泥水盾構機帶壓開艙作業在隧道施工中的應用

趙亞黨

摘 要：盾構施工作為先進的地下空間非開挖技術，近年來在市政工程中的應用越來越廣，但地下隧道盾構施工經常會因刀具磨損、清除泥餅和更換刀具等原因，需要施工人員進入土艙內作業。由于土艙與開挖面存在刀盤開口，開挖面坍塌、涌水或涌砂等都會對艙內作業造成很大的威脅，因此，開艙作業在很大程度上受到了地質條件的制約。通過在砂層淺覆土段進行盾構氣壓開艙施工實踐，對不良地層氣壓開艙作業中存在的問題進行了探討。

關鍵詞：泥水盾構；換刀作業；泥膜；保壓試驗

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.133

1 開艙目的

開艙目的分為以下2方面：①該盾構區間開艙是由于盾構機累計穿過房屋并切割基礎灌注樁計96條后，出現殘留鋼筋堵塞在艙內泥漿出口格柵前后、管口、管前段，需開艙清理；②由于地質情況的變化，出現了上軟、下硬的地層，隧道上部為砂層，底部為<6> <7>地層，盾構機在掘進過程中沿<7>地層緩坡逐漸向上抬頭，出現垂直姿態超限、盾尾卡死現象，在糾偏過程中采用了多種糾偏措施，需開艙檢查刀盤、刀具磨損并換刀。

2 開艙條件

由于上述目的的開艙為非計劃性開艙，對地質的選擇性較差，在隧道正上方和隧道范圍內基本全部為砂層，僅在隧道底部存在0～1 m厚的<6> <7>地層，對開艙時掌子面的穩定作用不大，且砂層中的含水量、滲透系數高，屬于全斷面砂層。此外，盾構機上方為新建成的道路，車流量大、兩側房屋密集、商鋪集中，開艙存在較高的風險。

3 常用的開艙換刀模式

常用的開艙換刀模式有5種：①直接開艙換刀。在地基承載力較高、掌子面穩定性較好的條件下，可不采取任何加固方法，直接排空土艙內土體，進入土艙更換刀具。②降水加固。從地面建造降水井，通過降水實現土體固結，從而提高掌子面土體的穩定性。③地表注漿加固。從地表向地基注入水泥漿液（或其他加固漿液）加固土體，提高掌子面土體的穩定性。④ 圍護樁加固。在掌子面周圍建造圍護樁，直接保證掌子面的穩定。⑤帶壓作業。通過向土艙注入壓縮空氣，以氣壓平衡代替艙內壓力平衡。

本工程中采用帶壓開艙換刀的方式。根據環境條件和地質情況，選用泥水壓泥模帶壓開艙作業，其工作原理為：在泥水艙內注入特制的膨潤土漿液，通過加壓和保壓系統使泥漿逐漸滲入掌子面土體幾厘米，特制漿液嵌入土體顆粒間的縫隙，形成一層可支撐穩固正面土體的“泥膜”。這層“泥膜”可使掌子面土體穩定和不滲水，從而達到開艙的目的。

本工程按泥漿滲透形成5 cm厚的泥膜設計。經試驗，壓入艙內的泥漿用量為1.09～1.15 g/cm3、黏度為75～80 s，可保證在泥水艙形成穩定的護壁泥膜。在作業過程中，啟動備用空壓機和備用電源，以保證整個壓氣開艙作業過程中的壓力穩定。

本工程共進行泥模帶壓開艙15次，其中，該盾構區間開艙3次，另一盾構區間開艙12次，共換刀19把，并清理出了大量的殘留鋼筋，單次泥膜穩定時間達到14 h，開艙作業取得了較大的成功。

4 開艙作業過程

4.1 制漿

制漿材料采用易鉆（Hydraul-EZ）專業制漿膨潤土和配合劑。利用了專業制漿產品的以下6個特點：①高濃縮、高造漿率；②極佳的懸浮輸送能力；③作用時間長，可以長時間保持泥漿性能穩定；④可形成薄的、致密的濾餅層，以防止泥漿漏失；⑤可消除黏土與頁巖的水化膨脹，膠結黏附，防止刀具糊

鉆；⑥可承受中都的硬水和低pH值水。

對于不同的地層形成泥膜需要的量不同，在目前的地層中，選用適合砂層中使用的配比，具體配比經過實驗室試驗調配后確定。

4.2 注入泥漿

采用分次注入的方法，每次通過砂漿車運輸進的泥漿約為6～7 m2。通過放置在連接橋平臺上的注漿泵、改裝后的注漿管連接V11＼V12閥壓入泥艙。在注漿的同時，打開下部V32出漿閥，將艙內原漿排出、置換。置換過程要平緩進行，并通過注漿泵的注入量和排漿閥的出漿量控制壓力、液面平穩。

通過計算，土艙內的泥漿約為40 m2。在泥漿注入的過程中，每注一車后對排漿閥放出的泥漿進行參數測定。一般情況下，當排出的泥漿黏度到達40～60 s時，就基本可滿足制備泥膜需要的泥漿濃度，可開始加壓制備泥膜。

4.3 加壓形成泥膜

在注入泥漿前，通過詳細計算，重新確定切口壓力。地面沒有建筑物、附加荷載為0時，先按靜止土壓力公式計算，再適當修正。

加壓強度為當前地層中切口壓力的1.2～1.5倍。具體情況根據加壓時地面的監測情況決定。當地面監測發現超過5 mm的隆起時，確定為最高允許壓力。

加壓時通過分次加壓的方式，先提高到切口壓力的1.1倍后，穩壓10 min，聯系地面監測，根據監測情況開展下次加壓。

當地面出現<5 mm的隆起時決定最終壓力，并進入下一階段的保壓過程。

4.4 保壓

當達到設計壓力后進行保壓，保壓一般持續8～12 h。

在保壓過程中，注漿罐中保留適當的泥漿。控制室內要安排不間斷的觀察。泥漿滲透后壓力會下降。此時，通過注漿泵繼續向艙內補漿，直至液面和壓力恢復到最大允許壓力。

4.5 減壓檢驗

通過8～12 h的保壓和持續補漿，泥膜可形成一定的規模。形成的泥膜是否能提供帶壓作業時的圍護作用，需要通過降壓來初步判斷。

通過排漿，逐步將切口壓力回調至原切口壓力的0.9倍，液面隨之降低。降至切口壓力后觀察3～4 h。

如果發現切口壓力有逐漸上升的趨勢、液面有注漿上漲的趨勢，則說明泥膜形成不理想，掌子面仍有漏水通道，恢復壓力后應繼續注入新制泥漿，進行新一循環的泥膜建立；如果發現切口壓力沒有變化，則進入換氣排漿階段。

4.6 換氣排漿

開艙換刀作業必須進入泥水艙內，而通過排漿只能降低氣壓艙內的液面，要想降低開挖艙內的液面并建立氣壓，必須將氣體通過中隔艙板上部直接注入開挖艙內。在氣體注入的同時，排出漿液，整個過程必須平穩、緩慢進行，避免出現因漿液排出過快而造成上部欠壓的情況。此外，氣壓可適當增加，以通過氣壓的作用加快漿液的排出。

4.7 開艙

開艙的最終目的是使開挖艙內與氣艙內的氣壓達到一致。在兩個艙內的泥漿液面下降至不影響換刀作業的高度后，才可以打開中隔艙板與開挖艙板之間的人行通道密閉門，按正規程序進行換刀作業。艙內泥膜情況如圖1所示。

圖1 泥膜壓漿帶壓開倉后掌子面情況

4.8 切口壓力及其他壓力的確定

此處切口壓力計算按靜止土壓力計算取上限、主動土壓力取下限，地面附加荷載取0.

靜止土壓力計算：

Pfu=p1+p2+p3=rw×h+K0[（r-rw）×h+r×（H-h）]. （1）

主動土壓力計算：

Pf1=p1+p2+p3=rw×h+Ka[（r-rw）×h+r×（H-h）]-2cKa^1/2.

（2）

式（1）（2）中：h為至盾構機頂部的水位高度；K0為靜止土壓力系數，地層中為0.389；H為至盾構機頂部的地面高度；Ka為主動土壓力系數，tan2（45-φ/2）。

計算得出，盾構機頂部的切口壓力上限為2.30 bar、下限為1.98 bar。

按照以往成功的施工經驗，泥膜加壓形成需要的壓力比切口壓力大0.5 bar左右。泥膜形成后，為了確保開艙作業安全，帶壓作業時的氣壓選用要在上、下限之間，即取2.1 bar。

5 開艙小結

帶壓開艙換刀技術是其他同類型盾構，特別是穿越溝渠、河流和海底等特殊地理環境時盾構掘進中換刀的主要手段，但砂層具有透水性高的特點，導致帶壓換刀困難，存在諸多不確定因素，其方案的選定必須深入分析地質條件，通過嚴格的實驗程序檢驗氣壓、氣體泄漏情況、開挖面穩定情況等，并分析氣壓與水土壓力的平衡機理，采取有效措施比如優質泥膜等。在實施過程中，必須制訂合理的開艙流程，泥水盾構必須考慮泥膜的干縮影響，并及時對泥膜進行修復。

〔編輯：張思楠〕