成。對富水砂層的滲透系數改良主要采取兩項措施：

（1）聚氨酯隔離滲透面

在盾體上預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，并且膨脹力對周圍地層產生擠密效應，進而有效隔斷后方地下水滲透通道，為泥膜制作營造有利環境。

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

（2）化學漿液改良砂層滲透性

單純依靠泥漿細小顆粒難以有效填充砂層空隙，可對砂層中的空隙進行化學漿液的有效填充。

①化學漿液范圍

化學漿液的注入只在刀盤上方和前方距掌子面一定距離的范圍內的立體空間內進行，與聚氨酯隔離體結合成一密閉空間。

②注漿孔布設

平面上布設間距為1m，以確保孔與孔之間能夠良好搭接成一個整體。

③注漿方式

化學漿液主要通過壓力作用擴散，采用壓力式注漿可實現多次反復注漿和補強注漿，采用袖閥管注漿方式可實現重復注漿。

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，且凝結前基本維持不變，以水溶性狀態注入土中，發生聚合反應后形成具有彈性的、不溶于水的聚合物。

在施工前，應根據注漿管路和滲透路徑的長短設定漿液膠凝時間，防止漿液過早凝固而堵塞管路或凝固時間過長被流動的地下水稀釋、沖刷而影響效果。

⑤漿液的注入量控制

根據地層孔隙率確定地質改良范圍V，漿液注入量取（150%～200%）V，當地層孔隙率不明，注入量取（10%～30%）V。

2、遞變壓力下采用優質泥漿制造泥膜技術

制造泥膜時泥漿壓力應高于外界水土壓力，可通過提高泥膜兩側壓力差，使泥漿恢復滲透作用，使泥膜增厚成為可能。

（1）泥漿質量控制

泥膜制造要求使用高質量泥漿，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，當泥漿在壓力作用下向外界滲透時，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），粘度分級控制，從30S～60S遞增。必要時在泥漿中加入雷膨（質量比0.5%～1%）改善泥漿質量。

（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為盾構機直徑）條件下，壓力梯度分5級遞增，每梯度壓力增加20KPa，保壓2h。在保壓過程中，需保證泥漿供給持續及壓力穩定；在壓力遞增過程中，需加強地面監測，防止壓力過大擊穿地層或造成地表隆起。

3、反復氣-漿置換制造泥膜技術

在高滲透性砂層中進行氣壓開艙，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到一定厚度后，需采取氣-漿反復置換的方法加厚加強泥膜。

氣-漿反復置換造泥膜原理：泥膜達到一定厚度后，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狀態，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滲透，在反復多次氣-漿置換后，最終達到加厚泥膜的目的。

（1）氣壓設置

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

（2）置換頻率

置換頻率根據漏氣情況確定，漏氣量隨時間成正比，當Q漏氣量>40m3/h時（根據供氣流量計算），采用泥漿置換壓縮空氣造泥膜；Q漏氣量≤40m3/h時，在4h內采用泥漿置換壓縮空氣造泥膜。

（3）穩定氣壓

在氣壓置換泥漿及氣壓保壓過程中，需確保氣壓穩定（波動控制在±10 KPa），可通過氣壓自動調節系統控制或設備自帶的操艙系統人工控制。

4、泥膜修復技術

三、技術創新

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

（2）制造泥膜時通過壓力遞變，可有效實現對滲透通道的封堵，增加單次制造泥膜厚度；

（3）通過泥漿-壓縮空氣的多次反復置換及泥膜制造，可使泥膜在固結狀態下不斷增厚，從而制造大厚度優質泥膜；

（4）通過制定泥膜修復準則，定時修復泥膜，可確保泥膜的完好性；

（5）通過對砂層滲透系數的分析，選擇不同的技術組合形式達到采用最低成本制造優質泥膜的目的。

四、結語

經過周密的施工準備和科學合理的現場組織，GZH-12標采用該技術實現了在高滲透性砂層中制造出優質泥膜的目標，解決了盾構機在高滲透性砂層中開艙換刀的被動性。該技術具有施工方便、效果可靠、節約成本、縮短工期等優點，在現代城市建設中具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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