盾構法壓氣作業半倉置換施工技術研究與應用

程楚慧 曾憲鋒

（粵水電軌道交通建設有限公司，廣東 廣州 510600）

目前城市軌道建設大多采用盾構法施工，盾構法施工不影響交通，施工噪聲小，適應各種地層，地表沉降易控制，地下管線不受干擾。采用盾構法施工，進入土倉檢查和更換刀具不可避免，特別是在刀盤前方土體不穩，當常壓開倉存在風險時，就需要采用帶壓作業。

國內外對氣壓開倉技術已有研究，以往氣壓開倉中泥膜制作、漿渣置換、氣漿置換均按照全倉置換方法進行，但實際施工中，如刀盤結泥餅，土倉碴土固結，刀盤前方土體不穩，地層擾動有空洞，富水地層噴涌，螺旋機密封不嚴，需要壓氣換刀，土倉碴土不可能全部置換且開倉過程，保持倉內穩定的時效性較短。李應嬌等[1]研究盾構機土倉氣密性檢測、土倉土氣置換、分散劑注入與半氣壓攪拌浸泡施工技術，解決了盾構機在不具備開倉條件下處理盾構機泥餅的問題，避免了人員進倉處理泥餅的風險以及因盾構機開倉而造成地面及鄰近建筑物發生沉降的風險。馬卉、祝思然等[2]通過室內試驗及理論計算的方法對衡盾泥的泥膜氣密性進行分析，保證盾構開艙時配置的空壓機完全滿足補氣條件。賀霄飛等[3]探討了壓氣作業在不穩定地層中更換刀具的情況，并闡述了壓氣作業中的常見問題及處理方法。在實際施工中，如刀盤結泥餅，地層擾動，土倉渣土部分固結，富水地層噴涌，螺旋機閘門密封不嚴，需要帶壓開倉，土倉碴土不可能完全置換。為解決上述技術難題，須針對盾構法壓氣作業半倉置換施工技術進行研究，形成了相應的施工技術。

1 工程概況

廣州市軌道交通八號線北延段【施工6 標】土建工程盾構區間，位于廣州市白云區石槎路，包括聚龍站～平沙站區間0.25 km、平沙站～小坪站區間 1.15 km，采用盾構法施工。盾構埋深在 10～13m，隧道穿越地層為<3-3>礫砂層、<3-2>中粗砂層、<4N-2>可塑狀粉質黏土層、<4N-3>硬塑狀粉質黏土層、<6C>泥巖頁巖全風化層、<8C-1>質灰巖中風化帶、<9C-1>炭質灰巖微風化帶、<9C-2>微風化灰巖層，地層復雜。在該類地層進行盾構施工，一方面由于灰巖地層強度較高，容易造成刀具和刀盤的嚴重破損；另一方面，由于上軟下硬地層，地層穩定性差，給開倉檢查及刀具更換帶來極大困難。盾構在該類地層中掘進需要經常開倉檢查及刀具更換。

2 總體思路

盾構法壓氣作業半倉置換施工技術方案主要是通過盾尾管片注雙液漿，尾刷注盾尾油脂，盾體徑向注膨潤土，形成土倉后部密封；通過半倉漿渣置換，降低漿液配比，提高泥膜壓力，增加泥膜等級，更好地形成土倉前部密封；通過氣漿置換，土倉氣體保壓試驗，跟蹤空壓啟動頻率，判斷泥膜制作效果，保證人員順利進入土倉，保證開倉作業時間。1）首次通過半倉置換方法，解決在刀盤結泥餅、地層擾動、土倉渣土部分固結、富水地層易噴涌、螺旋機閘門密封不嚴易噴涌，土倉碴土不能完全置換的問題，解決土倉磕土超排的風險，同時克服設備不能密封的風險。2）優化泥膜材料配合比，降低了稠度，提高漿液流動性和擴散性，漿液置換方便，操作安全，判斷準確，縮短泥膜制作施工工期。3）為帶壓開倉提供穩定、可靠、安全的作業環境，給盾構法帶壓開倉提供足夠的倉內作業時間。4）通過測量空壓機的啟動與停止的頻率，確定掌子面的密封性能，從而為帶壓開倉持續時間提供參考，為人員在土倉內作業的安全性提供重要評估依據，為氣壓開倉的安全性提供重要評估依據。

2 開挖倉氣壓的確定

氣壓作業工作壓力：能保證掌子面的穩定的開挖倉氣壓，如公式（1）所示。

式中：Pw為計算至隧道開挖中心的水頭壓力；Pr為考慮不同地質條件、地面環境及開挖面位置的壓力調整值。

在氣壓作業前，應進行保壓試驗。在開倉前進行渣土輸出，同時加入氣體進行置換。當開挖倉內壓力達到預定值時（預定值不得低于計算所得的理論工作壓力），打開自動保壓系統。當倉內土體降至設定高度后，如果開挖倉壓力保持2 h沒有變化或沒有發生大的波動，就說明保壓試驗合格。

在確定氣壓，準備進行壓氣前，一定要保證盾尾的油脂注入量和砂漿注入量足夠，保證土倉不漏氣。

3 施工工藝流程

盾構法壓氣作業半倉置換施工工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 盾構整體快速過站裝置流程圖

4 盾構法壓氣作業半倉置換施工

4.1 盾尾管片注雙液漿

停機前，保證餃接行程不少于15 cm。在脫出盾尾的后5環管片注入雙液漿止水，保證后部來水不進入土倉，保證土倉壓力穩定和周邊地層穩定。注漿壓力按盾構埋深控制，通過注漿孔檢測二次注漿密封效果。常壓進倉主要應保證刀盤前方周圍地層穩定和后部無來水的要求，因此止水封堵效果及進行封堵的位置至關重要，進倉前采用管片背后二次注漿和盾體徑向注漿組合的方式。

倒數3-5 環管片進行壁后雙液注漿止水，同時在盾體徑向注漿孔注入膨潤土泥漿及聚氨酯加強止水和防止雙液漿固結包裹盾體。保證壁后填充密實，形成封閉止水環。盾尾管片注雙液漿施工示意圖如圖2 所示。

圖2 盾尾管片注雙液漿示意圖

注漿壓力為0.2MPa～0.4MPa。每環的注漿量一般為1m3～2m3，注漿量受到注漿壓力的影響，實際注漿量還應參考注漿壓力來決定。區間二次注漿采用水泥漿、水玻璃雙液漿進行，水泥漿采用P.C42.5 普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用35Be＇（波美度）的濃度，水泥漿漿液水灰比為1 ∶1；水泥漿與水玻璃的配比（體積比）為1 ∶1。注漿施工記錄表見表1。

表1 注漿施工記錄表

注漿24 小時后，打開管片上注漿球閥，無外流水即可，少量滴漏、壁管濕潤亦視為合格。盾尾打開盾體上球閥，檢查漏水情況，無線性外流水即為合格。

4.2 盾尾注盾尾油脂和盾體徑向注膨潤土

在尾刷和盾尾之間注入油脂，密封尾刷和盾尾之間間隙。注入壓力按盾尾埋深控制，并詳細記錄注入時間、注入點位位置、注入量以及注入壓力等。通過盾體徑向預留孔，在盾體徑向注膨潤土或衡盾泥，填充盾體和土層之間間隙，保證周邊地層穩定止水。并詳細記錄注入時間、點位、注入量以及注入壓力等。

4.3 漿液制作

漿液制作以衡盾泥為例，衡盾泥是一種以無機黏土為主要材料，通過改性后與增黏劑反應形成一種高黏度的觸變泥漿，具有良好的和易性和黏附性，在水中不易被稀釋帶走，成膜穩定，附著力好。按照半倉置換要求，適當降低漿液配比。

漿液制作以衡盾泥為例，衡盾泥是一種以無機黏土為主要材料，通過改性后與增黏劑反應形成一種高黏度的觸變泥漿，具有良好的和易性和黏附性，在水中不易被稀釋帶走，成膜穩定，附著力好。按照半倉置換要求，適當降低漿液配比。A 液∶衡盾泥：水360kg ∶1000kg，A 液∶B 液：（12.5-20）∶1。其中A 液制作直接在隧道內進入，將衡盾泥和水直接在砂漿車內混合和攪拌，通過剪切泵進行二次循環剪切。保證A 液無顆粒狀，無干粉狀，無塊狀。通過臺車上同步注漿罐，將A 液與B 液倒入臥式攪拌槽內進行混合，A 液放量不能超過臥式攪拌葉片的2/3 高度，每次1～2m3，2min 后目測達到效果。

4.4 漿渣置換

注入位置利用土倉隔板3、9 點預留球閥，在置換過程中，將注入壓力設定為0.5MPa，密切觀察土倉上部壓力變化，動態控制倉內壓力，要求如下：恒定土倉上部壓力，避免壓力過度波動擾動地層。適當打開螺旋機閘門排土，保證排土量與注入量基本平衡，并做好記錄。在螺旋機排土過程中，當出現衡盾泥成分時，可慢速（0.1 r/min）旋轉刀盤15 °～20°，再繼續壓漿。直至土倉置換完成一半左右。

4.5 刀盤回縮

置換完成后，可回縮鉸接，使盾構機后退5cm，使刀盤與掌子面之間建立5cm 左右的泥膜。可加厚了刀盤前方的衡盾泥厚度及均勻度，形成“泥墻”。

4.6 泥膜制作

加壓等級為5 梯級，第1 梯級為開倉工作壓力0.02MPa，每梯級升高0.02MPa。每梯級壓降達到0.02MPa 后，重新注入漿液；每半小時低速轉動刀盤1 次，每次轉動半圈；壓降小于0.02MPa /2h，提升壓力等級。

最后一級，當注入壓力達到設計壓力時，進行12 h 的動態保壓注入試驗，至少保持2 h 壓力不出現明顯下降（≤0.02 MPa），才可以進行排土壓氣，注入過程中要記錄壓力變化情況以及每次補注的時間與注入量。

通過2～4 h 的保壓和持續補漿，泥膜已經形成一定規模。形成的泥膜是否能夠提供帶壓作業時的圍護作用，需要通過泥膜檢驗來做初步的判斷。通過排漿逐步將土倉壓力回調至工作壓力，開始觀察2h，如發現土倉壓力有逐漸上升的趨勢，說明外圍壓力大于設定的土倉壓力，需要增大工作壓力。如果土倉壓力變化小于0.005MPa，就說明滿足泥膜滿足保壓標準，進入換氣排漿的階段。各種壓力泥膜制作記錄表（5 級）見表2。

表2 泥膜制作施工記錄表

4.7 氣漿置換

在保壓過程中緩慢地將泥漿排出，整個過程必須平穩緩慢地進行，避免出現漿液排出過快造成上部欠壓的情況。出渣壓力按照開倉時工作壓力來設置，出渣過程中壓力變化不超過0.005MPa 。當泥膜制作達到最后一級后，通過土倉隔板3、9 點位預留球閥進行氣漿置換。3、9 點位球閥接管，將漿液排至砂漿車內；土倉壓力達到開倉壓力后，開通氣動自動加壓裝置，使土倉壓力恒定；繼續排出漿液，通過球閥開關，調節漿液流量，保持土倉壓力穩定；當3、9 位球閥排出氣體后，置換成功。

4.8 土倉保壓

空壓機頻率是監控土倉壓力是否穩定的關鍵，氣漿置換完成后，在土倉保壓階段，空壓機運行頻率加載時間與卸載時間不小于1/10；在氣壓開倉作業階段，空壓機運行頻率加載時間與卸載時間不小于1/2。

當達到設計壓力后，進行保壓。保壓持續2～4 h。在保壓過程中，注漿罐中保留適當的泥漿，控制室內安排不間斷觀察。泥漿進行滲透后，壓力下降，此時通過注漿系統繼續向倉內補漿，直至液面和壓力恢復到最大允許壓力。壓力變化值20 min～30 min記錄一次，保壓全過程壓力變化小于0.005MPa，視為保壓試驗合格。當出現大于0.005MPa 時必須重新施作泥膜，泥膜施作完成后，再次進行保壓試驗，直至保壓在穩定的范圍。

在保壓過程中加強地面監測和地面管線監測。地面監測范圍為開倉位置前后30 米。保壓期間安排測量人員對刀盤所在的位置地面進行監測。

保壓期間對地面和周邊情況加強巡視工作，檢查地面是否有漏氣現象，如有漏氣則進行注漿封閉。保壓期間對地面進行全時段巡視檢查，直至保壓試驗完成為止。

5 實施效果

與盾構壓氣換刀全倉置換對比，該技術結合施工實際情況，克服了土倉渣土不能全部置換的缺點，通過優化泥膜材料配比，增加泥膜制作等級，提高泥膜制作壓力，保證了泥膜質量，該技術結合實際，操作方便，可克服螺旋機閘門泄漏，不易造成地面塌陷，安全性大大增加，開倉成功率大大增加。其中泥膜制作可以采用膨潤土，也可采用衡盾泥。漿渣置換，不用全部置換完成，可達到漿液加壓制作泥膜條件，既節約了泥膜材料，又減少了由于超排造成的地面塌陷。氣漿置換，漿液排出不用螺旋機，通過土倉隔板3、9 點預留球閥排放，通過土倉隔板3、9 點預留球閥，檢測土倉液面，保證開倉順利換刀，避免了由于螺旋機閘門無法保壓和漿液超排等造成土倉泄壓，地面塌陷的風險。

6 結語

廣州市軌道交通八號線北延段【施工6 標】土建工程項目采用該技術，成功解決了在刀盤結泥餅，地層擾動，土倉渣土部分固結，富水地層噴涌，螺旋機閘門密封不嚴，需要帶壓開倉，土倉碴土不可能完全置換的施工難題且未對周邊建構筑物造成任何安全影響。施工全過程工效高、安全可靠順利完成盾構壓氣作業，總體施工質量較好。