復合黏土混合漿液泥膜護壁在強透氣透水地層帶壓開倉作業當中的應用

劉 光， 徐萬春， 金 平

(1.中鐵四局集團有限公司, 安徽合肥 230000; 2.中鐵四局集團有限公司城市軌道交通工程分公司, 安徽合肥 230022)

地鐵盾構隧道施工中，地質條件復雜多變，尤其是卵石含量高、粒徑大的地層、軟硬相間混合地層中掘進，易造成刀盤磨損，從而出現推力大、扭矩大、渣溫高、螺旋機出土不暢等狀況，需采取停機開倉檢查及更換刀具作業。盾構開倉檢查及更換刀具的方式主要有常壓開倉和帶壓開倉兩種，常壓開倉一般都是在地層自穩性非常好、地層滲透性小的環境下進行；帶壓開倉一般是針對地層自穩性較差、地層滲透性較大的復雜地層環境下進行，類似全斷面砂層、富水斷層破碎帶、礫卵石地層、裂隙發育巖層、上軟下硬地層或地表環境復雜的敏感地帶等。目前類似工程領域建立泥膜主要采用的措施有土倉注入膨潤土形成泥膜法和采用衡盾泥建立泥膜法，但這些方法的使用針對復雜地層和敏感地表環境仍具有局限性：比如土倉注入膨潤土受限于泥膜的成膜性、強度、持久性及防水性；衡盾泥建立泥膜法受限工期及經濟性。

因此為解決在強透氣、透水地層和敏感地表環境下，盾構帶壓開倉保壓的安全、穩定、持久且經濟，創新性研制出一種采用復合黏土混合漿液建立泥膜保壓盾構帶壓開倉的方法。

1 工程概況

廣深地區盾構隧道穿越地層復雜、多變、混合等變異性特點，易造成滯排、噴涌、結泥餅、刀具磨損等困境，需進行常壓或帶壓開倉處理。

深圳地鐵10號線福田口岸站—福民站區間雙沿線920 m長度范圍，涉及上跨運營線路、下穿運營車站，下穿兩座居民小區4棟高層住宅樓，下穿兩處需進行11次樁基托換的運營高速公路橋(圖1)；穿越斷面地層主要分為四大類：I類為上半部為中粗砂、下半部為卵石土；Ⅱ類為上半部為卵石土、下半部為中、微風化花崗巖；III類為上半部為全、強風化花崗巖，下半部為中、微風化花崗巖；IV類為全斷面中、微風化花崗巖(圖2)。

針對此復雜區間，項目部將進行十余次的帶壓開倉作業，更換四百余把刀具，多次清理泥餅等工作。

圖1 福田口岸站—福民站區間線路平面示意

圖2 福田口岸站—福民站區間地質縱斷面

2 施工技術原理

采用復合黏土混合漿液建立泥膜,選用膨潤土、高鈣材料(如消石灰)、復合黏土穩定劑(如甲基纖維素)、水玻璃材料，按特定配合比(表1)拌制成的混合漿液，通過材料制作設備、運輸設備、盾構機同步注漿系統、二次注漿設備、按照一定的工藝流程，將拌制物注入到盾構機土倉，通過注入填充及擠壓、置換渣土、轉動刀盤攪拌及擠壓、逐級后退刀盤在盾體外壁和盾構開挖掌子面前方建立有一定厚度、強度、防水性、持久性的保壓泥膜(圖3)。拌制及注入土倉過程，漿液具有良好的和易性和粘附性，通過往土倉中補充添加一定量的水玻璃經過充分攪拌后，會形成一定稠度、粘附性、防水性的復合黏土，通過開啟保壓系統，逐步排除倉內復合黏土至便于人員進倉作業為止。在倉內空氣條件下，泥膜能持續發展強度。合格的復合黏土反應時間為3～5 s，拌好后粘度高，揉捏無裂縫，遇水不散，水浸泡24 h后，水體微濁。

表1 復合黏土配合比與費用

圖3 復合黏土用于泥膜護壁工藝效果

3 施工操作要點

施工工藝流程見圖4，具體分步說明不作詳細展開，施工操作過程中需要把握以下要點：

圖4 工藝流程

(1)計劃盾構停機帶壓開倉前1～3環逐步釋放鉸接，將鉸接長度伸出100～150 mm，為后續刀盤后退形成泥膜預留空間。

(2)利用地面砂漿攪拌站制作膨潤土漿液(含有鈣基膨潤土、鈉基膨潤土、消石灰、纖維素)，每次制作量6 m3通過隧道電瓶車漿車運至隧道內，漿液進隧道后在電瓶車漿車內攪拌3 min，然后利用電瓶車漿車砂漿泵抽3 m3至盾構機砂漿罐中，防止空間不夠，攪拌不均。在盾構機同步注漿箱中添加設計量1/3體積的水玻璃，進行充分攪拌均勻形成呈稍粘稠膏狀的膨潤土混合漿液(圖5)。

圖5 同步注漿系統及攪拌液狀態

(3)根據注入土倉膨潤土混合漿液總量，核算需補充注入剩余2/3體積的水玻璃用量，采取二次注漿機間歇性補充注入水玻璃形成復合黏土混合漿液；觀察土倉壓力變化，扭矩波動情況；如若土倉壓力和扭矩相對穩定，維持時間不少于1 h，即可啟動螺旋輸送機排出少量復合黏土混合漿液，取樣檢測性狀，如符合要求則進行下一道工序，如不符合則重復上步操作(圖6)。

圖6 復合黏土混合漿液

(4)盾構機砂漿罐內儲備膨潤土混合漿液4 m3，開啟保壓系統，逐級退刀盤(每次控制在3～4 cm)，邊退刀盤邊注入膨潤土混合漿液和設定配比剩余2/3體積的水玻璃。每級退刀盤完成后啟動刀盤，刀盤轉速0.5 r/min，刀盤同方向轉動2 h，形成一級保壓泥膜，停機1 h觀察土壓壓力變化速率，相對穩定(盾構開倉設定壓力上下波動幅度控制在0.04 MPa/h)后即可進入下級退刀盤。依次循環形成約10 cm厚的保壓泥膜。

(5)出土置換后，觀察土倉壓力變化情況，時間不少于1 h，同時保壓系統打開，刀盤不轉，每10 min測一次空壓機加卸載情況；若加載時間小于卸載時間，證明泥膜質量滿足要求，土倉保氣性良好；加載時間小于卸載時間差值越大，表明掌子面穩定性、泥膜質量越好。若加載時間大于等于卸載時間，則證明泥膜建立失敗，需重新建立泥膜(圖7)。

圖7 盾構機刀盤掌子面泥膜效果

4 應用效果

4.1 成功率高

深圳地鐵10號線項目部進行了16次帶壓開倉作業，5次常壓開倉作業；共計更換396把單刃滾刀、77把雙刃滾刀、38把刮刀，清理泥餅2次。采取復合黏土混合漿液建立泥膜保壓開倉15次，成功14次，失敗1次。

4.2 節約成本

采用復合黏土混合漿液材料價為791元/m3，衡盾泥材料價為3 350元/m3，實施過程衡盾泥生產廠家現場指導費80 000元/次。結合盾構機土倉容積及周邊地層松散空隙，渣土置換及制作約10 cm泥膜過程需往土倉內注入約35 m3混合液；采用復合黏土混合漿液建立泥膜，帶壓開倉的材料費約為27 685元；而采用衡盾泥建立泥膜，帶壓開倉的材料費約為117 250元，技術指導費80 000元。對比每次帶壓開倉可節約169 565元。

4.3 縮短工期

采用復合黏土混合漿液建立泥膜，正常需要1.5～2.5 d時間；采用衡盾泥建立泥膜，正常需要2.5～3.5 d時間。對比每次可節約1 d工期。

通過此方法建立的保壓泥膜，具有成膜性好、粘性大、穩定性強以及強度高、隔水性和持久性好的特點，能夠實現在復雜地層和敏感地表環境下，連續帶壓開倉檢查及更換刀具作業。本方法成功應用于廣佛城際φ8.8 m大盾構、廈門地鐵等類似工況下的帶壓開倉作業；且此配比的材料可用于盾構下穿建筑物的沉降控制，例如合肥地鐵5號線下穿既有地鐵、昆明地鐵4號線下穿既有地鐵、嘉興配水下穿既有民房、深圳地鐵10號線下穿既有居民小區；不僅如此，此配置的材料還可用于盾構接收注漿止水，例如杭州地鐵5號線13標段。本方法具有十分廣闊的應用前景。

5 結束語

本文依托深圳地鐵10號線福田口岸站—福民站區間近距離連續上跨下穿多種建構筑物工程，利用復合黏土混合漿液泥膜護壁工藝進行了帶壓開倉作業。復合黏土混合漿液建立的泥膜是選用膨潤土、高鈣材料(如消石灰)、復合黏土穩定劑(如甲基纖維素)、水玻璃材料，按特定配合比拌制成的混合漿液，應用實踐證明，采用復合黏土混合漿液泥膜護壁不僅可以有效保證強透氣透水地層中帶壓開倉作業的安全性，還可提高開倉作業效率，縮短工期，節約成本。