孟海峰，翟志國(guó)

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

泥水盾構(gòu)在隧道掘進(jìn)施工中，需要經(jīng)常停機(jī)帶壓進(jìn)艙換刀［1］。帶壓進(jìn)艙作業(yè)過(guò)程中掌子面的穩(wěn)定和艙內(nèi)的密封是關(guān)鍵，如果地層圍巖自穩(wěn)能力差，暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，很容易發(fā)生坍塌。同時(shí)開(kāi)挖艙內(nèi)的氣壓也是保證掌子面安全的關(guān)鍵［3］;所以，如何保證停機(jī)期間掌子面的穩(wěn)定是本文研究的主要目的。

盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中掘進(jìn)［2］，一般掘進(jìn)300 m左右就要停機(jī)換刀(地層加固)，掘進(jìn)2 000 m左右就要對(duì)刀盤進(jìn)行修復(fù)(開(kāi)挖豎井)［4］。但是在城市中，地面交通繁忙，高樓林立，其空間位置和周邊環(huán)境決定了加固施工的方法和難度，且開(kāi)挖豎井的造價(jià)和工期都無(wú)法滿足施工和業(yè)主的要求。本工程采用小范圍地面注漿及樁間封閉的工作井并結(jié)合改良泥漿穩(wěn)定和封閉地層的施工方法，解決了城市中泥水盾構(gòu)停機(jī)換刀點(diǎn)的地層穩(wěn)定和密封問(wèn)題。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

北京鐵路樞紐北京站至北京西站地下直徑線工程位于北京市中心區(qū)。盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)5 175延 m，即DK1+620～DK6+795。盾構(gòu)段隧道采用1臺(tái)全新的φ 12.04 m膨潤(rùn)土－氣墊式泥水平衡加壓式盾構(gòu)機(jī)，自天寧寺盾構(gòu)始發(fā)井4#豎井始發(fā)，獨(dú)頭掘進(jìn)，完成5 175 m的施工任務(wù)，沿天寧寺橋、西便門橋向東，拐至長(zhǎng)椿街，繼續(xù)沿宣武門大街、前門大街向東，至祈年大街后盾構(gòu)到達(dá)廢棄段。盾構(gòu)隧道襯砌管片內(nèi)徑10.5 m，外徑 11.6 m。

1.2 地質(zhì)及水文

沿線地表普遍分布一層人工堆積層，巖性為雜填土、填筑土，厚3～6 m，以下均為沖洪積層。工程作業(yè)層穿越的地層有:素填土、雜填土、粉土、黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、圓礫、卵石土。

本地質(zhì)段主要是孔隙潛水，水位標(biāo)高為+21.3～21.7 m(水位埋深 23.13 ～24.31 m)，局部上層滯水埋深3.7 m。DK5+480以西地下水類型為孔隙潛水，以東則為孔隙承壓水。

2 盾構(gòu)停機(jī)點(diǎn)的位置選擇

結(jié)合全線的工程地質(zhì)及與周邊建(構(gòu))筑物位置關(guān)系等具體情況，停機(jī)換刀地點(diǎn)選擇的原則是:盡量選擇在地域相對(duì)開(kāi)闊、對(duì)地面交通影響較小、周圍建筑物和地下管線較少的位置進(jìn)行開(kāi)艙換刀。

經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)圖及沿線實(shí)際考察后，綜合比較分析，在本標(biāo)段沿線范圍內(nèi)選擇了6個(gè)位置作為開(kāi)艙換刀作業(yè)的加固點(diǎn)。各加固點(diǎn)的位置詳見(jiàn)表1。

表1 盾構(gòu)隧道開(kāi)艙換刀加固點(diǎn)位置匯總Table 1 Cutter changing and ground reinforcing sections of shield tunnelling

3 盾構(gòu)停機(jī)點(diǎn)的主要加固方法

盾構(gòu)停機(jī)點(diǎn)的加固形式主要2種:1)單一的袖閥管注漿加固;2)混凝土灌注樁+袖閥管注漿加固。前5個(gè)停機(jī)點(diǎn)都是采用袖閥管注漿的加固方式，唯有第6個(gè)停機(jī)點(diǎn)采用混凝土灌注樁結(jié)合袖閥管注漿的加固方式;因?yàn)榈?個(gè)停機(jī)點(diǎn)帶壓進(jìn)艙作業(yè)的工作量比較大，相對(duì)停機(jī)時(shí)間比較長(zhǎng)，所以采用樁基加固的方式安全系數(shù)更大。下面以第4個(gè)加固點(diǎn)和第6個(gè)加固點(diǎn)為例，分別介紹這2種加固方法在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用。

3.1 袖閥管注漿加固

3.1.1 主要技術(shù)參數(shù)

第4個(gè)停機(jī)點(diǎn)的加固方法是采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，袖閥管注漿的加固方法。注漿材料主要為普通水泥漿和超細(xì)水泥漿，加固范圍以DK5+935為中心，沿隧道方向長(zhǎng)10 m，寬12.0 m。

施工步驟:先對(duì)DK5+935周邊區(qū)域進(jìn)行物探，探明地下管線類型、規(guī)格、埋深及與隧道的位置關(guān)系，采用人工進(jìn)行挖探，對(duì)挖探出的地下管線進(jìn)行標(biāo)示，之后將探槽回填密實(shí)。再分期進(jìn)行鉆孔，并安裝袖閥管，按先周邊、后中間的施工順序，跳孔進(jìn)行注漿，注漿孔間距1.0 m、排距1.0 m按梅花形布置。注漿參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 注漿參數(shù)表Table 2 Grouting parameters

3.1.2 鉆孔施工

鉆孔采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，孔徑 φ 95 mm，孔深39 m;為保證袖閥管下入深度，鉆孔應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)深度0.5 ～1 m。

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線定出的孔位進(jìn)行鉆機(jī)就位，鉆桿的對(duì)中誤差小于±50 mm，利用水平尺檢查鉆機(jī)的水平度，利用垂球檢查鉆桿垂直度，垂直度允許偏差±1%;

2)鉆孔采用泥漿護(hù)壁，泥漿配合比為水∶膨潤(rùn)土=1∶0.30 ～0.50(質(zhì)量比)，比重為 1.1 ～1.2。在黏性地層中可采用自造漿液，但必須確保成孔完好;

3)根據(jù)設(shè)計(jì)的孔深及測(cè)量組提供的地面標(biāo)高和設(shè)計(jì)的孔底標(biāo)高，現(xiàn)場(chǎng)配置鉆桿，并在最上一節(jié)采用油漆作標(biāo)志，當(dāng)鉆機(jī)鉆到標(biāo)志位置時(shí)，表明已到設(shè)計(jì)深度;

4)鉆孔時(shí)采用隔二鉆一的順序進(jìn)行施工，防止與下放注漿管及注漿形成相互干擾;

5)在鉆進(jìn)的過(guò)程中應(yīng)確保鉆機(jī)穩(wěn)固，隨時(shí)檢查鉆桿垂直度，如不能滿足要求，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，調(diào)整至符合要求后再施工;

6)鉆孔的直徑至少比袖閥管直徑大20 mm;

7)必須做好鉆孔施工詳細(xì)記錄，以指導(dǎo)后期注漿施工參數(shù)。

3.1.3 袖閥管安裝

1)鉆孔至設(shè)計(jì)深度后，將鉆桿在地面擰開(kāi)，然后將袖閥管從鉆桿內(nèi)插入進(jìn)行安設(shè)。袖閥管安設(shè)到位后，重新將鉆桿擰緊，然后分節(jié)拔出鉆桿，將袖閥管留在地層中，鉆桿拔出后，量測(cè)袖閥管下入深度。

2)在2節(jié)袖閥管連接前，需向下1節(jié)袖閥管內(nèi)灌滿清水，相鄰2節(jié)袖閥管采用套箍連接，并用黏合劑粘接牢固，袖閥管接至地面后(應(yīng)高出地面30 cm)，向袖閥管內(nèi)再次灌滿清水，然后用封口蓋蓋緊袖閥管管口。袖閥管安裝見(jiàn)圖1所示。

3)袖閥管設(shè)置完成后，通過(guò)注漿機(jī)向鉆孔和袖閥管連接的空隙內(nèi)投放套殼料，套殼料采用水泥、膨潤(rùn)土加水?dāng)囍?，套殼料一般要?黏度80～90 Pa·s，7 d后抗壓強(qiáng)度0.3 ～0.5 MPa，其配合比為∶水泥∶膨潤(rùn)土∶水=1∶1∶6，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)試驗(yàn)情況確定。當(dāng)套殼料填至距地面10 m高的位置時(shí)，改為向孔壁內(nèi)灌注水泥砂漿，砂漿可適當(dāng)添加速凝劑，將袖閥管上部10 m范圍內(nèi)孔口封堵，防止冒漿。待48 h后，套殼料完全終凝并有一定的強(qiáng)度后，下方注漿頭和注漿芯管漿液會(huì)劈開(kāi)套殼料注入到地層中，且不會(huì)造成返漿現(xiàn)象。

圖1 袖閥管安裝示意圖Fig.1 Sleeve valve pipe installation

4)在施工過(guò)程中，先后采用了3種注漿管，分別為自制 PVC閥管(如圖2所示:3 m一節(jié)，管徑42 mm)、聚丙烯袖閥管(如圖3所示:33 cm一節(jié)，管徑40 mm)和硬質(zhì)塑料袖閥管(如圖4所示:3 m一節(jié)，管徑38 mm)。自制PVC閥管采用管接頭對(duì)接粘貼連接，另外2種管采用絲扣連接。

5)與3種注漿管相對(duì)應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)先后采用了3種注漿頭，分別為氣脹(或水脹)止?jié){塞(見(jiàn)圖5)、皮碗式雙環(huán)塞(見(jiàn)圖6)、寶塔式雙環(huán)塞(見(jiàn)圖7)。

6)最先采用的是自制 PVC閥管，該管按40～50 cm的間隔在管周鉆設(shè)4～6個(gè)梅花形布置的小孔，然后用膠帶纏繞小孔。注漿時(shí)，漿液沖破小孔周圍纏繞的膠帶進(jìn)入地層，由于膠帶不是單向閥，脹開(kāi)后不能復(fù)原，注漿后會(huì)有漿液返回閥管內(nèi)，不能重復(fù)注漿。采用該管時(shí)要用氣脹(或水脹)止?jié){塞進(jìn)行后退式分段注漿，下管時(shí)，膠帶容易松開(kāi)，套殼料或其他孔注漿時(shí)，漿液容易串進(jìn)管內(nèi)，從而導(dǎo)致止?jié){塞下不到管底。

7)聚丙烯袖閥管材質(zhì)較脆，鉆孔完成后，在管內(nèi)灌滿水時(shí)下管較為困難，但其橡膠袖套設(shè)置在2個(gè)對(duì)接頭之間，且兩邊均有臺(tái)階加以保護(hù)，使得袖套不會(huì)滑動(dòng)，保證了下管后管內(nèi)不會(huì)進(jìn)入泥漿，和該管配套的止?jié){頭為寶塔式雙環(huán)止?jié){塞。其缺點(diǎn)是:聚丙烯袖閥管質(zhì)地輕脆，注漿加壓過(guò)程中容易破碎，管壁破碎后易造成注漿頭卡死，同時(shí)也達(dá)不到袖閥管重復(fù)注漿的目的。

8)硬質(zhì)塑料袖閥管材質(zhì)較重，較脆，由于天氣較冷和橡膠袖套黏結(jié)不牢固，導(dǎo)致該管在運(yùn)輸和搬運(yùn)時(shí)，固定橡膠袖套的膠圈容易斷裂和滑脫;同時(shí)，下管是在鉆桿內(nèi)下放，膠圈容易碰到鉆桿接頭而導(dǎo)致滑脫，前期該管內(nèi)串漿和泥漿進(jìn)入較多，導(dǎo)致下管注漿深度不夠，后來(lái)采用膠帶固定橡膠袖套兩端解決了該問(wèn)題。與該管配套的注漿頭為皮碗式雙環(huán)塞，但由于該管口徑較小，注漿頭擰緊后下放較為困難，且孔深較大，拔管困難，因此采用氣脹止?jié){塞進(jìn)行后退注漿。

3.1.4 注漿施工

1)注漿壓力分析。前期注漿孔在較小壓力下就可注入很多，后期隨著地層被逐漸擠壓密實(shí)，需要較高壓力才能注入，且注漿量較小，注漿段注漿終壓控制在1 ～2 MPa。

2)注漿量分析

①各孔注漿量隨時(shí)間變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8，注漿開(kāi)始時(shí)，由于作業(yè)人員操作不夠熟練，止?jié){塞拔不出和前期采用的管子密封不夠，導(dǎo)致初期注漿量相對(duì)較小，隨著施工工藝的完善和管材的改善，注漿量在中期相對(duì)穩(wěn)定，后期由于地層空隙被逐漸填充，注漿量較少。

圖8 各孔注漿量隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.8 Grouting amount of each grouting hole VS time

②各孔按設(shè)計(jì)孔號(hào)注漿量分布見(jiàn)圖9。由圖9可知:1～6號(hào)孔間距較大，注漿量相對(duì)差別不大;而間距較小的孔，如果隔排的兩孔注漿量較大時(shí)，中間排注漿量則相應(yīng)減少;單孔注漿量較大時(shí)，周圍孔注漿量則相應(yīng)較小。

圖9 各孔注漿量分布情況Fig.9 Distribution of grouting of each grouting hole

③將各孔位注漿量投影到注漿區(qū)域平面圖上，由圖10可知:注漿量較少的區(qū)域主要集中在盾構(gòu)停機(jī)位置前方和開(kāi)挖面內(nèi)(盾構(gòu)掘進(jìn)方向?yàn)閺淖{孔第1排至第6排，停機(jī)位置在2排和3排之間)，因此;到該停機(jī)位置后，應(yīng)做好泥漿置換和隧道內(nèi)補(bǔ)充注漿作業(yè)。

④1期注漿量在深度方向的分布和各段所占百分比見(jiàn)圖11。由圖11可知:隧道上方＞隧道開(kāi)挖面內(nèi)＞隧道下方;隧道上方注漿量與隧道斷面內(nèi)注漿量相差不大，從每延m注漿量來(lái)看，隧道下方每延m注漿量較大，隧道斷面內(nèi)和上方相差不大，說(shuō)明隧道下方相對(duì)空隙較大;其他地方由于存在中粗砂，導(dǎo)致每延m注漿量相對(duì)較小?？傮w來(lái)說(shuō)，加固較為均勻。

3.1.5 注漿工藝及參數(shù)優(yōu)化

1)工藝優(yōu)化

①由于袖閥管深度較大，采用傳統(tǒng)的滑移式皮碗雙環(huán)塞下管和拔管較為困難，容易引起注漿失效和注漿效率低下;而本次注漿采用氣脹單塞和皮碗式單塞進(jìn)行注漿，施工中發(fā)現(xiàn)采用1.2 m的單塞長(zhǎng)時(shí)間注漿容易卡塞固死，導(dǎo)致拔出止?jié){塞，而皮碗式單塞又容易卡在袖閥管接頭處，導(dǎo)致下管芯管下不到位和拔管困難，造成止?jié){失效，孔口冒漿;因此，為了保證以后加固點(diǎn)的注漿效果，建議采用管徑42～50 mm的袖閥管，接頭處應(yīng)無(wú)縫對(duì)接，采用氣脹單塞后退注漿時(shí)，分段長(zhǎng)度控制在50～100 cm。如需重復(fù)注漿，注漿完成后，應(yīng)進(jìn)行清孔作業(yè)，注漿管和止?jié){塞之間采用鋼管連接，便于下塞和拔塞，見(jiàn)圖12和圖13。

②如有條件時(shí)，可采用氣脹雙環(huán)塞進(jìn)行分段反復(fù)注漿，見(jiàn)圖14和圖15，分段長(zhǎng)度控制在40～50 cm。

2)注漿參數(shù)優(yōu)化

①漿液擴(kuò)散半徑:0.7～1.5 m，注漿孔間距可控制在1～1.5 m。

②注漿材料及配比:單液水泥漿W∶C=0.8∶1 ～1∶1，雙液漿W ∶C=1∶1，C ∶S=1∶1，水玻璃濃度35 ～40 Be';改性水玻璃漿:將水玻璃稀釋到17 Be'后，加入水玻璃重量4%～5%的碳酸氫鈉溶液。

③注漿壓力:終壓1～2 MPa，開(kāi)始時(shí)應(yīng)低壓慢注，若壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升時(shí)，可加大注漿流量和采取雙液漿等措施。

④分段注漿長(zhǎng)度:50～100 cm。

⑤注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):壓力小于1.0 MPa時(shí)，當(dāng)分段注漿量達(dá)到1 m3/m時(shí)，結(jié)束本段注漿;當(dāng)注漿壓力達(dá)到2 MPa以上時(shí)，直接結(jié)束本段注漿，注漿壓力以孔口壓力為準(zhǔn)。

⑥注漿速度:10～30 L/min。

3.1.6 注漿工藝及參數(shù)優(yōu)化

1)注漿參數(shù)分析法。剛開(kāi)始注漿時(shí)，注漿壓力較低、隨地層的逐漸密實(shí)，需要較高的壓力才能注入，且地面冒漿現(xiàn)象較多，說(shuō)明注漿后地層加固了。

2)鉆孔情況對(duì)比。1期和2期在前期鉆孔過(guò)程中，都出現(xiàn)了泥漿漏失現(xiàn)象，有時(shí)還需要較濃的泥漿才能將鉆孔泥砂攜帶出來(lái);而注漿后，采用清水和稀泥漿鉆進(jìn)，鉆孔過(guò)程基本無(wú)泥漿漏失，從鉆出的砂子來(lái)看，砂子中含有細(xì)小水泥漿塊，且鉆孔速度比未注漿時(shí)快了很多。表面經(jīng)過(guò)注漿加固后，地層空隙被充填，地層得到了加固。

3)鉆孔壓水檢查。注漿完成后，根據(jù)注漿情況，在停機(jī)點(diǎn)前方注漿范圍內(nèi)設(shè)置了4個(gè)檢查孔，檢查孔深36 m左右。由于地面下10 m沒(méi)注漿，因此，首先采用φ 126鉆頭鉆至15 m，然后注入雙液漿，設(shè)置混凝土止?jié){段，待漿液凝固后，再在原孔位采用φ 91的鉆頭鉆孔，鉆至36 m，這樣才能保證未注漿段不產(chǎn)生滲漏。鉆孔完成后，對(duì)4個(gè)檢查孔進(jìn)行簡(jiǎn)易壓水，檢查孔壓水結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 簡(jiǎn)易壓水測(cè)試結(jié)果Table 1 Result of simple douche test

由表3可以看出:4個(gè)孔的透水率均在10 Lu左右，根據(jù)國(guó)外資料，1 Lu=1.3 ×10－5cm/s，則注漿后地層滲透系數(shù)在1.5×10－4cm/s;根據(jù) GB 50287—1999《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄J，注漿后地層透水性為中等透水，達(dá)到了較好效果。

3.2 樁基加固

4.2.1 樁基加固的施工要點(diǎn)和主要技術(shù)參數(shù)

1)施工要點(diǎn)。樁基加固原則上是將盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置刀盤四周的圍巖全部由樁群來(lái)替換，以最大限度的提高開(kāi)挖掌子面四周圍巖的穩(wěn)定性。

第6個(gè)加固點(diǎn)停機(jī)位置為DK5+028，距離盾構(gòu)始發(fā)井已經(jīng)掘進(jìn)了1 758 m，切刀掉落嚴(yán)重，刀盤耐磨焊也有一定的磨損;為使刀盤能順利的完成之后3 km多m的掘進(jìn)任務(wù)，決定在此加固點(diǎn)進(jìn)行帶壓進(jìn)艙動(dòng)火作業(yè)，對(duì)切刀的刀具形式進(jìn)行改造，對(duì)刀盤的耐磨焊進(jìn)行補(bǔ)焊。

加固區(qū)是以DK5+028為中心施作3排玻璃纖維筋灌注樁，最后在隧道軸線上，群樁中間做1根φ 2.0 m的灌注樁，在φ 2.0 m樁中間位置采用旋挖鉆鉆出1個(gè)φ 1.0 m孔，然后人工將下部擴(kuò)挖成φ 1.3 m工作井，并在井口預(yù)埋一段鋼護(hù)筒。灌注樁完成后對(duì)群樁中間的土體及南側(cè)因電力溝影響無(wú)法做樁的地層進(jìn)行補(bǔ)償注漿，最后在樁頂施作蓋梁將所有的樁連成一個(gè)整體，蓋梁中間將工作井孔口留出，并加蓋封閉的井蓋。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至第2排樁中間位置停機(jī)，使盾構(gòu)機(jī)刀盤恰好將工作井西側(cè)井壁切除，向刀盤艙及工作井內(nèi)置換高濃度泥漿，保證氣密性;然后帶壓進(jìn)艙更換刀具，并由專業(yè)人員在帶壓狀態(tài)下對(duì)刀盤刀具進(jìn)行切割或焊接作業(yè)。帶壓作業(yè)完成后，工作井保留，作為后期軌下結(jié)構(gòu)施工的投料孔和隧道軸線測(cè)量投點(diǎn)孔。

2)技術(shù)參數(shù)。灌注樁采用旋挖鉆機(jī)成孔，安裝玻璃纖維筋后，灌注C20的水下混凝土，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為43.0 m(此處盾構(gòu)機(jī)刀盤埋深為39.8 m)，除了中間一根樁φ 2.0 m外，其余樁徑全部為φ 1.0 m。玻璃纖維筋籠主筋φ 28 mm，螺旋箍筋φ 6 mm。鉆孔灌注樁共布置3排，樁間距1.5 mm，排距1.0 m，共計(jì)24根樁。樁間補(bǔ)償注漿均采用水泥漿，水灰比為0.8，孔間距0.75 m，排距0.5 m，梅花形布置。灌注樁、工作井及注漿孔位平面布置見(jiàn)圖16。

3.2.2 工作井

待φ 2.0 m的灌注樁混凝土達(dá)到1 d凝固強(qiáng)度后，在樁頂中心位置畫出1個(gè)φ 1.0 m的圓，然后埋設(shè)護(hù)筒。先采用φ 1.0 m的旋挖鉆進(jìn)行鉆孔，鉆孔時(shí)孔內(nèi)仍然裝滿高質(zhì)量泥漿，起到護(hù)壁和支撐樁壁的作用。工作井鉆孔設(shè)計(jì)標(biāo)高為地面以下36 m(刀盤中心下2 m)，保證工作井底部有7 m厚混凝土底板。鉆孔完成后，孔內(nèi)仍充滿泥漿，待混凝土達(dá)到3 d強(qiáng)度后，將孔內(nèi)泥漿全部抽排干凈，然后人工到孔底采用風(fēng)鎬進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔直徑1.3 m，高度9 m。擴(kuò)挖結(jié)束后，在孔內(nèi)距刀盤上方1 m位置做一個(gè)鋼筋混凝土蓋板將工作井封閉，混凝土蓋板直徑1 m，厚500 mm。具體做法為:在刀盤上部1 m位置孔壁上植筋，從下至上共植3層鋼筋網(wǎng)片，鋼筋直徑均為20 mm，第1層鋼筋作為支撐模板用，第2層和第3層作為混凝土蓋板的鋼筋骨架。3層鋼筋網(wǎng)片網(wǎng)格尺寸均為100 mm×100 mm，第1層鋼筋網(wǎng)片植好后，上面安裝1塊φ 1 m的圓形竹膠板，竹膠板上面再植2層間距為400 mm的鋼筋網(wǎng)片，上下混凝土保護(hù)層厚度為50 mm，然后澆筑C20混凝土。待蓋板混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后，將孔內(nèi)蓋板以上至地面部分灌滿清水。

圖16 灌注樁和注漿孔位平面布置圖Fig.16 Plan layout of cast-in situ concrete pile and grouting hole position

上部井口同樣也做一個(gè)鋼筋混凝土蓋板，蓋板的底模采用20 mm厚的鋼板與井口鋼護(hù)筒焊接在一起，上面布置2層鋼筋網(wǎng)片，2層鋼筋網(wǎng)片也與鋼護(hù)筒焊在一起并澆注C30混凝土，蓋板頂部標(biāo)高與地面平齊，最后回到瀝青路面將井口蓋住，并在井口位置做好標(biāo)記，工作井密封完成后，盾構(gòu)機(jī)刀盤切入井內(nèi)進(jìn)行帶壓動(dòng)火作業(yè)。鋼筋混凝土蓋板斷面形式見(jiàn)圖17和圖18。

圖17 下部混凝土蓋板示意圖Fig.17 Concrete board at the foot

圖18 井口蓋板示意圖Fig.18 Concrete board portal

3.2.3 樁間土體補(bǔ)償注漿加固

為保證加固效果，最后在群樁之間和樁周邊進(jìn)行補(bǔ)償注漿加固土體。采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，然后安裝袖閥管，通過(guò)袖閥管向地層注水泥漿，達(dá)到補(bǔ)償加固樁間土體的目的。注漿孔位置可根據(jù)樁間距和樁間相對(duì)位置梅花形布置，漿液采用水灰比0.8～1即可。

3.2.4 壓頂梁施工

當(dāng)所有灌注樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將樁頭混凝土鑿除1.0 m，露出玻璃纖維筋籠。然后將各樁之間的渣土清除干凈，綁扎壓頂梁鋼筋籠，壓頂梁鋼筋應(yīng)將所有樁頭玻璃纖維筋籠連接起來(lái)，成為一個(gè)整體，壓頂梁厚1 000 mm，面積為覆蓋所有灌注樁。

4 帶壓進(jìn)艙作業(yè)的保壓措施

4.1 分析氣體逃逸的原因

根據(jù)歷次帶壓進(jìn)艙觀察進(jìn)氣管路上SAMSON閥門定位器的補(bǔ)氣情況看，開(kāi)挖艙內(nèi)的氣密性問(wèn)題已經(jīng)逐步得到了很好的解決，經(jīng)過(guò)不斷的試驗(yàn)和總結(jié)，終于找到了開(kāi)挖艙內(nèi)氣體逃逸的原因和防止氣體逃逸的辦法。

根據(jù)盾構(gòu)帶壓作業(yè)特點(diǎn)分析，艙內(nèi)高壓氣體泄露的原因主要有以下幾方面:

1)掌子面地層漏氣。由于盾構(gòu)穿越的地層以砂卵石為主，地層孔隙率較大，帶壓進(jìn)艙換刀需要將開(kāi)挖艙內(nèi)的液位降至50%以下，這時(shí)刀盤中心以上的掌子面及盾構(gòu)機(jī)范圍內(nèi)開(kāi)挖中線以上的圍巖都處在無(wú)泥漿支護(hù)狀態(tài)下，如果在掌子面和圍巖表面沒(méi)有形成一層較好的泥膜，艙內(nèi)的高壓氣體就會(huì)從圍巖表面砂卵石間的空隙逃到地層中去，見(jiàn)圖19。

2)盾構(gòu)設(shè)備本身密封不嚴(yán)造成漏氣。當(dāng)開(kāi)挖艙內(nèi)液位降至50%左右，盾構(gòu)機(jī)刀盤中心以上部分沒(méi)有泥漿，壓縮空氣將直接作用在盾構(gòu)的上半部分，壓縮空氣可能會(huì)沿盾構(gòu)本身密封不嚴(yán)的艙門、管道、閥門等地方逃逸。

圖19 泥膜過(guò)薄沒(méi)有完全覆蓋暴露的圍巖Fig.19 Exposed surrounding rock mass

3)中盾預(yù)留管路漏氣。中盾有一些預(yù)留注漿孔，如果一些注漿孔的閥門關(guān)閉不嚴(yán)也是氣體逃逸的途徑。

4)盾尾密封刷處漏氣。盾尾是和管片相接的地方，主要靠盾尾油脂和盾尾密封裝置進(jìn)行密封，如果有部分盾尾刷損壞或者盾尾油脂注入量不夠、分布不均勻而沒(méi)有形成完全的密封都容易造成氣體的逃逸。

5)盾殼周圍地層漏氣。降液位后，盾殼上部和圍巖之間已經(jīng)沒(méi)有泥漿填充，使盾殼上部分形成氣體逃逸通道，壓縮空氣沿盾殼上部分向后逃逸，若盾殼周圍地層沒(méi)有良好的泥膜保護(hù)，壓縮空氣有可能向盾殼周圍地層中逃逸。

6)管片接縫處向隧道內(nèi)漏氣。若同步注漿未充分填充管片壁后的空隙和地層，壓縮空氣很可能沿管片壁后的空隙向后逃逸，若管片拼裝時(shí)錯(cuò)臺(tái)較大、破損、止水條脫落等缺陷造成管片接縫密封不嚴(yán)，則壓縮空氣會(huì)沿這些缺陷向隧道內(nèi)逃逸，造成漏氣。

綜合以上漏氣原因，并結(jié)合幾次帶壓換刀情況分析，在保證掌子面泥膜質(zhì)量的條件下，造成帶壓作業(yè)漏氣的主要原因是:盾殼和盾尾與地層間的縫隙封堵不嚴(yán)，使壓縮空氣沿盾殼向盾構(gòu)后方逃逸而漏氣。

4.2 帶壓進(jìn)艙氣密性的保障措施

根據(jù)幾次帶壓進(jìn)艙的結(jié)果看出:保證帶壓作業(yè)氣密性主要是解決盾殼和盾尾后方的氣密性問(wèn)題。只要盾構(gòu)后方氣密性好，壓縮空氣不泄露，不逃逸，即使掌子面地層沒(méi)進(jìn)行加固，帶壓進(jìn)艙作業(yè)也是安全的。分析盾構(gòu)帶壓作業(yè)可能造成漏氣的幾方面原因，在非加固段進(jìn)行帶壓作業(yè)時(shí)主要采取以下措施來(lái)保證氣密性。

1)在預(yù)計(jì)的帶壓進(jìn)艙作業(yè)點(diǎn)之前15 m左右開(kāi)始提高泥漿質(zhì)量，制備比重大小為1.05，黏度為18～20 Pa·s的新鮮泥漿來(lái)攜碴循環(huán)，使高黏度泥漿充分滲入到盾殼周圍地層中，形成良好的泥膜，保證盾殼周圍地層不會(huì)漏氣。

2)加強(qiáng)同步注漿量，保證6根同步注漿管通暢，能夠同時(shí)注漿。適當(dāng)提高同步注漿壓力，但不得超過(guò)盾尾密封油脂的注脂壓力，使同步注漿充分填充管片壁后空隙，并充分滲入地層的空隙中，隔斷壓縮空氣向管片壁后地層中逃逸的通道。

3)加強(qiáng)管片拼裝質(zhì)量，避免管片破損或止水條脫落，確保管片接縫密封性，防止壓縮空氣從管片接縫處向隧道內(nèi)逃逸。

4)檢查盾構(gòu)本身的氣密性，包括人艙、氣墊艙門的密封性，同步注漿管路、中盾注脂孔、超前注漿孔、沖刷管等各個(gè)管路閥門關(guān)閉后的密封性，防止因盾構(gòu)設(shè)備本身密封不嚴(yán)而造成漏氣。

5)盾構(gòu)到達(dá)預(yù)定的帶壓進(jìn)艙換刀地點(diǎn)后，主要采取泥漿置換和向中盾、盾尾注入高濃度泥漿和堵漏劑的方法增加氣密性，防止氣體逃逸。具體施工方法如下:

①盾構(gòu)停機(jī)后先進(jìn)行泥漿循環(huán)，將刀盤艙內(nèi)切屑下的渣土完全循環(huán)出地面，使刀盤艙內(nèi)全部為泥漿充填。

②在新漿池拌制高黏度泥漿，并適量添加Ⅱ型制漿劑(堵漏劑)。泥漿黏度控制在90～100 Pa·s，比重為1.05，新漿拌制總量為150m3。

③向盾尾注人高濃度泥漿。在地面攪拌站拌制高濃度膨潤(rùn)土漿，并添加堵漏劑或細(xì)鋸末，膨潤(rùn)土漿液配合比為膨潤(rùn)土∶Ⅱ型制漿劑(堵漏劑)∶水 =300∶150∶1 000(質(zhì)量比)，泥漿比重控制在1.3以上。通過(guò)同步注漿管路向盾尾脫出的管片壁后注入高濃度泥漿，注漿壓力根據(jù)該點(diǎn)的靜止水土壓力之和設(shè)定，壓注泥漿的終壓比該點(diǎn)水土壓力之和大0.05～0.10 MPa。

④向中盾壁后注高濃度泥漿。向盾尾注入高黏度泥漿完成后，利用中盾預(yù)留的6個(gè)注脂口向盾殼背后注入高黏度泥漿。采用同步注漿系統(tǒng)間隔跳孔進(jìn)行注漿，注漿壓力控制比刀盤艙對(duì)應(yīng)位置的壓力大0.02 MPa左右。注漿順序是先向下部注入比重為1.2左右的大比重泥漿，后在上部注入比重為1.05左右的小比重泥漿，發(fā)現(xiàn)氣墊艙液位上升10%后停止注漿，更換位置再繼續(xù)注入。

⑤將刀盤艙內(nèi)置換高黏度泥漿。首先將新拌制的高黏度泥漿從新漿池通過(guò)泥漿管輸送到盾構(gòu)機(jī)1號(hào)拖車的砂漿儲(chǔ)存罐中，然后將氣墊艙液位降至45%～50%，保證開(kāi)挖艙中心壓力等于該點(diǎn)的水土壓力。將2根同步注漿管接在前盾中部的2根注漿口上，利用同步注漿泵向開(kāi)挖艙注入新制的高黏度泥漿，待氣墊艙液位上升至70%左右時(shí)，利用排漿管緩慢排漿，降低液位。待氣墊艙液位降至45% ～50%，繼續(xù)向開(kāi)挖艙內(nèi)注入新漿。如此循環(huán)，直至將150 m3高黏度新漿置換完成。

⑥泥漿置換完成后，即開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤。刀盤轉(zhuǎn)速控制在1 r/min左右，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)為5～10 r。

⑦然后開(kāi)始保壓，保壓按照開(kāi)挖艙中心起始?jí)毫ζ鹚?，每間隔30 min提高0.01 MPa，使終壓比起始?jí)毫Ω?.03～0.05 MPa左右即開(kāi)始保壓，液位仍控制在50%左右，保壓時(shí)間不低于3 h。

⑧為防止盾殼周圍填充的高黏度泥漿流失，在刀盤艙保壓期間，應(yīng)繼續(xù)向中盾壁后補(bǔ)注高黏度泥漿，漿液拌制及注漿壓力控制同前，發(fā)現(xiàn)氣墊艙液位上升即停止注漿。

⑨帶壓進(jìn)艙1～2次后，必須向中盾補(bǔ)注高黏度泥漿，否則有可能嚴(yán)重漏氣，人員無(wú)法帶壓進(jìn)艙。連續(xù)進(jìn)艙5～8次后，由于掌子面泥膜逐漸變薄，漏氣現(xiàn)象將逐漸嚴(yán)重。必須根據(jù)掌子面泥膜的變化情況，對(duì)刀盤艙重新置換高黏度泥漿，以確保掌子面的氣密性，同時(shí)必須向中盾補(bǔ)注高黏度泥漿。

泥漿置換后，開(kāi)挖艙掌子面形成的泥膜見(jiàn)圖20和圖21。

4.3 泥漿置換注意事項(xiàng)

1)在泥漿置換及降液位過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視開(kāi)挖艙及氣墊艙液面及壓力變化，發(fā)生液位突變應(yīng)立即停止注漿。

2)嚴(yán)格按技術(shù)交底要求設(shè)定壓注泥漿的壓力，并時(shí)刻監(jiān)視液位變化。發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)調(diào)整注漿壓力后再進(jìn)行。

3)派專人在隧道內(nèi)巡視觀察管片的變形情況，若發(fā)現(xiàn)管片變形、錯(cuò)臺(tái)增大等情況時(shí)，應(yīng)馬上停止注入。

4)由專人負(fù)責(zé)，加強(qiáng)地面巡視和監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況，馬上通知主控室，停止注漿，立即采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

5)從中盾向盾殼外注泥漿時(shí)，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定壓力或泥水艙液位發(fā)生變化時(shí)即停止注漿;盾尾注泥漿時(shí)，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)即終止注漿。

5 結(jié)論與討論

在城市大直徑泥水平衡盾構(gòu)的施工中，停機(jī)換刀點(diǎn)的地層穩(wěn)定和倉(cāng)內(nèi)氣壓的穩(wěn)定及密封是保證工程施工質(zhì)量和安全的關(guān)鍵。本文通過(guò)北京鐵路地下直徑線的一些工程實(shí)例，論證了一般的停機(jī)換刀點(diǎn)的加固，通過(guò)小范圍地面袖閥管注漿的方式結(jié)合倉(cāng)內(nèi)改良泥漿來(lái)解決;如果需要長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)修補(bǔ)刀盤，則可利用群樁套打形成樁間小型工作室的方法來(lái)代替開(kāi)挖豎井，即解決了地下的作業(yè)空間，又節(jié)省了工程造價(jià)和工期。對(duì)于開(kāi)挖艙內(nèi)的密封問(wèn)題，則可以通過(guò)循環(huán)置換改良泥漿來(lái)解決，防止艙內(nèi)壓縮空氣的泄露。但存在不足的是:在砂卵石地層中注漿加固，漿液在地層中擴(kuò)散并不是很均勻，在漿液配比、注漿壓力和注漿工藝上還需進(jìn)一步改善;樁間小型工作井空間狹小，艙內(nèi)工作周期長(zhǎng)，以后還需在工作井的空間方面做進(jìn)一步改進(jìn)。

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