海底復雜地層泥水盾構帶壓開倉保壓技術研究

吳言坤 賈開民 陳 健,3

(1.清華大學土木水利學院， 100084， 北京； 2.中鐵十四局集團有限公司， 250014， 濟南；3.中國海洋大學環境科學與工程學院， 266101， 青島∥第一作者， 正高級工程師)

盾構施工過程中，由于水土壓力大、地質條件復雜等原因，刀具磨損問題已成為盾構法隧道施工所面臨的主要挑戰之一[1-2]。對于水下盾構隧道高水壓、強透水的地質環境，通常需要帶壓開倉作業[3]，因此帶壓開倉保壓技術極為關鍵[4]。

在開挖面表面形成閉氣性良好的泥膜，是泥水盾構實現帶壓開倉的關鍵[5-6]。文獻[7]認為在滲透性較大的礫砂地層中帶壓開倉時，可采用不同性能泥漿的階段注入形成致密泥皮型泥膜，提高穩定性。文獻[8]認為正電膠可提高泥膜厚度與閉氣值，有助于開挖面的穩定。文獻[9]認為衡盾泥泥膜護壁工藝具有較好的保壓效果和耐久性。以上研究具有重要的參考價值，但在極為復雜的地質條件下，常規保壓手段無法保障帶壓開倉的安全，需根據實際情況制定保壓措施。本文以廈門地鐵2號線越海隧道為例，對海底地質條件下盾構施工的帶壓開倉保壓技術進行研究。

1 工程概況

廈門地鐵2號線海滄大道站—東渡路站區間海底隧道工程盾構段采用2臺直徑為6.7 m的復合式泥水平衡盾構機施工。該區間內的海滄灣公園至國際碼頭1號泊位為越海段，隧道底至最高潮位為55 m，最大水土壓力約為0.6 MPa。

如表1所示，該海底區間隧道穿越的地層復雜多樣，主要以軟巖地層為主。此外，對施工影響較大的軟硬不均地層和斷層破碎帶的長度占隧道區間長度的22%。

表1 海滄大道站—東渡路區間地層比例

該工程復雜的地層條件與施工條件加劇了盾構部件的損耗，刀盤和刀具產生了嚴重磨損、崩裂甚至脫落，如圖1所示。為保障施工進度及施工安全，需進行高頻率的帶壓開倉換刀。

a) 滾刀刀圈

2 帶壓開倉保壓技術研究

目前，根據開倉位置地層條件的不同，一般將開倉保壓技術分為單一地層保壓技術、裂隙發育地層保壓技術、碎裂狀強透水不穩定地層保壓技術，本文對這3種技術分別進行闡述。

2.1 單一地層保壓技術

當停機開倉位置開挖面為具有一定自穩能力的單一地層時，可通過以下4個步驟形成泥膜，確保掘削面的穩定性。

1) 采用比重為1.10～1.15、漏斗相對黏度為20～23 s的稀泥漿進行約6 h的大循環漿液置換，形成泥膜滲透帶。

2) 采用比重為1.15～1.20、粘度為25～30 s的泥漿進行約6 h的大循環漿液置換，形成致密泥皮，靜止2 h觀察液面穩定情況。

3) 待氣泡艙液位穩定后進行開挖艙氣體置換密封試驗。此時需要嚴格控制壓力的降升速度，液面變化速度控制在2 cm/min，切口壓力波動值控制在±0.1 MPa。

4) 當氣體置換完畢并停止泥漿循環后，采用漏斗相對黏度≥100 s、比重≥1.2的高濃度泥漿，通過同步注漿泵向開挖艙進行補注。

經上述步驟可形成具有一定厚度、閉氣性良好的泥膜。在開倉過程中為了解決泥膜失水干裂導致的閉氣性能下降問題，可通過涂抹泥漿的方式防止高壓氣體進入地層。

2.2 裂隙發育地層保壓技術

裂隙發育地層的密封性較弱，如有海水滲透將嚴重影響泥漿性能。為保證泥膜的質量，可采用抗侵蝕泥漿。使用海水膨潤土及大顆粒材料，需要分別按照滲透模式和隔膜模式2個步驟制作泥膜。

2.2.1 滲透模式

在滲透模式下，需要將泥漿充分滲透入地層。采用海水膨潤土制漿，并加入大顆粒材料阻塞裂隙。泥漿配比如表2所示，配制漿液的比重為1.20～1.25，漏斗相對黏度為30～40 s。泥漿配制后靜止，使膨潤土充分膨化。泥漿性能達到要求后，采用氣墊艙底部注入和上部放漿方式置換前部漿液。待平衡管放出高比重漿液后，提高艙壓至0.8～1.0 MPa，使新制漿液向地層中滲透。在艙壓提高的過程中，應觀察液位的變化情況，直至液位長時間穩定，此時可視為高比重泥膜制作完成。

表2 滲透模式下的泥漿配比

2.2.2 隔膜模式

在隔膜模式下，采用單一高黏度膨潤土制作高黏度的泥漿，漿液比重為1.00～1.15，漏斗相對黏度為70～80 s。在同等的艙壓下進行開挖艙泥漿置換，直到上部平衡管放出高黏度的漿液為止。然后轉動刀盤10 min，轉速為0.3～0.8 r/min，以確保高黏度膨潤土均勻吸附在掌子面上，形成穩定泥膜。

2.3 碎裂狀強透水不穩定地層保壓技術

基巖突起地層圍巖破碎，自穩能力差，裂隙發育豐富。盾構在該地層中施工時,刀盤刀具磨損嚴重，加上該地層高水壓的特點，進行開倉換刀風險極高。為此，本工程采用海上注漿加固地層與衡盾泥填艙相結合的方式，保證基巖突起地層中開挖面的穩定性。

2.3.1 海上注漿加固地層

海上注漿加固區主要為強、中風化的輝長巖，碎裂狀強風化輝長巖。其中,中風化輝長巖為侵入巖,且正好處于隧道正線的區域。

2.3.1.1 注漿加固方案

注漿時盾構機位于注漿加固區域內，需要考慮注漿過程對盾構機的影響，因而對注漿加固方案進行優化，分為盾體周邊保護注漿及巖脈區域加固兩方面。在施工過程中,首先對盾體周圍進行保護注漿，通過盾構徑向孔注入聚氨酯，對盾構四周及刀盤前2 m范圍內的地層進行填充；然后通過管片注漿孔對脫出盾尾后的5環管片的周圍注入聚氨酯，以有效封堵該區域內的裂隙，防止后續注漿沿裂縫滲入后固結刀盤及盾體。其注漿范圍如圖2所示。

a) 注漿孔平面布置示意圖

b) 1-1剖面圖

盾體四周及刀盤2 m外的巖脈地段采用海上袖閥管注漿加固處理。注漿按先四周、后中間的方式進行，周邊2排注漿孔采用水泥-水玻璃雙液漿止水封閉，中間的注漿孔采用1∶1水泥漿注漿加固。隧道左線的加固長度為28.1 m，隧道右線的加固長度為33.0 m。如圖3所示，斷面加固范圍從隧道底部加固至破碎巖體頂部界面，兩側外放3.0 m，聚氨酯注漿范圍為海底至開挖輪廓線上方2.0 m，水泥、水玻璃雙漿液注漿范圍為海底至隧底下方3.0 m。

2.3.1.2 漿液配比及注漿參數

本次注漿方式為袖閥管雙液注漿，施工采用1.5 m×1.5 m鉆孔間距，梅花形布置。平均注漿量為13.6 m3/孔，注漿壓力為0.7～1.5 MPa。漿液配置中，水泥漿和水玻璃的配比為1∶1，水泥漿中水和水泥的配比為1∶1。海水配出水玻璃的波美度為15度，膠凝時間為120 s。

a) 注漿孔平面布置示意圖

b) 1-1剖面圖

2.3.2 掌子面保壓技術

在地層突變區域采用海上注漿加固后，通過衡盾泥填艙分級加壓，以利于地層中裂隙填充密實，形成厚泥膜，從而使開挖面具備較高的保壓能力。

該工程所用的衡盾泥為雙組份配制材料，分A組份和B組份，其中：A組份為干粉料，B組份為液體材料。衡盾泥的主要技術指標如表3所示。

表3 衡盾泥主要技術指標

2.3.2.1 衡盾泥配制

在衡盾泥配制過程中，應嚴格控制A、B組份和水的用量比例。首先向移動砂漿罐內加入2 m3水，然后通過剪切泵加入1 t A組份，充分攪拌30 min后抽到固定砂漿罐內；然后按照15∶1的比例通過自吸泵加入B組份，充分攪拌10～15 min，觀察漿液情況，如符合標準則進行前艙置換。

2.3.2.2 衡盾泥前艙注入及置換

潛水員進入氣泡艙時，首先關閉通往前艙的閘門，將注漿管接入前艙超前注漿管后向前艙注入衡盾泥漿。原前艙泥漿由頂部平衡管放出至污水箱。注入時應觀察前艙頂部壓力，及時調整注漿泵頻率和放漿口球閥開閉大小。待頂部平衡管排出的漿液與衡盾泥漿基本一樣時，將放出的漿液用自來水清洗，若無雜質洗出，則認為置換工作完成。

2.3.2.3 分級加壓控制

漿液置換完成后進行分級加壓控制。如表4所示，其控制標準應根據潮汐變化進行壓力調整，保壓最低值應比施工設計最低頂部支撐壓力值大0.6 MPa，保壓最高值應比施工設計壓力值大0.9 MPa。在保壓過程中對頂部進行放漿取樣，保壓歷時15 d。

表4 壓力分級控制標準

2.3.2.4 衡盾泥置換步驟及開倉情況

分級加壓后即可進行排土換氣作業。首先將氣泡艙壓力設置為比施工設計壓力高0.2 MPa的壓力值，潛水員打開前艙閘門，將前艙上半部分的衡盾泥清除至氣泡艙，通過泥水環流將衡盾泥帶出。清理完成后進行保壓試驗，試驗標準為在Samson氣壓調節裝置關閉情況下進行降壓，2 h后的壓力值如仍在原壓力值的85%以上，則試驗視為合格，同時應監測海面有無變化。待保壓試驗成功后，潛水員進入前艙正式作業。

本工程采用衡盾泥填艙結合海上注漿的施工實踐，在國內首次成功實現了海底高水壓泥水盾構在碎裂狀強透水不穩定地層中的保壓開倉。

3 結語

本文以復雜海底盾構隧道在不同地層進行開倉作業為研究對象，針對海底高水壓條件下單一地層、裂隙發育地層及碎裂狀強透水不穩定地層等不同情況，制定了不同的開倉保壓措施，得出結論以下：

1) 對于單一勻質地層及裂隙發育地層,可采用不同性能泥漿在適宜的泥漿壓力下階段性注入，在開倉前形成質量較好的泥膜，并保證泥漿滲入地層一定距離，從而對地層孔隙進行有效封堵，形成具備長時間保壓能力的泥膜，滿足開倉過程中閉氣性以及泥膜長期穩定性的要求。

2) 對于碎裂狀強透水不穩定地層，考慮地層裂隙充分發育及地層不穩定的特點，采用海上注漿加固地層及衡盾泥填艙相結合的方法，可以實現海底高水壓泥水盾構在該類地層的保壓。