何昌連，潘淡濃

（宏潤建設集團股份有限公司，上海市 200235）

0 引言

隨著城市軌道交通快速發(fā)展，盾構隧道面臨的地質(zhì)條件及施工環(huán)境越來越復雜，不僅會遇到軟弱土層、硬巖層、上軟下硬復合地層等復雜地質(zhì)，還有穿越江河、建筑群樁、橋樁等特殊工況。盾構刀盤在硬巖地層中掘進極易受損，而在復合地層中除磨損外還常伴隨“泥餅”現(xiàn)象，致使盾構推力、扭矩等參數(shù)異常，給盾構掘進帶來極大阻礙，因此必須開倉進行換刀與除泥餅作業(yè)。常用的開倉方式有常壓開倉和氣壓開倉兩種，其中前者適用于掌子面自穩(wěn)性強、含水量低等條件，后者適用于地質(zhì)條件復雜、掌子面自穩(wěn)性差、含水量高、滲透系數(shù)大等條件。

本文以南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間穿越玄武湖為例，著重介紹盾構機所處湖底粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾卵礫石、強風化角巖化泥巖等上軟下硬、自穩(wěn)性差、透水性強的惡劣工況下，如何實施水泥砂漿護壁輔助氣壓換刀技術。

1 工程概況

南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間為雙線隧道，左線里程K18+203～K20+879約2 226環(huán)，右線里程K18+208～K20+892約2 223環(huán)，隧道外徑6.2 m（見圖1）。區(qū)間平面最小曲線半徑為R=350 m，縱斷面設計為V形坡，最大縱坡28.495‰，隧道埋深為9.2～34.2 m（中間風井處埋深最大）。區(qū)間隧道設中間風井1座（與2#聯(lián)絡通道合建）、聯(lián)絡通道4座。其中右線里程K19+290～K20+340下穿玄武湖，水深一般為1.3～1.7 m，湖底標高一般為8.33～9.0 m，右線里程K19+370～K19+400穿越已建九華山公路隧道，隧道底標高約0 m，抗拔樁長約20 m，樁底標高約-20 m。

2 工程地質(zhì)水文條件

新莊站—雞鳴寺站區(qū)間隧道過中間風井后盾構主要處于玄武湖底硬巖段地層掘進，該區(qū)域隧道掌子面主要為T2h-2j強風化角巖化泥巖、T2h-3j中風化角巖化泥巖、δu-3中風化閃長巖地層，該巖層呈紅色砂土狀，自穩(wěn)性差且遇水易軟化；隧道頂部1.5 m范圍為③-4e1混合土層，該土層以粉質(zhì)黏土夾卵礫石為主，含微承壓水，透水性強、穩(wěn)定性差；隧道頂部1.5～2.5 m范圍為③-4b1-2粉質(zhì)黏土層，該層為軟弱土層，自穩(wěn)性差、透水性強（見圖2）。

圖1 新莊站—雞鳴寺站區(qū)間線路平面

圖2 新莊站—雞鳴寺站區(qū)間地質(zhì)剖面

巖、土層分布變化大，強度軟硬不均，閃長巖和角巖化泥巖分布無規(guī)律，巖石強度差異性大，部分強度甚至達到100 MPa以上。巖層中飽含基巖裂隙水，軟弱土層中含微承壓水，地下水豐富。

3 盾構選型與刀盤配置

圖3 盾構刀盤結構

4 換刀施工籌劃

4.1 合理選擇開倉位置

盾構機自中間風井始發(fā)后進入長距離硬巖段地層掘進，并于961～988環(huán)穿越九華山隧道，為避免換刀施工對九華山隧道運營造成干擾，決定待穿越九華山隧道后進行開倉換刀作業(yè)。根據(jù)施工記錄反映，硬巖段盾構掘進速度達到15 mm/min，盾構機掘進至1 030環(huán)時，掘進速度降至3 mm/min，經(jīng)判斷刀具磨損嚴重（見圖4），不宜繼續(xù)掘進，遂準備停機換刀。

圖4 刀具磨損

4.2 換刀風險分析

玄武湖水系龐大，湖底所處地層為粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾卵礫石、強風化角巖化泥巖等，自穩(wěn)性差、透水性強。若湖底開倉換刀期間，出現(xiàn)掌子面土體坍塌或氣壓泄漏等狀況，導致湖水回灌現(xiàn)象，則將帶來無法挽回的后果，社會影響十分嚴重。

4.3 保壓方案選擇

（1）采用常規(guī)氣壓換刀[1]，基本上無法保住氣壓。

（2）若采用膨潤土泥膜護壁保壓換刀[2]，由于該地層中地下水豐富，泥膜及掌子面土體易被水流沖刷、剝落，導致掌子面失穩(wěn)，因此也不適用。

（3）若采用填倉法換刀[3]，則耗時太久，因此也不適用。

綜上所述，為確保換刀作業(yè)安全可靠、風險可控，經(jīng)研究決定采用水泥砂漿護壁技術進行保壓換刀施工。

5 水泥砂漿護壁保壓換刀

5.1 施工工藝流程

水泥砂漿護壁保壓換刀施工工藝流程如圖5所示。

圖5 施工工藝流程

5.2 施工準備

5.2.1 換刀氣壓設定

根據(jù)實際掘進情況擬定在1 037環(huán)停機，由朗肯土壓力理論可得該環(huán)靜止土壓力為0.238 MPa，而盾構近期實際掘進平衡土壓力為0.25 MPa，且未出現(xiàn)欠挖、超挖等現(xiàn)象，因此換刀氣壓暫定為0.25 MPa，并根據(jù)最終保壓試驗結果進行微調(diào)。

5.2.2 技術準備

盾構掘進至1 031～1 036環(huán)時，保持土倉內(nèi)平衡土壓力為0.25 MPa；待掘進至1 037環(huán)停機時，將土倉壓力穩(wěn)定在0.3 MPa，并將刀盤伸縮行程調(diào)整為12 cm。

5.2.3 材料設備準備

地面上配備2臺75 kW電動空壓機和1臺柴油空壓機（備用）以供氣。氣體經(jīng)空氣過濾系統(tǒng)處理后，通過氣體輸送管路接入SAMSON盾構保壓系統(tǒng)。此外由盾構車架上的空壓機另接一條備用輸氣管路接入SAMSON系統(tǒng)，以防地面設備故障或管路損壞等原因造成倉內(nèi)氣壓不足，確保換刀施工安全（見圖6）。另需配備注漿材料（水泥、膨潤土等）、聚氨酯，以及換刀機具等材料設備。

圖6 盾構保壓系統(tǒng)總裝圖

5.3 注漿止水、閉氣

為封堵盾尾后方地下水以防其前竄至土倉內(nèi)，并減少氣體泄漏通道，在盾尾、中盾等區(qū)域壓注漿液或聚氨酯。具體步驟如下：

（1）向盾尾后4～6環(huán)管片外部逐環(huán)壓注雙液漿以形成“環(huán)箍”，切斷盾尾后方地下水流竄通道。漿液配合比：水灰比為1.5，水泥漿與水玻璃體積比為3∶1。漿液初凝時間為25～45 s，水玻璃濃度為35Be'。

（2）向盾尾后1～3環(huán)管片外部壓注聚氨酯以形成“止水環(huán)”，有效隔水。

（3）通過盾構殼體預留徑向注漿孔向中盾外部壓注膨潤土漿液，注漿終壓控制在0.3 MPa，使膨潤土充滿盾殼與土體間空隙，防止氣體向盾尾后流竄，同時可避免盾體被置換土體的水泥漿固結。

5.4 螺旋機閘門密封性改良

盾構機長距離掘進時，螺旋機閘門極可能受到局部磨損破壞，氣體易從該處泄漏。因此可在閘門口處加裝一套DN300球閥，以增強其密封性。

5.5 土體置換

采用水泥砂漿置換土倉內(nèi)土體[4]，在刀盤前端形成致密的水泥砂漿“護壁墻體”，能有效阻隔地下水并防止氣體泄漏。具體步驟如下：

（1）在土倉壓力墻上3、9點位置（鐘表位）連接注漿管路。

（2）分階段向土倉內(nèi)注漿，置換土倉內(nèi)渣土。

a.第一階段。刀盤縮回8 cm，保持土倉壓力在0.3～0.35 MPa進行置換注漿，間隔轉動刀盤（轉速為0.5 r/min）。堅持“等量替換、土壓不變”的原則，利用螺旋機出渣，一旦螺旋機攪出漿液立即停止第一階段注漿，注漿量控制為20 m3（見表1）。

表1 水泥漿液配合比

b.第二階段。保持土倉壓力在0.36～0.42 MPa進行置換注漿，間隔轉動刀盤（轉速為0.5 r/min）。適量出渣，注漿量控制為12 m3（見表1）。

5.6 土倉氣密性試驗

（1）土體置換完畢后觀察1 h，若無異常情況，在不轉動刀盤的情況下利用螺旋機出渣，將土倉上部壓力降低至0.25～0.27 MPa。

（2）關閉泡沫系統(tǒng)的液體球閥，利用泡沫系統(tǒng)的供氣管路向土倉內(nèi)加氣，使土倉上部壓力保持在0.25～0.27 MPa。在不轉動刀盤的情況下繼續(xù)出渣，將倉內(nèi)渣位降至土倉門底部球閥以下，使得SAMSON保壓系統(tǒng)能夠正常向土倉內(nèi)補氣，出渣量控制在10～12 m3。

（3）設置SAMSON保壓系統(tǒng)補氣壓力為0.25MPa，觀察3 h，記錄過程中設備運行情況、地層密閉性、土壓力變化情況以及保壓系統(tǒng)工作情況。

（4）若無異常情況出現(xiàn)，則繼續(xù)出渣，將土倉內(nèi)渣位降至2、10點位置（鐘表位）附近，出渣量控制為10 m3，繼續(xù)觀察1 h。

（5）若無異常情況出現(xiàn)，則安排操作人員壓氣進倉，并根據(jù)倉內(nèi)實際情況將倉內(nèi)渣位降至3～9點位置，出渣量控制為13～14 m3。

（6）若以上步驟均無異常情況出現(xiàn)，則進入保壓換刀作業(yè)工序。

5.7 保壓換刀作業(yè)

本文中主要介紹保壓換刀安全注意事項，具體工序從略。

（1）嚴格執(zhí)行“三人一組進倉、組長進倉帶班、操倉人員及醫(yī)生24 h倉門值班”原則。倉外值班人員必須實時監(jiān)控倉內(nèi)作業(yè)人員身體狀況、掌子面情況等，若發(fā)現(xiàn)異常情況則立即關閉倉門減壓出倉。

（2）倉內(nèi)水位上漲時，以保證倉內(nèi)氣壓平衡為原則，打開土倉面板上相應位置的球閥進行排水，待有氣體泄漏時即刻關閉球閥。

（3）每組人員帶壓工作時間不宜超過2 h，減壓時間宜根據(jù)帶壓作業(yè)時長來控制。

6 施工效果

通過水泥砂漿護壁保壓換刀技術在南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間隧道穿越玄武湖案例中的成功應用，共計換刀3次、換刀49把、換刀時長36 d，單次護壁時間為11～15 h（見表2），解決了在掌子面自穩(wěn)性差、含水量豐富的復雜地層中難以安全換刀的課題，希望能為行業(yè)同仁在同類地層中實現(xiàn)盾構保壓換刀作業(yè)帶來幫助。

表2 水泥砂漿護壁保壓換刀工況統(tǒng)計

7 結語

本文以南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間隧道為背景，通過對上軟下硬富水復合地層保壓換刀技術進行研究，總結了如下體會：

（1）水泥砂漿護壁保壓技術可在刀盤前端形成具有一定強度的水泥砂漿“護壁墻體”，基本杜絕了常規(guī)泥膜護壁下的掌子面土體失穩(wěn)、氣壓泄露等不良現(xiàn)象，加固效果顯著，是可推薦選擇的保壓施工技術。

（2）水泥砂漿護壁保壓技術其總體可靠性要遠優(yōu)于膨潤土泥膜護壁保壓技術，但弱于填倉法保壓技術。在上軟下硬富水復合地層中，一般選擇該技術實施換刀作業(yè)是可行的。

（3）今后可加強對水泥砂漿護壁墻體強度、抗?jié)B性等指標的采集與梳理，可為信息化指導施工提供數(shù)據(jù)基礎。