毛鐘毓

（佛山市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528000）

在采用盾構(gòu)法修建城市地下交通工程的過程中，常因地勘資料未完全揭露地層情況，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)功能未完全適應(yīng)地層，進(jìn)而需要開艙處理泥餅、滯排問題及刀具更換作業(yè)[1]。由于在砂層等孔隙率大，保壓性差的地層開艙風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高。因此，為保障施工的安全性，在地下隧道施工中，研究有效的開艙作業(yè)施工技術(shù)具有重要的意義。本文對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行研究，采用衡盾泥結(jié)合WSS 工法地面注漿加固+帶壓開艙作業(yè)的方式，安全快速地更換刀具和清理刀盤泥餅，保持開挖面穩(wěn)定，保障施工過程的安全性，并在切削刀盤后的密封腔內(nèi)充填開挖下來的土砂，保持一定壓力，可有效解決在富水砂層地質(zhì)條件下，盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高、穩(wěn)定性差的問題，順利完成盾構(gòu)帶壓開艙作業(yè)。

1 工程概況

佛山市城市軌道交通三號(hào)線工程火車站站—桂丹路站區(qū)間由火車站出站后往西沿規(guī)劃道路敷設(shè)，下穿佛山大橋、佛塑集團(tuán)宿舍樓、郊邊村村民房和佛開高速，最后到達(dá)桂丹路站。區(qū)間拱頂覆土厚度約為11m～29m，郊邊村民房段有長(zhǎng)約270m 的高富水砂層侵入隧道掌子面。

2 選定施工方案

在241 環(huán)掘進(jìn)過程中，這個(gè)區(qū)間右線盾構(gòu)機(jī)發(fā)現(xiàn)渣樣開始出現(xiàn)砂層，嘗試用普通膨潤(rùn)土、懸浮劑等渣土改良材料后，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效果沒有明顯改善，在上軟下硬的高富水砂層中，盾構(gòu)機(jī)施工掘進(jìn)參數(shù)明顯惡化，因此希望通過開艙分析解決掘進(jìn)困難問題[2]。通過地質(zhì)勘察和螺旋機(jī)排渣情況可以看出，隧道拱頂為高富水中粗砂和礫砂地層，部分已侵入掌子面。本位置地層軟弱，稍有擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地面塌陷[3]，因此為保證掌子面穩(wěn)定和滿足氣密性要求，須采用“衡盾泥”制作泥膜。衡盾泥結(jié)合WSS 注漿施工技術(shù)適用地面平坦開闊且具備地面注漿條件的環(huán)境，以此可以降低“衡盾泥”泥膜周邊土體滲透系數(shù)，減少泥膜被擊穿的概率，同時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)以上土體進(jìn)行加固，有效解決在上軟下硬的高富水砂層中，盾構(gòu)機(jī)施工掘進(jìn)參數(shù)惡化和地層軟弱導(dǎo)致的地面塌陷等問題?？紤]在地面盾構(gòu)刀盤周邊區(qū)域采用無收縮前進(jìn)式注漿（WSS 注漿）結(jié)合衡盾泥雙保壓措施的方式完成盾構(gòu)帶壓開艙作業(yè)，以此保障盾構(gòu)施工的安全性和保證工程順利進(jìn)行。

3 工程技術(shù)施工實(shí)例

3.1 技術(shù)內(nèi)容

在采取衡盾泥結(jié)合WSS 注漿雙保壓的技術(shù)措施過程中，衡盾泥是以膨潤(rùn)土為主要材料，通過改性后形成的一種高黏度觸變泥漿，具有較好的和易性和黏附性，不易被水稀釋且有一定的強(qiáng)度，在帶壓開艙過程中成膜的效果較好，而且材料環(huán)保[4]；WSS 注漿是指用鉆注一體機(jī)在地表垂直向下，邊鉆進(jìn)邊穩(wěn)定壓力注入水泥或水泥—水玻璃雙液漿，對(duì)地層局部區(qū)域進(jìn)行加固[5]。將兩者結(jié)合，利用衡盾泥支撐和WSS 注漿加固，可以有效地避免地層坍塌和滲水問題，提高盾構(gòu)帶壓開艙作業(yè)的安全性、穩(wěn)定性和效率，保證開艙順利。土衡盾泥結(jié)合WSS 注漿雙保壓盾構(gòu)帶壓開艙施工技術(shù)的主要特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)如下：1）在施工中基本不需要采取其他土體加固等輔助施工措施，不僅節(jié)省成本，還對(duì)環(huán)境無污染。2）根據(jù)衡盾泥制作的泥膜完整性及滲水情況，結(jié)合空壓機(jī)的變化決定是否需要重建泥膜。泥膜制作過程簡(jiǎn)單，施工期間工作面易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，減少了地表下沉。

綜合應(yīng)用衡盾泥結(jié)合WSS 注漿雙保壓的方式完成盾構(gòu)帶壓開艙作業(yè)，詳細(xì)的開艙流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

根據(jù)圖1 的流程，利用衡盾泥技術(shù)和WSS 注漿技術(shù)，完成盾構(gòu)帶壓開艙作業(yè)，主要步驟如下：1）開挖前準(zhǔn)備。在施工前，需要對(duì)地下隧道的地質(zhì)情況和土層穩(wěn)定性進(jìn)行仔細(xì)勘察和評(píng)估。根據(jù)地質(zhì)條件，確定合適的衡盾泥配比和WSS 注漿參數(shù)。2）制備衡盾泥。按照預(yù)先確定的配比，將特殊材料與泥土充分混合，制備具有較高黏性和強(qiáng)度的衡盾泥。3）注漿。在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)過程中，通過設(shè)置注漿管道，將WSS 注漿材料注入地層的空隙中。注漿材料填充土體的空隙，增加土體的密實(shí)度和強(qiáng)度。4）配合開艙作業(yè)。在需要進(jìn)行開艙作業(yè)的地點(diǎn)，使用挖掘機(jī)等設(shè)備進(jìn)行挖洞作業(yè)，同時(shí)將衡盾泥涂抹在掘進(jìn)面上形成泥膜，以此提供額外的支撐和穩(wěn)定，并保持泥膜的濕潤(rùn)狀態(tài)。WSS注漿也有加固和穩(wěn)定地層的作用。5）施做止水環(huán)。在開艙準(zhǔn)備工作完成后，使用模具將混凝土或其他止水材料澆筑至止水環(huán)的位置，保證開艙處的密封性。暫停WSS 注漿施工，等待止水環(huán)養(yǎng)護(hù)和固化。6）雙保壓施工。當(dāng)開艙作業(yè)時(shí)，用注漿系統(tǒng)對(duì)附近地層進(jìn)行雙保壓處理。使用高壓注漿泵將WSS 注漿材料注入地層的空隙中，并對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，保證穩(wěn)定性和密實(shí)性。7）掌子面控制。根據(jù)需要可以采取鋼板、預(yù)應(yīng)力錨桿等加固措施，防止塌方和失穩(wěn)，保障開艙的安全性。施工步驟中的使用材料，見表1。

表1 主要材料表

在用衡盾泥結(jié)合WSS 注漿雙保壓的方式完成盾構(gòu)帶壓開艙作業(yè)的過程中，施做止水環(huán)、衡盾泥拌制和地面WSS 注漿加固是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行合理施工，不僅能起到協(xié)同作用，還能為雙保壓盾構(gòu)帶壓開艙施工提供全面支護(hù)和加固，保證施工的穩(wěn)定性。

3.2 施做止水環(huán)

在二次注漿前，通過盾構(gòu)機(jī)中盾的預(yù)留注漿孔徑，將2m3～3m3的膨潤(rùn)土排出盾體外，充分填充盾體周邊間隙，防止止水環(huán)施作期間漿液前竄包裹住盾體。待盾體周邊注滿膨潤(rùn)土泥漿后，對(duì)脫出盾尾3～7 環(huán)的位置進(jìn)行整環(huán)管片注漿，以達(dá)到止水的目的，止水環(huán)注漿點(diǎn)位圖，如圖2所示。注漿順序?yàn)閺亩芪埠? 環(huán)到7 環(huán)，注漿點(diǎn)位為1、4、8 和11，形成連續(xù)止水環(huán)，用于阻隔盾構(gòu)機(jī)后方地下水。二次注漿采用水泥漿和水玻璃雙液漿，當(dāng)壓漿時(shí)，由專人對(duì)壓入位置、壓入量和壓力值進(jìn)行詳細(xì)記錄，根據(jù)地層地質(zhì)及隧道埋深確定具體注漿量及注漿壓力，注漿壓力應(yīng)≥0.3MPa，保證壓漿工序的施工質(zhì)量。注入時(shí)應(yīng)注意注漿量和注漿壓力，并密切關(guān)注土艙壓力波動(dòng)，防止二次注漿漿液前竄，裹住盾體，裹死刀盤。

圖2 止水環(huán)注漿點(diǎn)位圖

3.3 衡盾泥拌制

衡盾泥采用雙組份配制材料，分別為A 組份和B 組份，A 組份為干粉料，B 組份為液體材料。

3.3.1 拌制衡盾泥A 液

3.3.1.1 配比

衡盾泥材料A 粉∶水=1 ∶2（質(zhì)量比），每次攪拌加2m3水后，使用剪切泵加1t 的衡盾泥A 粉，加料順序?yàn)橄燃铀偌覣 粉。

3.3.1.2 試驗(yàn)檢驗(yàn)

完成衡盾泥A 液試驗(yàn)拌制后，經(jīng)檢測(cè)，待其塑化黏度約200s 后和B 液混合。

3.3.1.3 攪拌

采用剪切泵充分?jǐn)嚢杈鶆蚝舛苣郃 液，完成攪拌后利用剪切泵循環(huán)10min～15min，直至無干粉結(jié)團(tuán)顆粒（即無懸浮顆粒）為止，完成攪拌后無須膨化。采取洞內(nèi)攪拌的方式攪拌衡盾泥A 液，用平板車將剪切泵運(yùn)至隧道后，用接管連接漿車。

3.3.2 混合衡盾泥A 液與B 液

3.3.2.1 配比

衡盾泥配比（質(zhì)量比）初步定為A 液∶B 液=15 ∶1

3.3.2.2 試驗(yàn)檢驗(yàn)

衡盾泥A 液和B 液混合后，經(jīng)檢測(cè)，待塑化黏度為600s 且配置后的密度約為1.22g/cm3～1.28g/cm3后投入使用。

3.3.2 .3 攪拌

為保證混合均勻，采用噴淋形式混合A 液和B 液。當(dāng)攪拌時(shí)，同步注漿罐正轉(zhuǎn)5min，再反轉(zhuǎn)5min，直至混合物呈現(xiàn)果凍狀為止。

3.4 WSS 注漿加固

3.4.1 土艙渣土置換

為防止注漿加固時(shí)漿液進(jìn)入土艙內(nèi)，在注漿加固前應(yīng)先將土艙內(nèi)的渣土置換成衡盾泥，土艙渣土置換具體操作如下：1）保證掌子面及刀盤上方土層穩(wěn)定且置換完全性，同時(shí)防止注入壓力過大或者過小導(dǎo)致地層不穩(wěn)定，影響后續(xù)保壓效果。置換壓力控制在開艙工作壓力2.2kPa 的基礎(chǔ)上提高0.1kPa～0.2kPa，波動(dòng)控制在±0.2kPa。2）利用土艙壁上3 點(diǎn)和9 點(diǎn)位球閥注入孔注入衡盾泥，置換土艙內(nèi)渣土，注入時(shí)采用同步注漿泵進(jìn)行接管，控制注入量盡量與排出量匹配，開啟土艙隔板頂部預(yù)留孔，排除約30m3的渣土，確保滿艙都是衡盾泥材料為止（判斷標(biāo)準(zhǔn)：頂部預(yù)留孔流出衡盾泥）。

3.4.2 注漿布孔及加固范圍

注漿孔平面布置圖如圖3所示，根據(jù)圖3 對(duì)注漿布孔及加固范圍進(jìn)行描述。

圖3 注漿孔平面布置圖（單位：mm）

3.4.2.1 盾體正上方

隧頂上方0.5m～2m 為AB 液，隧頂上方5m～2m 部分為AC 液；AC 液為水泥水玻璃雙液體漿，AB 液為磷酸水玻璃化學(xué)漿液。

3.4.2.2 盾體兩側(cè)及刀盤前兩排

隧頂上方2m 至入巖深度1m 為AB 液，隧頂上方5m～2m 部分為AC 液。

3.4.2.3 其余外部加固孔注入AC 液加固深度

其余外部加固孔注入均為AC 液，加固深度為隧頂上方5m 至入巖深度1m。

3.4.2.4 盾構(gòu)施工順序

當(dāng)注漿時(shí)先施工Ⅰ序孔，對(duì)盾體及刀盤周邊進(jìn)行保護(hù)后，開始施工Ⅱ序孔。

3.4.3 WSS 注漿加固壓力變化分析

設(shè)計(jì)試驗(yàn)采用的土壓力計(jì)及滲壓計(jì)為微型電阻式土壓力盒及滲壓計(jì)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為壓力盒的應(yīng)變量，為得到注漿壓力值需要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，如公式（1）所示。

式中：P為待求壓力值（孔壓或土壓力）；με為應(yīng)變量（應(yīng)變儀直接測(cè)得）；K為率定系數(shù)。各種壓力計(jì)率定系數(shù)值詳見表2。

表2 壓力計(jì)相應(yīng)率定系數(shù)值

對(duì)注漿過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算后，將測(cè)點(diǎn)土壓力值繪制成曲線，如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)土壓力值曲線圖

由圖4 看出，當(dāng)70s～110s 加壓艙內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)開始注漿，由于注漿對(duì)地層有一個(gè)壓密的過程會(huì)導(dǎo)致壓力增大，因此壓力變大后又變小，漿液沖破地層孔隙滲進(jìn)砂土中壓力明顯變??；在200s～450s，注漿過程穩(wěn)定，隨著注漿泵的吸漿和注漿，壓力會(huì)上下波動(dòng)，結(jié)合其他測(cè)定值可以發(fā)現(xiàn)距離注漿口最近的測(cè)點(diǎn)壓力值最大，最遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)壓力值最小，最大壓力值超過70kPa；在450s～550s，注漿壓力有逐漸變大的趨勢(shì)，此時(shí)停止注漿，壓力迅速變小。

3.5 帶壓開艙作業(yè)

根據(jù)地下水位和盾構(gòu)機(jī)埋深，開艙工作壓力設(shè)定為2.2kPa，控制土艙壓力分4 級(jí)，采用少量多次的方式注入衡盾泥進(jìn)行加壓，每級(jí)0.2kPa，前面3 級(jí)要求動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓2h，最后1 級(jí)2.8kPa～3.0kPa 保證穩(wěn)壓6h 以上。前3 級(jí)分級(jí)加壓完成后，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，轉(zhuǎn)速為0.1r/s～0.5r/s。保證衡盾泥材料的均勻性。

當(dāng)氣泥置換時(shí)開啟盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)保壓系統(tǒng)，在衡盾泥穩(wěn)壓壓力值的基礎(chǔ)上，分階梯、降級(jí)減壓，每個(gè)梯級(jí)為0.2kPa，直至達(dá)到開艙壓力2.2kPa 為止。每個(gè)階梯壓力在動(dòng)態(tài)保壓情況下穩(wěn)壓2h，最后一級(jí)降壓后穩(wěn)壓6h。

在最后一級(jí)穩(wěn)壓過程中，記錄工作空壓機(jī)的啟動(dòng)頻率，如果泄氣量能小于供氣能力的10%，就表明開艙保壓試驗(yàn)合格，可以開艙施工。

4 技術(shù)總結(jié)

在2021年6月5日，這個(gè)工程在248 環(huán)位置開始對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行密封保護(hù)及使用衡盾泥置換泥漿，在6月9日進(jìn)行WSS 地面注漿加固，在6月22日完成地面加固，隨后使用衡盾泥建泥膜，進(jìn)行保壓試驗(yàn)，在2021年7月5日開始進(jìn)艙工作，2021年7月15日累計(jì)進(jìn)艙36 艙，完成帶壓開艙換刀及清理泥餅工作。在施工期間，雖然開艙保壓階段的空壓機(jī)啟動(dòng)頻率隨著清理刀盤開口有些波動(dòng)，但啟動(dòng)頻率整體能夠穩(wěn)定在10%內(nèi)，滿足帶壓開艙的規(guī)范要求，較好地完成了土艙的保壓工作；在36 艙開艙過程中，地面監(jiān)測(cè)的下沉值為15mm，未出現(xiàn)超過規(guī)范要求的下沉且泥膜完整，沒有出現(xiàn)滲水、破損的情況，說明采用衡盾泥結(jié)合WSS 注漿雙保壓技術(shù)成功完成了富水砂層中的開艙換刀及清理工作，可有效解決在上軟下硬的高富水砂層中，盾構(gòu)機(jī)施工掘進(jìn)參數(shù)惡化和地層軟弱導(dǎo)致地面塌陷等問題，保障了施工的安全性，提高了施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

采用富水砂層衡盾泥結(jié)合WSS 注漿雙保壓盾構(gòu)帶壓開艙施工技術(shù)，能將富水砂層下帶壓開艙風(fēng)險(xiǎn)降到最低，具有施工質(zhì)量好、操作簡(jiǎn)單、保障安全和經(jīng)濟(jì)效益較好等優(yōu)勢(shì)，不僅增加了城市軌道建設(shè)工程盾構(gòu)工法的靈活性與適用性，還創(chuàng)造了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，可以給類似工況提供借鑒。