中铁隧道股份有限公司 郑州 450003
摘要：结合南京地铁【京新村站～泰冯路站】盾构区间软硬不均复合地层盾构推进，针对在土压平衡盾构机开仓换刀施工中，因地表无法进行预加固等处理措施，总结出在掘进掌子面形成致密泥膜，保压进仓检查、更换刀具的关键技术，优质高效的进行土压平衡盾构机的开仓施工。该总结较以往土压平衡盾构机开仓换刀，大大缩短了整个开仓换刀时间、减少地面环境影响和施工成本，形成一套有效的施工方法，成功解决了区间隧道开仓换刀施工难题。
关键词：土压平衡盾构；泥膜；软硬不均带压进仓
0 引言
在复杂地层中的穿江越海工程中，泥水盾构具有土压平衡盾构所无法比拟的先天优势，但泥水盾构对地质条件的要求严格，适用性受到一定限制，随着城市轨道交通的高速发展，土压平衡盾构因地质的适应性范围广、施工工艺较泥水盾构简单、建设成本低、场地环境影响小得到更为广泛应用。由于地层的复杂性和富水性的客观存在，在盾构施工过程中，在出现必须进入气压或泥水仓作业的情况时，敞开式进仓作业是不可实施的。因此，必须采用带压进仓进行作业，必要时还需进行带压潜水作业。
土压平衡盾构带压进仓必须基本将土仓出空，用压缩空气来平衡掌子面水土压力，在不采用地面加固的情况下，受地层裂隙影响，气压损失过大，无法达到保压效果，土压平衡盾构受设备、工艺等限制，很难在掌子面形成致密泥膜，从而达到保压效果，直接带压进仓困难。通过对掌子面密闭性研究（泥膜形成后保压），从而更深入的研究土压平衡盾构机在复合地层推进刀具更换技术。
1 工程情况
南京地铁三号线TA03标【泰冯路站～京新村站】盾构区间1.2Km双线隧道，区间隧道穿越地质情况见表1，区间采用1台复合式土压平衡盾构机。区间地面主要是天润城9街区、12街区房屋（隧道2侧，距离隧道大于30米），下穿苏宁1-2层建筑施工板房（主要位于上软下硬段）、永利铁路支线、华浦混凝土部分厂房。因本区间前面一半为软土，后面一段为复合地层，受前面软土段影响无法将适合后面复合地层段推进的刀具全部安装（会造成刀盘过重引起盾构机“叩头”，即使安装也会因软土推进结“泥饼”造成滚刀无法在进入岩层后正常使用），盾构始发初装滚刀主要为边滚刀和部分正滚刀，在上软下硬段必须开仓检查和安装刀具。
【泰冯路站～京新村站】盾构区间是南京较为典型的长江漫滩软土地层向老山岩石复合地层过渡的工程；一方面必须经历一段上软下硬地层，另一方面无法避免的存着地下水丰富且岩层裂隙等客观地质条件；同时因地表不具备提前加固处理提供直接开仓作业条件，项目工期紧、任务重，经研讨分析采取土压平衡盾构泥膜形成技术保压后带压进仓作业。
2 关键技术及拟解决办法
土压平衡盾构实现较好的泥膜保压效果关键技术及拟解决办法如下：
（1）土压平衡盾构机渣土改良系统、注泥系统改进和气体保压系统维护。承担本工程施工的海瑞克S217盾构机运至郑州中铁装备公司大修，恢复带压进仓的气体保压系统，同时结合地层特点由中铁装备公司设计生产本区间刀盘并配置相关刀具，同时结合地层特点改进渣土改良系统。
（2）不同地层注入泥浆参数配比、泥浆置换情况，掌子面泥膜形成效果判断。通过一定土工试验及实际的盾构推进渣土改良效果，确定形成泥膜需要注入的泥浆参数配比及具体的操作流程。
（3）泥膜保压情况下带压进仓作业安全时间研究判断。通过盾构机气体保压系统，出空土仓，通过保压系统气体补充情况判断泥膜形成效果及进仓安全。
（4）动态施工参数管理研究。全过程记录并分析相关施工参数，实施动态管理，及时调整进仓作业。
3土压平衡盾构通过掌子面形成泥膜确保气密性构想
土压平衡盾构机通过开挖渣土建立土仓压力与地层侧压力达到一定平衡确保掌子面坍塌，同时掌子面受承压水、岩层裂隙、盾体与土层开挖间隙影响无法保证气压密闭性。
借鉴已相对成熟的地下连续墙围护结构成槽施工，成槽机一边开挖，一边往槽壁输入泥浆达到支撑地层水土压力的效果，通过泥浆护壁，进行深槽开挖的稳定原理（见图1地下连续墙成槽泥浆护壁图）；泥水盾构机掘进施工，通过采用加压膨润土泥浆支护开挖面的施工原理，实现泥膜稳定掌子面等相关施工工法。从而设想土压平衡盾构机主动往土仓注入优质泥浆，通过大于开挖面土层压力往地层渗透形成泥膜，达到密闭性效果，实现土压平衡盾构掌子面泥膜形成技术（见图2土压平衡盾构泥膜密闭设想图）。
4 上软下硬段施工情况及开仓位置预判
4.1推进过程主要现象
（1）岩层裂隙发育，螺旋输送机喷涌，推进困难。
（2）同步注浆无法达到设计要求，易出现浆液往开挖面窜浆的情况，同时渣土改良必须往开挖面加入大量压缩空气，掌子面高压力进一步加剧喷涌的情况，推进喷涌情况陷入恶性循环。
盾构机边滚刀轨迹直径为6.42米，盾体最大直径6.39米，存在着少量超挖情况，加上目前线路处于上坡（头高尾底），同步注浆浆液在后部F3断裂带和岩层裂隙水压力共同作用下，沿盾体间隙往土仓里窜，采用盾尾同步注浆更进一步加剧螺旋输送机喷涌。
（3）刀盘扭矩明显增大，刀盘泵经常跳闸，渣土温度高，推进速度明显减弱。
（4）单个循环工序时间明显增长，每环拼装前都要清理喷涌3～6个小时，推进时间约3小时，加上换车出渣、管片拼装等工序，单环循环时间增加至6小时以上。
4.2 主要措施
（1）一方面加强了螺旋输送机后面出渣口的防喷橡胶格挡装置，另一方面，用小渣斗在出渣口接渣，用木板在拼装区域格挡等方式尽量让渣土不要进入拼装区域，但是因为盾构机前进，这些措施都存在着各方面的缺陷，效果也不是很明显。
（2）在500环-525环共进行4次专门的二次注浆工序，注双液浆，双液浆凝固时间调整至15分钟以内，注浆前憋着压力推进10CM左右，将土仓填满，然后停止推进后进行专项注浆。
（3）二次注浆封闭盾尾后喷涌的情况得到明显改善，但是同步注浆的情况下会继续喷涌，第525环停止了同步注浆，在距离盾尾5环的管片背部开孔注纯水泥浆（采用盾构机同步注浆系统管路直接接管片背部注浆孔），喷涌得到极大缓解，大大减小了清理工作。
4.3开仓位置预判
预判开仓位置主要依据以下几个方面：
（1）推进速度、贯入度。推进速度小于4mm/min，每环推进1.2米所需纯推进时间300min以上，需考虑开仓检查刀具。
（2）渣土温度超过420C，盾构中体隔板位置异响甚至抖动，测量系统滚动角跳跃也相对频繁，需考虑开仓检查刀具。
（3）刀盘扭矩值增大、刀盘易抱死、刀盘控制泵跳闸频繁，总推力增大的情况下依然没有速度，需考虑开仓检查刀具。
（4）对照渣土及勘察设计，结合前面推进施工情况（上述3点施工参数情况），主动预判开仓位置，提前准备，主动降低贯入度，采用小推力、高转速、低扭矩的方式稳步进入预定开仓位置。
5 土压平衡盾构泥膜形成关键技术
5.1 土压平衡盾构机泥膜形成作业流程
5.2 拟定开仓位置后准备工作
5.2.1盾构各系统检查
泥膜形成带压开仓施工过程中，需使用几大系统，如：保压系统、泡沫系统、出渣系统等。在盾构停机前，在系统常规保养的基础上，需进行系统调试，以满足开仓换刀各项施工参数的需求，杜绝开仓过程中因机械的损坏而造成施工影响的情况。确保各项系统正常后，方可进行施工。
对盾构设备密封型进行全面检查。仓内压缩空气可能会沿着盾构不密实的仓门、管道、阀门等地方逃逸，而起不到保压效果。检查盾构本身气密性包括：人仓、同步注浆管路、注脂孔、超前注浆孔等各个管路阀门关闭后的密封性，防止盾构本身密封不严造成漏气。
5.2.2 开仓换刀前5环盾构推进
（1）渣土取样
主要是进一步与地质勘察对比分析，同时通过渣土温度、喷涌情况进一步判断刀具损耗情况。
盾构所处位置地质情况自上而下依次为①-1杂填土、①-3流塑状淤泥、②-2b4淤泥质粉质粘土、K2p-2强风化岩、K2p-3中风化岩，刀盘切削面岩层高度为3.45m（上部2.95米为淤泥质粉质粘土）。
（2）渣土改良
开仓前5环盾构掘进过程中，逐步注入高质量膨润土进行渣土改良，以弥补盾体与土体密封性不足，土压盾构在泥膜密闭性能上不足，同时便于后续渣土置换施工。
（3）注浆封堵
带压进舱主要应保证刀盘前方周围地层和土仓满足气密性要求，对土仓四周的封堵效果及封堵位置选择至关重要，泥浆置换前盾尾采用双液浆封闭盾体与土层通道。具体位置宜选择在盾尾后3-5环进行注浆封堵，以防止压缩空气从盾壳与地层之间逃逸。
5.3 土仓内渣土置换
5.3.1 材料准备
①大容量空压机：准备较大容量的空气机（盾构机自带），以加强压缩空气的供给，同时洞内备用11m3／h内燃空压机一台、75KW发电机一台，土方置换前做好切换试验。
②膨润土、泥浆拌制机。
5.3.2 渣土置换
（1）置换原渣土
渣土置换工作原理：利用盾构机土仓隔板顶部预留的闸阀、膨润土注入系统，往土仓内泵入泥浆，在确保上部土压不小于1.2bar的条件下，通过螺旋输送机排土直至将土仓内的渣土排空，将土仓内渣土置换为提前拌制的膨润土泥浆。
经过多次置换试验，最终确定渣土置换的最佳方法，详见下表。
（2）膨润土浸泡
通过观察螺机出土情况，判断仓内渣土是否已全部置换完成。当土仓内渣土已全部置换完成，关闭螺旋机仓门与螺机出碴口的上、下插板，停止排碴，继续向土仓内注入泥浆，直至上部土压达到1.3～1.4bar（较外界土压大0.1~0.2bar）。
停止注入膨润土，启动自动保压系统，设定压力1.4bar，仓内膨润土浸泡12小时，其中每隔1小时转动刀盘数圈，确保膨润土充分渗入掌子面内，有效形成泥膜。
（3）土仓气密性试验
当土仓内的膨润土泥浆排除至1/2土仓容量后，即可进行土仓气密性试验。启动自动保压系统，在系统上设置上部土仓气压为1.4bar，根据系统记录的补气量大小（补气量小于30%为合格）及地表沉降监测情况确定土仓气密性是否满足要求。
满足要求后，将剩余泥浆排除，保持仓内1.4bar压力，放置4小时，确保掌子面安全稳定。
当补气量大于30%时，调整泥浆比重，重新进行泥膜制作，直到满足要求。
5.4 膨润土注入方式及泥浆配比选择
膨润土泥浆注入方式可利用盾构机膨润土注入系统、土仓隔板顶部预留的闸阀进行注入，在确保上部土压不小于1.2bar的条件下，通过螺旋输送机排土直至将土仓内的碴土排空，达到置换渣土目的。
（1）注入方式选择
在盾构停机后，先通过膨润土注入系统向土仓内注入预先拌制好的膨润土泥浆，然后通过盾构机土仓隔板顶部预留的闸阀向刀盘内注入膨润土泥浆，比较2种注入方式速度及效果，然后进行优选。
注入量按照土仓内压力范围确定，以保证土仓内压力在1.2～1.4bar为控制指标，根据渣土置换速度再陆续补充新鲜泥浆。
（2）泥浆配比选择
注入膨润土进行渣土置换过程中，各配比达到效果如下表：
注：拌制泥浆内均添加等量的聚合物HHZ-A。
a、本次现场试验阶段将膨润土运至作业面，人工进行拌制，首先使用膨润土系统注浆，将泥浆比重调至1.4，粘度调至100s，注入速度较快，但进行渣土置换较慢，打开仓门后发生喷涌，土仓内压力下降快，需调整泥浆粘度及比重，喷涌情况如下图6：
图6 现场喷涌照片
b、调整泥浆比重至1.6，泥浆粘度至120s，在泥浆中加入谷壳及锯末等添加物，膨润土注入系统压注速度明显减慢，调整至人工注浆泵注入，注入速度较注膨润土系统快，但依然导致喷涌，需调整泥浆粘度及比重。
C、调整泥浆比重至1.8，泥浆粘度至140s，在泥浆中加入谷壳及锯末等添加物，膨润土注入系统无法注入，采用人工注浆泵注入，注入速度较慢，但无喷涌现象，经过6～8小时浸泡及搅拌后将土仓内渣土进行置换。
经过3次不同注浆试验后，向作业面注入膨润土泥浆。由于受设备限制，当泥浆比重与黏土达到一定值后，无法注入。最后采用人工注浆泵注入，加大注浆压力，泥浆比重和粘度达到预定值后，效果较理想，渣土可顺利置换。
5.5气密性检查分析
（1）保压系统观察
当泥浆置换完毕后，通过盾构机自带保压系统开始逐渐加压，设定保压1.45bar，当压力注浆达到设定值稳定后，派设专人记录进气量，30min后没有进气量的补给，说明本次泥膜的封堵是成功的。
（2）地面监测
在加气置换泥浆过程中，实行动态的地面监测，地表沉降控制在±0.5mm，则密封效果较为理想。当地表沉降出现异常情况，结合保压系统进气量分析泥膜效果质量，若出现泥膜密封效果不好，及时关闭仓门，重新制作泥膜。
（3）实施效果
本次泥膜形成检查共进行2次，第一次排出泥浆加气后，仓内压力能上升至设定压力，但保压系统进气量过大，气体逃逸严重。开仓检查泥膜外观质量，在岩土分界线上，泥膜形成较薄且不均匀，此种泥膜不稳定，不宜进行开仓换刀施工。
在第一次基础上，重新注入泥浆，并较第一次加大0.1bar仓内压力。并持续保压 8h在持续保压的过程中每隔 30m in 转动刀盘，此时转动刀盘转速控制在 0.3～0.5r/m in，每次转动3～5m in。
重新加气置换泥浆，并与第一次一样进行效果检查，土仓内压力稳定后，进气量基本为零，开仓后泥膜形成质量较好，外观均匀、细密、光滑，具备带压换刀条件。
6体会与总结
（1）以南京项目为依托，通过泥浆置换和渗透使土压平衡盾构机掌子面形成致密泥膜，达到气体保压的效果，解决了土压平衡盾构带压进仓的难题。
（2）往土压平衡盾构机土仓和掌子面注入泥浆，同时置换出土仓渣土（置换成优质泥浆），结合土仓压力和掌子面被动土压力压力差（土仓泥浆压力大于掌子面被动土压力 0.2MPa），浸泡 6-8 个小时使泥浆渗透后形成泥膜。
（3）通过现场实验提出保压 4 个小时和 30 分钟没有补气量双控指标作为土压平衡盾构泥膜形成质量的判据。
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论文作者:李发勇
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/21
标签：盾构论文; 泥浆论文; 渣土论文; 地层论文; 系统论文; 压力论文; 膨润土论文; 《基层建设》2017年5期论文;