梁嘉洛

廣州市盾建建設(shè)有限公司 廣東 廣州 510000

隨著城市交通建設(shè)的快速發(fā)展，地下隧道的建設(shè)日益增多，盾構(gòu)技術(shù)作為一種先進(jìn)的施工方法在其中扮演著重要角色。在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機壓氣開倉技術(shù)是確保施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。然而，盾構(gòu)機壓氣開倉過程中存在一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，如開挖面土體穩(wěn)定性、倉內(nèi)氣密性的提升等問題。為解決這些挑戰(zhàn)，研究人員開始關(guān)注并應(yīng)用緩凝凝膠漿液作為一種有效輔助材料。本文旨在系統(tǒng)綜述基于緩凝凝膠漿液的盾構(gòu)壓氣開倉技術(shù)，并探討其在隧道施工中的應(yīng)用前景[1]。通過對該技術(shù)的深入研究和分析，將為提高盾構(gòu)施工的效率和質(zhì)量提供重要的理論和實踐指導(dǎo)。

1 盾構(gòu)機壓氣開倉技術(shù)綜述

1.1 盾構(gòu)機壓氣開倉原理

盾構(gòu)機壓氣開倉，是指盾構(gòu)停止掘進(jìn)后，在開挖倉內(nèi)氣壓高于大氣壓條件下，工程人員進(jìn)人開挖倉施工作業(yè)。其原理是通過向人閘和開挖倉注入壓縮空氣，使開挖倉內(nèi)氣壓提升至指定數(shù)值，以改變地層的應(yīng)力分布及平衡開挖面外水土壓力，使開挖面保持穩(wěn)定，保證開挖倉內(nèi)人員作業(yè)安全，并減少土層的沉降和地面沉陷的風(fēng)險。盾構(gòu)機壓氣開倉原理的關(guān)鍵在于通過開倉作業(yè)前對盾構(gòu)周邊地層進(jìn)行處理等各種輔助工法，保證地層的穩(wěn)定性和氣密性符合要求，確保開挖面的穩(wěn)定性和施工安全。通過深入理解和研究盾構(gòu)機壓氣開倉原理，可以優(yōu)化施工參數(shù)和技術(shù)策略，提高施工效率和質(zhì)量，為地下隧道建設(shè)提供可靠的技術(shù)支持。

1.2 盾構(gòu)機壓氣開倉的挑戰(zhàn)

盾構(gòu)機壓氣開倉作為地下隧道施工中的重要環(huán)節(jié)，面臨著一系列挑戰(zhàn)。氣密性的提升是實現(xiàn)高效壓氣開倉的關(guān)鍵因素。氣密性不足會導(dǎo)致氣體泄漏，倉內(nèi)壓力驟降造成減壓病，危害倉內(nèi)作業(yè)人員的生命安全。此外，開挖面的穩(wěn)定性也是一個重要挑戰(zhàn)。盾構(gòu)機壓氣開倉會引起地層變形和土體松動，如果開挖面的穩(wěn)定性不得到有效控制，可能導(dǎo)致倉內(nèi)及地層塌方[2]。同時，地下水和地下水位的變化也會對盾構(gòu)機壓氣開倉造成挑戰(zhàn)，因為水的存在可能會影響氣體的擴散和壓實效果。在盾構(gòu)機壓氣開倉中，需要綜合考慮氣密性提升、開挖面穩(wěn)定性以及地下水的影響等多個方面的挑戰(zhàn)，并針對這些挑戰(zhàn)提出相應(yīng)的解決方案和技術(shù)措施，以確保盾構(gòu)機壓氣開倉的安全、高效和可靠性。

1.3 現(xiàn)有的盾構(gòu)機壓氣開倉輔助方法

為應(yīng)對盾構(gòu)機壓氣開倉中的挑戰(zhàn)，研究人員提出了多種輔助方法來提高施工效率和質(zhì)量。一種常見的方法是往開挖倉注入惰性漿液后，注入壓縮空氣進(jìn)行漿氣置換，使開挖面形成一層致密泥膜保證倉內(nèi)氣密性，通過調(diào)整壓縮空氣流量流量，保證倉內(nèi)壓力穩(wěn)定[3]。此外，采用超前孔注漿預(yù)加固，提升開挖面上方土體強度及氣密性，從而提高盾構(gòu)壓氣開倉的效果也是一種常見方法。另一種方法是往開挖面土體地層注入凝膠化學(xué)漿液，以封堵地下水流動通道，增加開挖面土體氣密性，提高盾構(gòu)機壓氣開倉的成功率。此外，應(yīng)用先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，如應(yīng)變傳感器和地下水位監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測地層變化和水文條件，為盾構(gòu)機壓氣開倉提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1.4 緩凝凝膠漿液在盾構(gòu)機壓氣開倉中的應(yīng)用

緩凝凝膠漿液作為一種新型的輔助材料，在盾構(gòu)機壓氣開倉中具有廣泛的應(yīng)用前景。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在幾個方面。首先，緩凝凝膠漿液可調(diào)控土體的凝膠時間，通過選擇適當(dāng)?shù)木從齽┖吞砑恿?，可使凝膠時間延長或縮短，從而滿足不同地層條件下的施工需求。其次，緩凝凝膠漿液還能改善土體的流變性能，在盾構(gòu)機壓氣開倉過程中漿液均勻的凝膠層，有效填充地層裂隙，增加地層的整體穩(wěn)定性，減小土體的滲透性，從而提高氣密性和防止氣體泄漏[4]。此外，通過添加緩凝劑來調(diào)控化學(xué)凝膠漿液的凝膠時間和流變性，結(jié)合超前注漿孔設(shè)計和布置，可以擴大土體改善范圍，提高盾構(gòu)機壓氣開倉的成功率。緩凝凝膠漿液在盾構(gòu)機壓氣開倉中的應(yīng)用具有多方面的優(yōu)勢和潛在效益，為提高施工效率、保障工程安全和質(zhì)量提供了一種可行的技術(shù)方案和工程實踐。

2 緩凝凝膠漿液的性質(zhì)與調(diào)控

2.1 磷酸水玻璃漿液的基本性質(zhì)

磷酸水玻璃漿液作為一種常用的凝膠漿液，在盾構(gòu)機壓氣開倉中具有實用性。磷酸水玻璃漿液具有優(yōu)異的硬化性能和流變性能。通過調(diào)節(jié)漿液中磷酸和水玻璃的比例，可以控制其硬化時間和黏度，以滿足不同施工條件下的需要。磷酸水玻璃漿液具有良好的粘聚性和黏結(jié)性，能夠增加土體的黏結(jié)力和粘聚力，提高開挖面的穩(wěn)定性和抗裂性。此外，磷酸水玻璃漿液還表現(xiàn)出較好的滲透性，能夠滲透入地層裂隙中并形成凝膠層，從而增加地層的整體穩(wěn)定性。同時，磷酸水玻璃漿液還具有一定的耐水性和耐化學(xué)腐蝕性，能夠在地下水環(huán)境中長期穩(wěn)定存在。

2.2 漿液參數(shù)對凝膠時間的影響

增加磷酸水玻璃的濃度可以縮短凝膠時間，反之降低磷酸水玻璃的濃度可以延緩凝膠時間，然而過度調(diào)節(jié)漿液濃度會導(dǎo)致漿液凝膠性能不滿足改良土體氣密性和滲透性的要求。因此，需要加入緩凝劑以延長漿液的凝膠時間。經(jīng)查閱相關(guān)資料，磷酸水玻璃漿液的凝膠時間主要受氣溫和pH值影響。一般情況下，升高溫度可以加快凝膠反應(yīng)速度，縮短凝膠時間，而降低溫度則會延長凝膠時間。在一定范圍內(nèi)，較高的pH值可以加速凝膠反應(yīng)，而較低的pH值則會延緩凝膠時間。

2.3 緩凝劑的選擇與添加量控制

緩凝劑的選擇和摻入量控制對于磷酸水玻璃漿液的性能和盾構(gòu)機壓氣開倉的效果至關(guān)重要。在選擇緩凝劑時，需要考慮多個因素，包括漿液pH值、土體類型、地層條件、施工環(huán)境、氣溫等。不同的緩凝劑具有不同的化學(xué)成分和作用機理，如無機鹽、硅酸鹽、聚合物等，可通過與磷酸鹽反應(yīng)來控制漿液的凝膠時間和流變性。在摻入量控制方面，需要根據(jù)具體施工需求和實驗結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，確保漿液的穩(wěn)定性和可控性。過高或過低的緩凝劑添加量都會對漿液的性能產(chǎn)生不利影響。此外，添加量還受到其他因素的影響，如漿液濃度、漿液混合比例等，需要進(jìn)行合理調(diào)整。圖1展示了磷酸水玻璃配合比凝膠試驗流程圖。在室內(nèi)溫度30℃的條件下，通過按不同稀釋比例稀釋磷酸和水玻璃，然后等體積混合，并加入不同劑量的緩凝劑，成功試驗出能將磷酸水玻璃漿液凝膠時間控制在60～100秒左右的漿液配合比。通過合理選擇緩凝劑和嚴(yán)格控制添加量，可以實現(xiàn)漿液的凝膠時間、黏度和穩(wěn)定性的精確調(diào)控，以滿足盾構(gòu)機壓氣開倉的施工要求。

圖1 磷酸水玻璃配合比凝膠試驗流程圖

3 緩凝凝膠漿液的盾構(gòu)壓氣開倉技術(shù)方法

3.1 盾構(gòu)機超前注漿孔設(shè)計與布置

在設(shè)計方面，需要考慮地層的物理性質(zhì)、裂隙狀況以及地下水位等因素。合理布置的超前注漿孔設(shè)計可以確保漿液充分滲透到地層中，形成穩(wěn)定的凝膠帶，并增強地層的氣密性。布置方面，超前注漿孔應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)機的工作面、土壓力分布以及土體變形情況進(jìn)行合理布置，以實現(xiàn)對地層的均勻加固和穩(wěn)定支護(hù)[5]。合適的孔距可以提供足夠的注漿空間和壓力，確保漿液充分填充和浸透，從而形成連續(xù)的凝膠帶和穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)。此外，超前注漿孔的布置應(yīng)與其他施工參數(shù)相協(xié)調(diào)，如盾構(gòu)機埋深、注漿壓力和注漿劑的流量等，以保證施工過程的安全性和高效性。

3.2 微調(diào)漿液凝膠時間的方法

在實踐中，存在多種方法可以實現(xiàn)凝膠時間的調(diào)整。其中，磷酸水玻璃混合漿液的pH值是影響凝膠時間的重要因素。調(diào)節(jié)漿液的pH值也可以對凝膠時間產(chǎn)生影響。在一定范圍內(nèi)，增加pH值可以加速凝膠反應(yīng)，從而縮短凝膠時間，而降低pH值則會延緩凝膠時間。磷酸屬于中強酸，溶液呈酸性，水玻璃溶液呈堿性，兩種材料按不同比例稀釋，然后等體積混合，pH值變化較大。若通過分別調(diào)整兩種漿液濃度來控制凝膠時間，會對凝膠狀態(tài)有較大的影響，且凝膠時間難以微調(diào)。

以調(diào)節(jié)漿液pH值為目的的緩凝劑選擇上，碳酸氫鈉溶液呈堿性，可起到調(diào)節(jié)磷酸水玻璃漿液pH值的作用，且對磷酸水玻璃反應(yīng)生成的凝膠體狀態(tài)無影響。同時，碳酸氫鈉成本低，易采購，碳碳酸氫鈉粉末容易運輸和儲存。故本技術(shù)研究定以碳酸氫鈉作為緩凝劑，摻入磷酸稀釋液。分別以磷酸稀釋比例，水玻璃稀釋比例，以及碳酸氫鈉摻入量為變量，通過室內(nèi)試驗，研究出能適當(dāng)延長凝膠時間的漿液配比。最終得出1:4水玻璃稀釋液（原液41°Bé）和1:30磷酸稀釋液（原液濃度85%），并在磷酸稀釋液中摻入質(zhì)量1%的碳酸氫鈉粉末，等體積混合后漿液凝膠時間在88～105秒之間，滿足預(yù)設(shè)要求。

需要注意的是，這些微調(diào)方法需要在實驗室條件下進(jìn)行試驗驗證，并結(jié)合具體工程要求進(jìn)行優(yōu)化。在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行綜合考慮和合理調(diào)整，以確保凝膠時間的精確控制和穩(wěn)定性，提高盾構(gòu)機壓氣開倉的施工效率和質(zhì)量。

3.3 漿液擴散范圍的增大與氣密性提升

在漿液擴散范圍方面，由于緩凝凝膠漿液的擴散性大于普通凝膠漿液，注漿擴散范圍可控，故可以通過合理布置注漿孔的數(shù)量，減少施工時間，提升開倉效率。合理的孔距設(shè)計可以提供足夠的注漿空間和壓力，使?jié){液能夠充分填充目標(biāo)區(qū)域，實現(xiàn)擴散范圍可控，節(jié)約成本。此外，采用合適的注漿方法和注漿參數(shù)，如注漿壓力、注漿速度和注漿劑的流量等，也可以促進(jìn)漿液在地層中的均勻分布和擴散。在氣密性方面，凝膠漿液在地層有效擴散形成較為密實的凝膠帶，從而提高地層的氣密性。此外，通過其他密封措施，如盾構(gòu)機盾尾管片注漿施做止水，盾構(gòu)機徑向孔填充等，可以減少氣體泄漏和滲透，進(jìn)一步提升工作區(qū)域的氣密性。

3.4 盾構(gòu)機壓氣開倉成功率的提升

盾構(gòu)機壓氣開倉的成功關(guān)鍵在于倉內(nèi)的氣密性，合理的注漿參數(shù)以及倉內(nèi)壓力參數(shù)選擇對成功開倉至關(guān)重要[6]。嚴(yán)格控制注漿劑的配比和注漿參數(shù)，以確保漿液的流動性和穩(wěn)定性。適宜的注漿壓力和流量可以提供足夠的注漿能力，確保凝膠帶的形成，封堵土層中的漏氣通道和來水通道，提升倉內(nèi)密封性。此外，對盾構(gòu)機的維護(hù)和保養(yǎng)也是提高成功率的關(guān)鍵。定期檢查和維修盾構(gòu)機的關(guān)鍵部件，尤其是空壓機及自動保壓系統(tǒng)，保證其在開倉過程中持續(xù)正常運行，保持倉內(nèi)壓力穩(wěn)定，確保倉內(nèi)作業(yè)人員安全。

4 應(yīng)用領(lǐng)域與前景展望

4.1 基于緩凝凝膠漿液的盾構(gòu)機壓氣開倉技術(shù)的應(yīng)用范圍

盾構(gòu)機壓氣開倉技術(shù)作為一種高效、安全的地下工程施工方法，在地鐵、電力、水利和管廊工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[7]。凡是在復(fù)雜地層下采用盾構(gòu)法施工的隧道，經(jīng)常出現(xiàn)盾構(gòu)機刀具損壞、倉內(nèi)結(jié)泥餅，或遇到障礙物等情況，需要在復(fù)雜地層下壓氣開倉作業(yè)。該技術(shù)能提高盾構(gòu)機在復(fù)雜地層條件下壓氣開倉成功率，實現(xiàn)降本增效，在盾構(gòu)法隧道領(lǐng)域的應(yīng)用范圍廣泛，能夠滿足不同工程的需求，提高工程施工效率，降低施工風(fēng)險。在具體的應(yīng)用中，仍需結(jié)合工程的地質(zhì)特征、水文條件和環(huán)境要求等因素，進(jìn)行合理設(shè)計和施工控制，以確保盾構(gòu)機壓氣開倉技術(shù)的順利應(yīng)用和工程的安全可靠。

4.2 經(jīng)濟與社會效益分析

基于緩凝凝膠漿液的盾構(gòu)機壓氣開倉技術(shù)的應(yīng)用不僅在工程施工方面帶來顯著的經(jīng)濟效益，同時也對社會產(chǎn)生積極影響。從經(jīng)濟角度來看，通過緩凝凝膠漿液輔助盾構(gòu)機壓氣開倉技術(shù)可以提高工程施工的效率和速度，縮短工期，降低工程成本，提高經(jīng)濟效益。在社會方面，該技術(shù)的應(yīng)用可以提升城市地下空間建設(shè)效率，提升了城市形象和功能，促進(jìn)了經(jīng)濟增長和社會進(jìn)步。

5 結(jié)語

基于緩凝凝膠漿液的盾構(gòu)壓氣開倉技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。該技術(shù)在提高開倉成功率、增強壓氣開倉作業(yè)安全性、縮短工期、降低成本等方面展現(xiàn)了巨大潛力。然而仍需進(jìn)一步研究和探索，包括漿液配方優(yōu)化、施工參數(shù)調(diào)控、工程實踐經(jīng)驗總結(jié)等方面，以推動該技術(shù)在地下工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時，還需注重環(huán)境保護(hù)和社會可持續(xù)發(fā)展，充分考慮工程與環(huán)境的協(xié)調(diào)，為人們創(chuàng)造更美好的城市生活環(huán)境。未來的研究和實踐將進(jìn)一步完善基于緩凝凝膠漿液的盾構(gòu)機壓氣開倉技術(shù)，促進(jìn)地下工程領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展。