土壓平衡盾構全斷面富水砂層帶壓進艙地層氣密性封堵及其檢測技術

孫海波（中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南洛陽 471009）

土壓平衡盾構全斷面富水砂層帶壓進艙地層氣密性封堵及其檢測技術

孫海波
（中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南洛陽 471009）

摘要：富水砂層與黏性土地層等普通地層相比，其孔隙率大、滲透性強、含水量大，在此類地層中帶壓進艙作業的難點是地層氣密性封堵難度大。在高壓環境中，為了盡量減小氣體的逃逸，以西安地鐵3號線土壓平衡盾構在全斷面富水砂層中成功帶壓進艙為依據，通過采用盾體外部膨潤土泥漿封堵、掌子面用高效能泥漿形成泥膜封堵、盾尾采用加大同步注漿量和盾尾油脂注入等方法，以及一系列氣密性檢測等措施，成功進行了帶壓進艙作業，并得出土壓平衡盾構全斷面富水砂層氣密性封堵的方法及氣密性合格的判定方法。

關鍵詞：西安地鐵；土壓平衡盾構；富水砂層；帶壓進艙；氣密性封堵；泥膜；氣密性檢測

0　引言

砂性土具有顆粒粒徑較大、顆粒間黏聚力小、內摩擦角大及地層滲透系數高等特點［1］，在長距離全斷面富水砂層掘進過程中，容易出現刀具磨損導致掘進困難的情況，需要通過帶壓進艙來檢查刀具的實際磨損情況。如何在自穩性差、含水量豐富、漏氣量大的富水砂層中成功帶壓進艙作業，關鍵是要做好掌子面周圍地層、盾體外部及盾尾后方地層的氣密性封堵工作，使帶壓進艙作業時土艙內高壓氣體泄漏量能保持在一定范圍內。文獻［2］總結了土壓平衡盾構在成都砂卵石地層中的帶壓進艙技術；文獻［3］總結了土壓平衡盾構在南京復合地層中的帶壓進艙技術；文獻［4］介紹了泥水平衡盾構在富水砂層中的帶壓進艙技術；文獻［5］總結了土壓平衡盾構在廣州砂巖及其風化帶地層中的帶壓進艙技術；文獻［6］總結了超大直徑泥水盾構帶壓進艙換刀技術研究及應用。以上研究都是關于帶壓進艙作業的整體施工工藝流程，對于土壓平衡盾構帶壓進艙作業前的地層氣密性封堵及效果檢測方面

沒有進行有針對性的專項介紹，而這恰恰正是易漏氣地層帶壓進艙作業的核心技術。本文將對土壓平衡盾構在西安地鐵3號線全斷面富水砂層帶壓進艙前地層氣密性封堵及效果檢測方面的施工工藝進行專項總結。

1　工程概況

西安地鐵3號線科技路—太白南路區間（以下簡稱科—太區間）共481環（1.5 m／環），隧道埋深8～14 m，地下水位埋深9.7～12.3 m。科—太區間隧道主要通過〈2－5〉層中砂及〈2－6〉層粗砂層，砂層為密實狀態，標貫為45～90擊。砂層的礦物成分以石英為主（44%），斜長石為38%。現場土壓平衡盾構在325環（刀盤位置）處位置帶壓進艙作業檢查刀具，隧道埋深14 m，地質勘查報告地下水位埋深11.4 m，隧道頂部水位埋深2.6 m，主要為潛水，含水層為中砂層、粗砂層及粉質黏土層，含水率約17%，滲透系數為15～25 m／d。刀盤位置隧道頂部以上約1.7 m為粗砂層，其余為中砂層。刀盤位置附近地質縱斷面圖如圖1所示。

圖1　刀盤位置附近地質縱斷面圖Fig.1 Geological profile

2　氣密性封堵總體方案

富水砂層孔隙率大、滲透性強、含水量大，在此類地層中帶壓進艙作業的關鍵是進行地層及設備的氣密性封堵，以確保氣壓值的穩定。為了克服富水砂層帶壓進艙氣體逃逸的問題，在帶壓進艙前需要對設備自身、盾尾后方、盾殼外部和掌子面周圍進行氣密性封堵，防止這些部位形成壓縮空氣逃逸通道，造成漏氣量進一步增大。

對盾構自身進行氣密性檢查，避免盾構自身密封不嚴造成漏氣；在進入開艙位置前，提前加大盾尾同步注漿量，保證管片與地層之間間隙填充均勻、密實，阻斷壓縮空氣向盾尾后方逃逸的通道；考慮到富水砂層地下水豐富，為對同步注漿起到進一步補充和加強作用，在盾構停機后盾尾后方3—4環位置進行管片二次注漿，對管片之間的縫隙進行封堵。為防止壓縮空氣從盾殼與地層之間逃逸，在盾殼外注入高濃度泥漿，同時也起到潤滑盾殼防抱死的作用；加大盾尾油脂的注入量和注入壓力，防止盾尾密封刷處漏氣；調配好高黏度的膨潤土漿液，將土艙渣土重新置換為高黏度泥漿，在掌子面形成一層致密的泥膜以降低地層的透氣性［7］。至此，整個掌子面和盾體周圍會形成一個封閉的腔體（見圖2），可避免在后續帶壓作業過程中出現壓縮空氣過量逃逸泄漏現象。

圖2　掌子面和盾體周圍的氣密性封堵示意圖Fig.2 Air tightness of tunnel face and around the shield

3　氣密性封堵流程

根據總體方案部署，氣密性封堵施工工藝流程如圖3所示。

4　氣密性封堵實施步驟

4.1盾構設備自身氣密性檢查

檢查盾構自身的氣密性，包括人艙、土艙上部的一些預留注漿孔、超前注漿孔等各管路及閥門關閉后的密封性，防止土艙渣位降低后壓縮空氣從這些地方逃逸。對于人艙，須進行氣密性試驗，根據人艙外精密壓力表顯示，加氣至設定值后1 h內壓力波動不超過001 MPa即為合格，若壓力波動較大則需檢修或更換人艙門密封；對于前體隔艙板上半部分的球板閥和中體上方的超前注漿孔閥門，在土艙加氣期間派專人進行觀察，若這些位置處感覺到有明顯漏氣現象，則需停止土艙加氣，檢修或更換漏氣嚴重的閥門。此外，需重點檢查螺旋輸送機后閘門的密封性，由于砂層石英含量高，摩擦阻力較大，螺旋輸送機后閘門長期運行后會出現磨損和關不嚴現象，造成漏漿（見圖4）。現場施工時曾出現過這種情況，導致后續土艙泥漿保壓時出現泄壓現象，后來通過更換閘門橡膠密封解決。

圖3　掌子面和盾體周圍的氣密性封堵流程Fig.3 Flowchart of achieving air tightness of tunnel face and around the shield

圖4　螺旋輸送機后閘門關不嚴導致漏漿Fig.4 Muck leakage from screw conveyor

4.2進艙氣壓值確定

根據隧道埋深及地下水位情況，進艙壓力設置為p設p土＋p水＋p預kγha＋qγwhw＋（0.02～0.03）MPa［8］。式中：k為土壓力系數；γ為土的容重，kN／m3；ha為隧道頂部埋深，m；q為根據土層滲透系數確定的經驗數值，砂土取0.5～1.0；γw為水的容重，kN／m3；hw為地下水位距刀盤頂部的高度差，m，經計算確定帶壓進艙氣壓值為0.15 MPa。

4.3管片同步注漿封堵

在到達預定開艙位置前，使用1＃拖車上2臺KSP12同步注漿泵（功率30 kW、注漿能力2×12 m3／h、泵出口最大壓力6 MPa），提前3環加大盾尾同步注漿量，注漿量和注漿壓力根據地表沉降監測數據進行優化，由原來6.4～7.2 m3／環調整為8 m3／環。同時針對停機位置位于全斷面富水砂層地段，地下水量豐富，對這3環的同步注漿配合比進行了微調，每方減少膨潤土50 kg，增加膠凝材料50 kg［9］，使漿液的初凝時間由原來的7 h調整為4～6 h。注漿過程中必須保證四管同時注漿，上部注漿管壓力約0.17 MPa，下部注漿管壓力約0.27 MPa，從而起到加強地層和通道填充的目的。

4.4管片二次注漿封堵

在盾構停機后盾尾位置（即拼裝環號320環）后方3—4環位置（即拼裝環號316—317環）進行管片二次注漿，在隧道左右開孔壓注，漿液采用水泥－水玻璃雙液漿作為注漿材料，能對同步注漿起到進一步補充和加強作用，同時也對管片縫隙和管片周圍的地層起到及時充填和加固作用。

4.4.1二次注漿設備

采用KBY－50／70注漿泵，計量采用拌漿容器計量，注漿泵上配置機械式注漿壓力表。漿管及孔口管采用自制的具有與管片吊裝孔的配套能力、能夠實現快速接卸以及密封不漏漿功能的配套設備，并配備泄漿閥。

4.4.2二次注漿配合比

現場管片二次注漿的配合比如表1所示。

表1　二次注漿漿液初步配比表Table 1 Preliminary mixing proportion of grout of secondary grouting

4.4.3二次注漿量、壓力及初凝時間

二次注漿量初步確定1.2 m3／孔，注漿壓力0.3～0.5 MPa，膠凝時間控制在1 min。當注漿壓力增加很快且壓力超過0.5 MPa或者注漿管出現較大的跳動，表示該環注漿已滿，可停止注漿，進行下一環的二次注漿封堵，二次注漿注到離盾尾最近的一環時，要適當減少注漿量和減小注漿壓力，防止泥漿壓力過大竄入盾尾刷內。

4.5盾尾刷封堵

掘進到帶壓進艙管片環時，將每環盾尾油脂注入量由原來的20 kg／環提高到30 kg／環，通過調節盾尾油脂泵進氣減壓閥，使泵頭注脂壓力由原來的6 MPa提高到8 MPa，盾尾油脂腔內注入壓力由原來的1～2 MPa提高到3～4 MPa。盾尾油脂每道腔室的4路油脂管要勻速地注入。

4.6盾殼外封堵

使用2＃拖車上的RH65－680型盾殼膨潤土泵（功率7.5 kW、注漿能力8 m3／h、額定壓力1.6 MPa），通過中盾盾殼壁同一橫斷面圓周方向上預留的6個膨潤土接口（見圖5），向盾構主機殼體周圍注入配置好的泥漿（黏度25～30 s、比重1.07），注漿壓力控制在比刀盤土艙對應位置壓力大0.02 MPa左右（即0.17 MPa左右），以防止壓縮空氣從盾殼與地層之間逃逸，同時也起到潤滑主機殼體、防抱死作用。

圖5　盾殼膨潤土示意圖Fig.5 Sketch of injecting bentonite slurry through midshield

4.7掌子面封堵

帶壓進艙作業時，掌子面與氣體接觸面積最大，解決掌子面氣體逃逸是帶壓作業的關鍵。針對本工程富水砂層，透氣性大，現場使用高黏度膨潤土漿液在開挖面上形成一層致密的泥膜以降低地層的透氣性，在后續帶壓進艙作業時使氣壓有效地作用在開挖面上，維持了開挖面的穩定［10］。

4.7.1掌子面封堵總體方案

預先用膨潤土、制漿劑和水調制成高黏度的泥漿，并要膨化至少1 d，然后在停機位置通過刀盤膨潤土泵將高黏度泥漿注入到土艙，同時配合螺旋輸送機出渣置換出土艙內部分原有渣土，使土艙內上部泥漿壓力控制在0.15～0.16 MPa，保壓持續時間不小于3 h，期間適當以低轉速轉動刀盤，使高黏度膨潤土漿液充分進入刀盤周圍地層，最后形成泥膜并完成掌子面氣密性封堵，如圖6所示。

4.7.2掌子面封堵流程及實施步驟

4.7.2.1高性能泥漿的拌制

為增強掌子面泥膜的致密程度及泥漿護壁能力，根據地質情況、結合相關資料，決定采用優質膨潤土泥漿來建立泥膜，黏度控制在90 s以上、比重控制在1.10～1.15、膨化時間至少24 h，以保證膨潤土能充分溶解，現場泥漿儲備量不少于50 m3。主要配方及配制方法見表2，調制好的漿液見圖7。

圖6　掌子面泥膜封堵示意圖Fig.6 Sealing of tunnel face by filter membrane

表2　掌子面高黏度泥漿配合比Table 2 Proportion of slurry with high viscosity used to seal the tunnel face　kg

圖7　掌子面封堵用高黏度膨潤土漿液Fig.7 Picture of bentonite slurry with high viscosity used to seal the tunnel face

4.7.2.2到位停機

到指定換刀位置后停止出渣，此時土艙內全都是原始渣土。

4.7.2.3置換土艙渣土

使用2＃拖車上的RH76－915型刀盤膨潤土泵（功率18.5 kW、注漿能力20 m3／h、額定壓力1.6 MPa），通過刀盤正面上的膨潤土孔向土艙內緩慢注入預先配

制好的高濃度膨潤土漿液，同時以低轉速轉動刀盤（1.0 r／min），注入過程中保持土艙上部土壓為0.15 MPa。若超過0.15 MPa，須立即暫停注入，配合螺旋輸送機將土艙內原有渣土適當排出一部分，并注入調制好的高黏度膨潤土漿液，置換出土艙內部分土體。

4.7.2.4土艙泥漿保壓建膜

待調制好的高黏度膨潤土漿液注入量達到20 m3后（約刀盤艙容積的2／3），停止注入。可通過土艙壓力隔板上不同位置的手動球閥進行檢查泥漿是否注滿刀盤。隨后保壓持續時間不小于3 h，上部土壓控制在0.15～0.16 MPa內，在持續保壓過程中每隔30 min轉動刀盤，轉速控制在0.3～0.5 r／min，每次轉動3～5 min，使高濃度膨潤土漿液充分進入刀盤周圍地層，從而形成泥膜（如圖8所示）。期間如果膨潤土流失造成土壓下降，應及時補充高黏度膨潤土漿液，確保土壓不低于0.15 MPa。

圖8　掌子面泥膜形成Fig.8 Filter membrane on tunnel face

4.8土艙氣密性檢測

在掌子面泥膜建完后，為了檢驗泥膜對0.15 MPa進艙氣壓的封堵效果，保證進艙作業期間高壓氣體泄漏量及氣壓波動盡可能小，現場在進艙作業前對土艙進行了氣密性效果測試。

4.8.1土艙氣密性效果檢測方法

根據歷次帶壓進艙的經驗，經過不斷地試驗和總結，最終確定了4個指標，用來檢測土艙的氣密性效果是否合格，具體如下。

1）土艙上部壓力傳感器顯示數值在3 h內壓力波動不超過0.005 MPa（即保持在0.145～0.155 MPa）。

2）給保壓系統供氣的空壓機出口壓力值須達到設定的安全壓力值（即0.8 MPa），同時空壓機自動開啟的間隔時間不能太快，保證供氣量能達到安全儲備量。

3）現場土壓平衡盾構氣體自動保壓系統使用的是德國SAMSON裝置，該裝置為單程空氣控制系統［11］，僅能控制空氣的供給。當SAMSON控制器輸出氣壓為0.06 MPa時，則進氣閥閥門完全關閉（閥門開度為0），說明土艙沒有進行補氣，其漏氣量為0；當輸出氣壓超過0.06 MPa時，則進氣閥門逐漸打開，在達到0.1 MPa時進氣閥完全打開（閥門開度為100%），說明土艙補氣量在逐步加大，其漏氣量也相應增大，如圖9所示。

圖9　進氣閥門開度與控制器輸出氣壓信號的關系圖Fig.9 Relationship between air inlet valve opening and output air pressure signal

控制器輸出氣壓大小可通過SAMSON控制器調節面板最下方的指針位置來觀察，通過觀察指針位置可推測出土艙補氣量的變化，一般指針穩定在0.06～0.07 MPa且無變大趨勢時，可判定土艙漏氣量沒有超限，補氣量可與之保持平衡。

4）地表沉降監測數據控制在－15～＋5 mm。

4.8.2氣密性檢測操作步驟

1）啟動螺旋輸送機緩慢出渣，過程中嚴格控制出渣量，保證土艙內膨潤土排出量占總體積的1／3略多（約10 m3）。

2）啟動位于中體內左上部的SAMSON氣體保壓系統：先開啟拖車上的電動空壓機，在排除閥門堵塞的可能后再緩慢打開SAMSON自動進氣閥門前方的手動旁通球閥（見圖10），觀察有無泥漿排出，若沒有則證明土艙膨潤土漿液排出量為1／3土艙容量，若有泥漿排出，則需要螺旋輸送機出渣繼續降低土艙渣位，直到沒有漿液從旁通球閥排出為止。

圖10　SAMSON自動補氣Fig.10 Automatic air compensation of SAMSON

3）在SAMSON氣動控制器上設定氣壓值為0.15 MPa（自動模式）。

4）關閉旁通球閥，緩慢打開SAMSON自動進氣閥前方的2個手動閥門，使土艙上部通過SAMSON進氣閥門自動補氣，直到土艙上部氣壓穩定在0.15 MPa左右。

5）在主控室、電動空壓機、SAMSON控制器和地面處派專人進行監測，當上述4個指標全部滿足后，則可判定掌子面氣密性效果合格，可以滿足帶壓進艙作業的要求。若有其中任一個指標沒滿足，則須對掌子面泥膜進行修復和重建。

5　結論與建議

1）全斷面富水砂層滲透性大，氣體逃逸通道多、量大，對地層及盾體周邊進行氣密性封堵，保持進氣量與逃逸量的平衡，是帶壓進艙作業的前提。

2）地層及盾體氣密性封堵工作是一項系統性工程，須嚴格按工藝流程、工藝參數、工序步驟、工序質量來進行施工，該施工質量是保證氣密性封堵成功的關鍵。

3）掌子面氣密性封堵用的泥膜指標要求高，HS－Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型盾構專用高分子制漿劑可作為建立掌子面泥膜的一種重要泥漿優化處理劑。

富水砂層氣密性效果是否滿足帶壓進艙要求，目前沒有可參照的依據，建議可參照以下進行：1）土艙上部壓力3 h內波動不超過0.05 MPa；2）SAMSON保壓系統氣源（即電動空壓機）供氣壓力穩定、供氣流量變化小；3）土艙補氣量穩定，通過觀察SAMSON控制器下方指針位置可推測出土艙補氣量的變化趨勢，一般指針穩定在0.006～0.007 MPa且無變大趨勢時，可判定土艙漏氣量沒有超限，補氣量可與之保持平衡；4）地表沉降監測數據控制在－15～＋5 mm。

砂層帶壓進艙作業的風險很大，在高壓作業開挖面透氣性控制標準和降低開挖面透氣性措施方面，還需要通過現場檢測和試驗研究來不斷總結完善，這也是今后進一步研究的意義所在。

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How to Achieve Air Tightness around an EPB Shield Boring in Fullface Waterrich Sand Strata so as to Facilitate Hyperbaric Operation

SUN Haibo
（Tunnelingdedicated Equipment Center，China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang 471009，Henan，China）

Abstract：Compared to cohesive soil strata，waterrich sand strata have higher porosity，higher permeability and higher water content.When hyperbaric operation is needed during shield boring in waterrich sand strata，it is of great importance to keep the air tightness of the strata around the shield.An EPB shield for Line 3 of Xi’an Metro bores through fullface waterrich sand strata，and hyperbaric operation has to be conducted.The strata around the shield is sealed by bentonite slurry，which is injected through the holes on the shield；the tunnel face is sealed by filter membrane formed by highefficient slurry，the simultaneous grouting and grease injection at the tail shield is enhanced，so as to ensure the air tightness of the sand strata around the shield and in turn to facilitate the hyperbaric operation.Furthermore，a series of air tightness testing and evaluation means are used to verify the sealing effect.In the end，successful air tightness has been achieved and successful hyperbaric operation has been conducted.

Keywords：Xi’an Metro；EPB shield；waterrich sand strata；hyperbaric operation；air tightness；filter membrane；air tightness verification

作者簡介：孫海波（1987—），男，河南洛陽人，2011年畢業于南陽理工學院，機械設計制造及其自動化專業，本科，助理工程師，現主要從事盾構／TBM租賃服務及片區設備管理工作。

收稿日期：2015－05－05；修回日期：2015－07－30

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：B

文章編號：1672－741X（2015）09－0962－06

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.09.017