廖 瀟，李曉超，張樹凱，賀建群，程 慧

中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1. 引言

頂管法以其低價、安全、快速、高效等優(yōu)勢已成為非開挖施工中不可或缺的技術(shù)，尤其在穿河越江隧道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。由于穿越的地層復(fù)雜多變，江河底部可能存在不明障礙物等情況，施工過程中不可避免地會遭遇被迫停機、開艙檢查等問題[1]。停機位置一般位于水壓較大的江河底部，無法采用常壓開艙作業(yè)，帶壓開艙作業(yè)是必選方案。帶壓開艙作業(yè)存在較大風(fēng)險，容易出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)坍塌、涌水等情況，給作業(yè)人員及設(shè)備造成災(zāi)難性后果[2]。以富春江頂管工程在風(fēng)化砂巖層中開艙換刀為例，對頂管隧道外部周圍止水、掌子面止水、壓力計算、泥膜形成、帶壓開艙作業(yè)的工藝流程等進行介紹。

2. 工程概況

富春江頂管隧道水平長度658.05 m，隧道軸線四次變坡，首先以10.5%的坡度下行至80.4 m，變至曲率半徑為4300 m頂進274.1 m，再以曲率半徑1200 m頂進222.46 m，最后以14.5%的坡度上行71.57 m到達接收井。依次穿越地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細砂巖、中粗砂巖、中風(fēng)化砂巖及圓礫巖，其中中風(fēng)化砂巖穿越長度約343 m,平均抗壓硬度103 MPa (最大抗壓硬度127 MPa)。

在頂進到(里程K0 + 408 m)時，操作人員發(fā)現(xiàn)泥水壓力在1.8～2.4 bar (1 bar = 0.1 MPa)之間波動 (正常頂進泥水壓力2.6 bar)，循環(huán)泥漿流量在190～300 m3/h之間波動 (正常泥漿循環(huán)流量240 m3/h)，泥水漏失嚴重，無法有效建立泥水壓力平衡，此時頂進速度下降至3～5 mm/min (正常頂進速30～45 mm/min)，便立即停機。同時泥水分離區(qū)發(fā)現(xiàn)有鐵塊掉出，判斷鐵塊為刀具破損刀圈和刀座墊塊，為確保中風(fēng)化巖層順利頂進，需要開艙進行刀具檢查。

3. 開艙存在問題

頂管施工采用刀盤開挖土體，用工作井千斤頂和中繼間千斤頂頂進，隧道周圍與地層之間使用潤滑泥漿進行填充，地層水能通過潤滑泥漿通道與掌子面形成透水通道，因此頂管施工帶壓進艙作業(yè)不僅要穩(wěn)定開挖掌子面,還要阻止掌子面前部及隧道后部的地下水進入刀盤艙。進艙止水既要保證帶壓進艙，還要滿足進艙作業(yè)結(jié)束后隧道外部的潤滑效果[3]。

4. 開艙止水措施

4.1. 掌子面止水

開艙作業(yè)前掌子面止水要求填充的材料既能止水又不固結(jié)。首先，采用外循環(huán)向刀盤艙壓注高黏泥漿(300 s)，填充掌子面巖層裂隙。其次，在泥水艙加注高黏泥漿(600 s)、鋸末、聚丙烯纖維等，混合均勻，用氣壓模式通過聯(lián)通管壓注到刀盤艙內(nèi)，封堵巖層裂隙并止水。

4.2. 隧道外部止水

隧道外部止水與掌子面止水同理，要達到止水的效果還不能產(chǎn)生固結(jié)，便于開艙作業(yè)后頂進施工的潤滑效果。通過向頂管機尾部第1根混凝土管節(jié)的12個預(yù)埋注漿孔與頂管機殼體上9個注漿孔注入盾尾油脂，阻止隧道后部地下水進入刀盤艙。同時，通過減阻泥漿壓注基站，向頂管機尾部第2～20根混凝土管節(jié)內(nèi)的預(yù)埋注漿孔，壓注600 s高黏泥漿，注漿壓力不超過掘進面水土壓力0.5～1 bar。根據(jù)實時監(jiān)測壓力變化情況調(diào)整注入量與壓力控制，從而填充隧道與地層間隙，達到止水效果。

5. 帶壓開艙作業(yè)

5.1. 泥漿制備

泥漿配置的質(zhì)量決定著掌子面止水效果及其穩(wěn)定性，為改善泥漿的性能,需添加增黏劑、降失水劑等。泥漿滲入地層后能形成泥膜，穩(wěn)定地層水土壓力，高黏泥漿配比如表1。

Table 1. The mixing ratio of high viscosity slurry表1. 高黏泥漿配比

5.2. 開艙壓力設(shè)定

掌子面泥膜形成以后，需要通過氣壓抵抗地層的水土壓力來維持掌子面的穩(wěn)定，壓力設(shè)定值為停機靜止時的水土壓力。設(shè)定壓力過高不但對開艙作業(yè)人員身體不利，同時還容易擊穿泥膜而透水；設(shè)定壓力過低氣壓不足以平衡地層水土壓力，易導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)坍塌[4]。

帶壓開艙的壓力計算公式如下：

式中：pmin為刀盤艙氣壓，kPa；k為安全系數(shù)，kPa?1，一般k> 1；pd為盤艙水壓，kPa；pe為掌子面土層壓力，kPa。

5.3. 帶壓開艙

作業(yè)人員進入人艙內(nèi)加壓至設(shè)定值后進入作業(yè)艙，艙內(nèi)人員使用電話或?qū)χv機與監(jiān)艙人員保持聯(lián)系，人員進入作業(yè)艙后打開泥水艙艙門，選派施工經(jīng)驗豐富的人員進入泥水艙開啟刀盤艙艙門。開啟艙門前打開艙門上觀察閥，判斷艙內(nèi)透水情況，在確認安全的情況下緩緩開啟刀盤艙艙門，同時使用氣體檢測儀檢測，確認無有害氣體后方可進入工作。

在刀盤艙內(nèi)作業(yè)時應(yīng)有人員在泥水艙進行監(jiān)護，查看掌子面穩(wěn)定情況，如有土體掉落和透水現(xiàn)象，應(yīng)重新注漿封堵后再進行開艙作業(yè)。作業(yè)完成后，開艙人員對刀盤艙內(nèi)進行全面檢查，避免工具、雜物遺留在艙內(nèi)。確認所有工作完成后，關(guān)閉刀盤艙和泥水艙艙門，人員在作業(yè)艙和人艙內(nèi)減壓，減壓時間根據(jù)作業(yè)壓力及時間確定，嚴格按照國際標準執(zhí)行。

6. 結(jié)語

富春江頂管施工帶壓開艙換刀作業(yè)的成功實施，為今后的頂管施工帶壓開艙作業(yè)提供了一定的借鑒。在開艙作業(yè)時，應(yīng)重視地下水的封堵，防止隧道后部地下水進入刀盤艙，造成掌子面失穩(wěn)及刀盤艙內(nèi)積水導(dǎo)致無法作業(yè)；止水材料不僅要有良好的止水效果，還應(yīng)保證開艙作業(yè)結(jié)束后頂進時的潤滑效果，可選用油脂類柔性止水材料；帶壓開艙作業(yè)具有一定危險性，泥膜的質(zhì)量及持續(xù)時間是保證掌子面地層穩(wěn)定的重要因素，艙內(nèi)氣壓設(shè)定應(yīng)經(jīng)過詳細計算后合理設(shè)定。

[1] 彭旭紅. 南昌地區(qū)上軟下硬地層土壓平衡盾構(gòu)帶壓開艙技術(shù)[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè), 2014(3): 116-117.

[2] 施筍. 土壓平衡盾構(gòu)在富含水砂層中加壓開艙技術(shù)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2013, 50(1): 154-160.

[3] 姚占虎, 陳方偉, 陳郁. 壓氣條件下大直徑泥水盾構(gòu)飽和法開艙技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2015, 35(2): 185-190.

[4] 呂榮海. 泥水盾構(gòu)機砂層中帶壓開艙作業(yè)在隧道施工中的應(yīng)用[J]. 建材與裝飾, 2011(2): 177-178.