趙亞黨

摘 要：盾構(gòu)施工作為先進(jìn)的地下空間非開挖技術(shù)，近年來在市政工程中的應(yīng)用越來越廣，但地下隧道盾構(gòu)施工經(jīng)常會(huì)因刀具磨損、清除泥餅和更換刀具等原因，需要施工人員進(jìn)入土艙內(nèi)作業(yè)。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(huì)對(duì)艙內(nèi)作業(yè)造成很大的威脅，因此，開艙作業(yè)在很大程度上受到了地質(zhì)條件的制約。通過在砂層淺覆土段進(jìn)行盾構(gòu)氣壓開艙施工實(shí)踐，對(duì)不良地層氣壓開艙作業(yè)中存在的問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu)；換刀作業(yè)；泥膜；保壓試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(gòu)區(qū)間開艙是由于盾構(gòu)機(jī)累計(jì)穿過房屋并切割基礎(chǔ)灌注樁計(jì)96條后，出現(xiàn)殘留鋼筋堵塞在艙內(nèi)泥漿出口格柵前后、管口、管前段，需開艙清理；②由于地質(zhì)情況的變化，出現(xiàn)了上軟、下硬的地層，隧道上部為砂層，底部為<6> <7>地層，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中沿<7>地層緩坡逐漸向上抬頭，出現(xiàn)垂直姿態(tài)超限、盾尾卡死現(xiàn)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(jì)劃性開艙，對(duì)地質(zhì)的選擇性較差，在隧道正上方和隧道范圍內(nèi)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(duì)開艙時(shí)掌子面的穩(wěn)定作用不大，且砂層中的含水量、滲透系數(shù)高，屬于全斷面砂層。此外，盾構(gòu)機(jī)上方為新建成的道路，車流量大、兩側(cè)房屋密集、商鋪集中，開艙存在較高的風(fēng)險(xiǎn)。

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(wěn)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(nèi)土體，進(jìn)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(shí)現(xiàn)土體固結(jié)，從而提高掌子面土體的穩(wěn)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(wěn)定性。④ 圍護(hù)樁加固。在掌子面周圍建造圍護(hù)樁，直接保證掌子面的穩(wěn)定。⑤帶壓作業(yè)。通過向土艙注入壓縮空氣，以氣壓平衡代替艙內(nèi)壓力平衡。

本工程中采用帶壓開艙換刀的方式。根據(jù)環(huán)境條件和地質(zhì)情況，選用泥水壓泥模帶壓開艙作業(yè)，其工作原理為：在泥水艙內(nèi)注入特制的膨潤(rùn)土漿液，通過加壓和保壓系統(tǒng)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(wěn)固正面土體的“泥膜”。這層“泥膜”可使掌子面土體穩(wěn)定和不滲水，從而達(dá)到開艙的目的。

本工程按泥漿滲透形成5 cm厚的泥膜設(shè)計(jì)。經(jīng)試驗(yàn)，壓入艙內(nèi)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(wěn)定的護(hù)壁泥膜。在作業(yè)過程中，啟動(dòng)備用空壓機(jī)和備用電源，以保證整個(gè)壓氣開艙作業(yè)過程中的壓力穩(wěn)定。

本工程共進(jìn)行泥模帶壓開艙15次，其中，該盾構(gòu)區(qū)間開艙3次，另一盾構(gòu)區(qū)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(wěn)定時(shí)間達(dá)到14 h，開艙作業(yè)取得了較大的成功。

4 開艙作業(yè)過程

4.1 制漿

制漿材料采用易鉆（Hydraul-EZ）專業(yè)制漿膨潤(rùn)土和配合劑。利用了專業(yè)制漿產(chǎn)品的以下6個(gè)特點(diǎn)：①高濃縮、高造漿率；②極佳的懸浮輸送能力；③作用時(shí)間長(zhǎng)，可以長(zhǎng)時(shí)間保持泥漿性能穩(wěn)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(jié)黏附，防止刀具糊

鉆；⑥可承受中都的硬水和低pH值水。

對(duì)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(jīng)過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)調(diào)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(yùn)輸進(jìn)的泥漿約為6～7 m2。通過放置在連接橋平臺(tái)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(shí)，打開下部V32出漿閥，將艙內(nèi)原漿排出、置換。置換過程要平緩進(jìn)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(wěn)。

通過計(jì)算，土艙內(nèi)的泥漿約為40 m2。在泥漿注入的過程中，每注一車后對(duì)排漿閥放出的泥漿進(jìn)行參數(shù)測(cè)定。一般情況下，當(dāng)排出的泥漿黏度到達(dá)40～60 s時(shí)，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(xì)計(jì)算，重新確定切口壓力。地面沒有建筑物、附加荷載為0時(shí)，先按靜止土壓力公式計(jì)算，再適當(dāng)修正。

加壓強(qiáng)度為當(dāng)前地層中切口壓力的1.2～1.5倍。具體情況根據(jù)加壓時(shí)地面的監(jiān)測(cè)情況決定。當(dāng)?shù)孛姹O(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)超過5 mm的隆起時(shí)，確定為最高允許壓力。

加壓時(shí)通過分次加壓的方式，先提高到切口壓力的1.1倍后，穩(wěn)壓10 min，聯(lián)系地面監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況開展下次加壓。

當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)<5 mm的隆起時(shí)決定最終壓力，并進(jìn)入下一階段的保壓過程。

4.4 保壓

當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后進(jìn)行保壓，保壓一般持續(xù)8～12 h。

在保壓過程中，注漿罐中保留適當(dāng)?shù)哪酀{。控制室內(nèi)要安排不間斷的觀察。泥漿滲透后壓力會(huì)下降。此時(shí)，通過注漿泵繼續(xù)向艙內(nèi)補(bǔ)漿，直至液面和壓力恢復(fù)到最大允許壓力。

4.5 減壓檢驗(yàn)

通過8～12 h的保壓和持續(xù)補(bǔ)漿，泥膜可形成一定的規(guī)模。形成的泥膜是否能提供帶壓作業(yè)時(shí)的圍護(hù)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(diào)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(fā)現(xiàn)切口壓力有逐漸上升的趨勢(shì)、液面有注漿上漲的趨勢(shì)，則說明泥膜形成不理想，掌子面仍有漏水通道，恢復(fù)壓力后應(yīng)繼續(xù)注入新制泥漿，進(jìn)行新一循環(huán)的泥膜建立；如果發(fā)現(xiàn)切口壓力沒有變化，則進(jìn)入換氣排漿階段。

4.6 換氣排漿

開艙換刀作業(yè)必須進(jìn)入泥水艙內(nèi)，而通過排漿只能降低氣壓艙內(nèi)的液面，要想降低開挖艙內(nèi)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(nèi)。在氣體注入的同時(shí)，排出漿液，整個(gè)過程必須平穩(wěn)、緩慢進(jìn)行，避免出現(xiàn)因漿液排出過快而造成上部欠壓的情況。此外，氣壓可適當(dāng)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(nèi)與氣艙內(nèi)的氣壓達(dá)到一致。在兩個(gè)艙內(nèi)的泥漿液面下降至不影響換刀作業(yè)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(guī)程序進(jìn)行換刀作業(yè)。艙內(nèi)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(jì)算按靜止土壓力計(jì)算取上限、主動(dòng)土壓力取下限，地面附加荷載取0.

靜止土壓力計(jì)算：

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

主動(dòng)土壓力計(jì)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(gòu)機(jī)頂部的水位高度；K0為靜止土壓力系數(shù)，地層中為0.389；H為至盾構(gòu)機(jī)頂部的地面高度；Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)，tan2（45-φ/2）。

計(jì)算得出，盾構(gòu)機(jī)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(jīng)驗(yàn)，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(yè)安全，帶壓作業(yè)時(shí)的氣壓選用要在上、下限之間，即取2.1 bar。

5 開艙小結(jié)

帶壓開艙換刀技術(shù)是其他同類型盾構(gòu)，特別是穿越溝渠、河流和海底等特殊地理環(huán)境時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)中換刀的主要手段，但砂層具有透水性高的特點(diǎn)，導(dǎo)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(zhì)條件，通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)程序檢驗(yàn)氣壓、氣體泄漏情況、開挖面穩(wěn)定情況等，并分析氣壓與水土壓力的平衡機(jī)理，采取有效措施比如優(yōu)質(zhì)泥膜等。在實(shí)施過程中，必須制訂合理的開艙流程，泥水盾構(gòu)必須考慮泥膜的干縮影響，并及時(shí)對(duì)泥膜進(jìn)行修復(fù)。

〔編輯：張思楠〕