張細寶，馮超博

（1、中鐵五局集團有限公司 長沙 410075；2、中南大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410075）

0 引言

盾構(gòu)施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)刀具異常磨損，或者針對特殊工程需更換不同刀具，如在盾構(gòu)截樁工程中到達指定換刀點更換針對截樁設(shè)計的刀具。通常由于地質(zhì)條件復(fù)雜，常壓開倉條件無法滿足的，需要進行帶壓開倉施工。

衡盾泥的黏度高，形成的泥膜結(jié)構(gòu)致密，具有隔水性，在富水地層不易被稀釋帶走，成膜穩(wěn)定；具有觸變性，長時間固結(jié)后通過攪拌又能恢復(fù)流動性，因此衡盾泥帶壓開倉技術(shù)被廣泛應(yīng)用于富水砂層、裂隙發(fā)育巖層、卵石地層、上軟下硬地層等復(fù)雜地質(zhì)條件下的帶壓開倉施工。

目前已有一些針對衡盾泥泥膜的研究。鐘長平等人［1］探討了“衡盾泥”的工程特性和研發(fā)歷程，重點分析了“衡盾泥”用于盾構(gòu)帶壓開艙泥膜護壁的工法及工藝；郭廣才等人［2］通過室內(nèi)試驗，研究衡盾泥成膜及閉氣機理，量化壓力分級及穩(wěn)壓時間等指標；馬卉等人［3］通過室內(nèi)試驗及理論計算的方法對衡盾泥的泥膜氣密性進行分析，確定了A 液泥水質(zhì)量比為1∶2，B 液摻入質(zhì)量比為1/20 的配比條件下橫盾泥泥膜滲氣系數(shù)為10－8～10－7cm3/s。同時也有部分針對衡盾泥實際工程應(yīng)用的研究，如鄺樹華［4］以萬家麗路電力隧道工程的方法及流程、衡盾泥試驗及監(jiān)測數(shù)據(jù)，指出帶壓開倉換刀的衡盾泥泥膜效果好，對地面的影響較小，但換刀完成后復(fù)推極易產(chǎn)生較大的沉降量，需要進行嚴格的控制；萬維燕［5］以廣州八號線8 標亭崗站～石井站全斷面富水砂層“衡盾泥”輔助帶壓進倉施工為背景對“衡盾泥”進行輔助帶壓進倉技術(shù)進行總結(jié)；馮亮［6］基于蘭州地區(qū)砂卵石地層掘進工程實際分析，指出“衡盾泥”泥膜護壁其氣密性和隔水性強，保壓效果好，耐久穩(wěn)定，且對周邊地層起到一定的固結(jié)作用，可極大程度地減小盾構(gòu)恢復(fù)掘進后對周邊地層的影響，加大了開艙作業(yè)的安全性并提高了工作效率；杜寶義等人［7］以廈門地鐵過海區(qū)間隧道工程為例，對不同帶壓開倉工法進行了對比分析，并具體闡述了凍結(jié)法、注漿加固結(jié)合衡盾泥護壁法在海底隧道盾構(gòu)開艙中的應(yīng)用；謝鐵軍等人［8］通過室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場實驗，開發(fā)了富水砂卵石地層衡盾泥輔（HDN）助帶壓換刀和盾構(gòu)掘進地表沉降控制關(guān)鍵技術(shù)；張德文等人［9］介紹了衡盾泥帶壓開倉換刀技術(shù)富水巖溶地層的應(yīng)用及施工重點；鄒冠堯［10］通過研究冷凍刀盤常壓開倉、衡盾泥泥膜護壁帶壓開倉創(chuàng)新工藝實踐應(yīng)用情況，詳細闡述了該施工工藝的技術(shù)要點。

本文以沈陽地鐵某區(qū)間隧道工程為背景，以右線帶壓開倉換刀施工為例說明整個橫盾泥帶壓開倉技術(shù)實施過程。并分析泥膜穩(wěn)定時間、開倉次數(shù)、閥開度與建泥膜次數(shù)的關(guān)系，為相似工程提供參考。

1 工程情況

1.1 工程概況

沈陽地鐵某區(qū)間起訖里程DK12+089.538～DK13+757.438，全長1 667.9雙線米，區(qū)間正線線間距13～19 m，線路坡度呈V字型，覆土厚度為11.86～33 m，區(qū)間主要穿越中粗砂、礫砂層，局部穿越圓礫、泥礫層。

因該區(qū)間右線盾構(gòu)在YDK12+136.564～YDK12+174.081需下穿既有地鐵站。下穿過程需切削侵入隧道范圍內(nèi)的車站圍護樁及構(gòu)造柱樁共17 根。為保證截樁施工的安全順利進行，擬定在YDK12+201.727（1289 環(huán)）位置進行帶壓開倉換刀，更換截樁專用刀具，如圖1所示。

圖1 右線開倉換刀位置平面Fig.1 Plan View of Cutter Head Replacement Location for Right Line Opening

1.2 水文地質(zhì)情況

沈陽市區(qū)在地貌上屬渾河沖洪積新扇，主要含水層位于沖洪積扇上部，巖性以中粗砂、礫砂為主。其中右線盾構(gòu)下穿區(qū)段盾構(gòu)穿越地層為⑤-4礫砂地層。本工點范圍內(nèi)的地下水賦存于中粗砂、礫砂等土層中，穩(wěn)定水位埋深為12.00～13.50 m，含水層滲透性強，滲透系數(shù)K一般在30～100 m/d 之間，水力坡度0.1%～0.2%。

右線換刀點地質(zhì)情況為：總埋深28.32 m（①雜填土3 m，④4礫砂14.12 m，④5圓礫4.51 m，⑤4礫砂6.68 m）刀盤開挖面為⑤4礫砂/⑦泥礫，根據(jù)地勘報告顯示地下水位位于地下13.05 m處，如圖2所示。

圖2 換刀區(qū)域地質(zhì)剖面Fig.2 Geological Cross-section of the Cutter Head Replacement Area

1.3 盾構(gòu)機概況

本工程區(qū)間右線使用1 臺全新T6280 土壓平衡盾構(gòu)機施工，編號為SS37300，本盾構(gòu)機根據(jù)區(qū)間截樁施工進行了針對性的改造設(shè)計。刀盤設(shè)計為面板+輻條復(fù)合式直角刀盤，4主4副輻條，刀盤開口率48%，如圖3所示，適合礫砂地層掘進，渣土流動性好。增加水刀截樁功能，配合刀盤刀具實現(xiàn)樁基切割。

圖3 刀盤示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Cutter Head

根據(jù)切樁刀具圖紙，需更換或新增刀具共41 把：更換中心刀2 把（1 把單刃、1 把雙刃）、新增水刀撕裂刀9把；更換首發(fā)撕裂刀22把；更換切樁撕裂刀8把。

刀具安裝形式均為背裝式安裝，刮刀的安裝形式為輻條兩側(cè)螺栓連接設(shè)計，刀具均可在刀盤背后（土倉內(nèi)）進行刀具的拆裝工作，提高了作業(yè)人員換刀安全性能。

本盾構(gòu)機采用兩套人艙（互為主副倉），每套人艙具有2室，每室可容納3人，人倉規(guī)格1 400×2 350。有兩個土倉入口，并且兩個入口可以在互不干擾的情況下分別進入土倉。兩個獨立倉互為主副倉，并為每個倉單獨配置有獨立的壓縮空氣系統(tǒng)，每個倉均可實現(xiàn)獨立的加減壓操作。

2 帶壓進倉施工方案

2.1 總體方案

盾構(gòu)機上方為砂層，自穩(wěn)性及氣密性差，該因素增加了換刀的風(fēng)險。為保證帶壓開倉換刀順利進行，該工程項目部決定采用衡盾泥在土倉內(nèi)做泥膜進行帶壓開倉作業(yè)，并且在盾構(gòu)機到達換刀點前，提前對換刀點進行注漿加固。增強刀盤前方地層的氣密性并提高掌子面的自穩(wěn)能力。

2.2 施工難點

換刀點處盾構(gòu)機所處地層為富水礫砂地層，總埋深28.32 m，地下水位位于地下13.05 m 處。由于自穩(wěn)性及氣密性較差，滲水性強，使得存在氣壓建立、漿氣置換和地層漏氣量大、泥膜建立及保壓困難等問題。

2.3 換刀點地面加固

根據(jù)設(shè)計要求，沈皇區(qū)間加固體范圍為盾構(gòu)換刀點加固區(qū)長度6 m，隧道左右下部各3 m，上部12 m，如圖4所示。采用三重管旋噴加固。右線加固區(qū)里程范圍為DK12+197.748～DK12+203.748，左線加固區(qū)里程范圍為DK12+192.318～DK12+198.318。加固后土體無側(cè)限抗壓強度≥1.0 MPa，滲透系數(shù)K≤10-8cm/s。加固后的土體應(yīng)有良好的均勻行、自立性、密封性，以保證盾構(gòu)開倉作業(yè)的安全。加固完成后芯樣檢測合格，滿足抗?jié)B及強度要求，若達不到設(shè)計要求，應(yīng)及時鉆孔補充注漿。滿足現(xiàn)場施工要求。

2.4 衡盾泥施工流程

開倉作業(yè)流程如圖5 所示，以下對主要流程進行介紹：

圖5 施工流程Fig.5 Construction Process Flowchart

2.4.1 盾體包裹

盾構(gòu)停機后，向中盾、盾尾與土體的間隙之間填滿衡盾泥，以保證土倉壓力穩(wěn)定、防止地層漏氣以及由于水環(huán)施作注入的水泥漿向前滲透固結(jié)而導(dǎo)致盾構(gòu)機脫困困難。向中盾及尾盾徑向孔注入衡盾泥?？傆嬜⑷牒舛苣?.1 m3。

2.4.2 止水環(huán)施作

對1275 環(huán)、1276 環(huán)、1277 環(huán)共計3 環(huán)進行雙液注漿施作止水環(huán)，防止管片后部的水流入前方以及防止前方倉內(nèi)的氣體流失，保持氣密性，如圖6所示。以注漿量與注漿壓力雙向控制，并密切關(guān)注鉸接情況，注漿壓力不大于2 bar。在注漿完成后開孔檢查止水效果，檢測顯示無滲水。

圖6 止水環(huán)施工現(xiàn)場Fig.6 Construction Site of Water Stop Ring

2.4.3 膨潤土渣土置換

盾體包裹及止水環(huán)施作完成后，向土倉內(nèi)注入膨潤土置換土倉內(nèi)的渣土，先從人倉平衡閥注入，通過腰部球閥觀察和螺機出渣情況觀察膨潤土注入程度，螺旋機排出渣基本為膨潤土后；逆時針轉(zhuǎn)1/4圈，再重新4點注入衡盾泥，觀察螺旋機出渣為膨潤土后；順時針轉(zhuǎn)1/4 圈，再從12 點注入膨潤土。最后從底部點位注入衡盾泥。置換注入膨潤土過程中，嚴禁轉(zhuǎn)動刀盤，應(yīng)嚴格控制好螺旋機轉(zhuǎn)速及土倉壓力，避免壓力波動過大以±0.5 bar 為目標。通過觀察出土為膨潤土后可進行下步加壓施工。

2.4.4 膨潤土滲透加壓

當漿（膨潤土）渣置換完以后，即可進行加壓滲透（通過少量多次的注入膨潤土進行加壓），即膨潤土滲透壓力值為2.0～4.0 bar。在加壓時，緩慢轉(zhuǎn)動刀盤，轉(zhuǎn)速小于0.5 rpm（每隔1 h轉(zhuǎn)1 圈刀盤，保持泥漿均勻，刀盤轉(zhuǎn)動方向一致）。膨潤土的壓注采用盾構(gòu)的膨潤土系統(tǒng)向土倉內(nèi)壓注，此過程中不進行出土或排漿施工，使得土倉內(nèi)膨潤土漿液充分滲入至周邊土層。膨潤土動態(tài)保壓滲透4 h后。進行下步衡盾泥置換施工。

2.4.5 衡盾泥漿渣置換

膨潤土加壓滲透完成后，開始用衡盾泥置換土倉內(nèi)渣土，先從人倉平衡閥注入，通過腰部球閥觀察和螺機出渣情況觀察衡盾泥注入程度，螺旋機排出渣基本為衡盾泥后；逆時針轉(zhuǎn)1/4 圈，再重新4 點注入衡盾泥，觀察螺旋機出渣為衡盾泥后；順時針轉(zhuǎn)1/4 圈，再從12 點注入衡盾泥。最后從底部點位注入衡盾泥。置換注入衡盾泥過程中，嚴禁轉(zhuǎn)動刀盤，應(yīng)嚴格控制好螺旋機轉(zhuǎn)速及土倉壓力，避免壓力波動過大，以±0.5 bar為目標；通過觀察出土都為衡盾泥后可進行下步分級加壓施工。

2.4.6 衡盾泥分級加壓

衡盾泥漿渣置換完成后，即可進行衡盾泥分級加壓，本次分4級加壓（通過少量多次的注入衡盾泥進行加壓），即2.0～2.5，2.5～3.0，3.0～3.5，3.5～4.0。其中，前三級分別動態(tài)穩(wěn)壓4 h，最后一級3.5～4.0 要求動態(tài)穩(wěn)壓12 h，在第三級與第四級之間的時候，利用注入衡盾泥的壓力讓盾構(gòu)機后退，后退之前切口環(huán)里程為DK12+201.720，后退之后切口環(huán)里程為DK12+201.814，總計后退94 mm，滿足開倉要求。

2.4.7 漿氣置換

在最高壓力4.0 bar 動態(tài)穩(wěn)壓12 h 以后，3.5～4.0 bar 采用自然降壓，壓力能穩(wěn)定6 h 則進行漿氣置換。出土分階段進行，打開自動保壓系統(tǒng)設(shè)定為設(shè)計值，將土倉中的盾土輸出約1/3，觀察土倉壓力值的變化，若土倉壓力保持2 h 沒有變化，則繼續(xù)出土至1/2，觀察土倉壓力值的穩(wěn)定情況。

2.4.8 開倉判斷標準

漿氣置換完成后，在保壓系統(tǒng)開啟的情況下，能夠保壓6 h 以上，則認為衡盾泥泥膜護壁完成。同時需通過置換、分級加壓、漿氣置換過程中具體泄壓時間、衡盾泥補注量的詳細記錄情況，空壓機加載和卸載時間判斷綜合分析，并確定是否具備開倉條件。以上兩個條件缺一不可。若達到開倉條件，即可進行后續(xù)開倉作業(yè)。

2.4.9 出土及土倉壓氣試驗

為了確保帶壓進倉作業(yè)安全順利進行，進倉前必須進行土倉壓氣試驗、測定土倉滲水量和人員倉氣密性試驗等工作。

在泥膜建立完畢穩(wěn)定后，可進行土倉內(nèi)的渣土輸出，在出渣過程中，邊出渣邊補充氣壓，并隨時注意土倉壓力變化，以土倉壓力不小于進倉設(shè)定的土倉壓力，出渣至土倉渣土面低于人倉口部以下（不能全部出空，以免發(fā)生螺旋輸送機漏氣現(xiàn)象）。在出土和進行氣密試驗過程中注意以下幾點：

⑴出土要分階段進行，打開自動保壓系統(tǒng)設(shè)定為設(shè)計值，將土倉中的盾土輸出約1/3，觀察土倉壓力值的變化，若土倉壓力無法保持，則重新恢復(fù)入橫盾泥，若土倉壓力保持2 h 沒有變化，則繼續(xù)出土至2/3，觀察土倉壓力值的變化，若土倉壓力保持2 h 沒有變化或不發(fā)生大的波動時（壓力變化值＜0.05 bar），則表明土倉壓氣試驗合格。

同時應(yīng)該觀測加壓時盾構(gòu)補氣量，盾構(gòu)補氣量/空壓機最大補氣量≤10%～30%即為合格。

⑵土倉滲水量測定

對于掌子面上有孔隙潛水在壓氣情況下仍會不斷地進入土倉。通過打開土倉壁球閥進行檢查，若打開球閥存在滲水情況，則表明不能安全地實施帶壓進倉作業(yè)，需重新建立泥膜。

2.5 后續(xù)泥膜建立

帶壓開倉過程中每次出倉，需檢查空壓機閥開度及啟用備用空壓機的加載時間卸載時間判讀是否要重新建立泥膜。后續(xù)泥膜采用膨潤土注入土倉進行泥膜建立。具體分析見下節(jié)。

3 泥膜穩(wěn)定程度分析

區(qū)間右線人員進倉施工，至完成本次帶壓開倉施工作業(yè)，總計耗時20 d，其中總計建立泥膜6 次，累計開倉94 倉，歷次建立泥膜穩(wěn)定時間，及建立泥膜后進倉次數(shù)統(tǒng)計如圖7、圖8所示。

圖7 每次建立泥膜穩(wěn)定時間統(tǒng)計Fig.7 Statistical Chart of Mud Film Establishment Stabilization Time

圖8 閥開度穩(wěn)定倉數(shù)統(tǒng)計Fig.8 Statistics on the Number of Chambers with Stable Valve Opening Degree

從圖7、圖8 可以看出，整體變化趨勢為隨著建立泥膜的次數(shù)增加，穩(wěn)定時間隨之減少。前兩次建立泥膜穩(wěn)定時間變化相對緩慢，穩(wěn)定時間較長，為99 h及86 h，第三次建立泥膜穩(wěn)定時間下降到56 h，而第五次建立泥膜穩(wěn)定時間僅有23 h。進倉次數(shù)也大幅下降，僅進倉7倉（因第六次建立泥膜后已完成帶壓施工任務(wù)，最后結(jié)束時泥膜還暫未達到需重新建立泥膜的標準）。

空壓機閥開度的隨每次開倉的變化如圖9 所示，此處選取閥開度≤0.5 視為泥膜情況是穩(wěn)定可控狀態(tài)，即閥開度≤0.5 時為穩(wěn)定進倉，從上圖數(shù)據(jù)可知，前兩次建立泥膜時，閥開度達到0.5后，變化趨勢顯示為相對緩慢的變大到需重新建立泥膜的標準，而從第三次建立泥膜后，均是在某一倉時，閥開度發(fā)生較大變化，閥開度直接從≤0.5 變化到需重新建立泥膜，故建議以后如有類似工況且多次建立泥膜時，再重新建立泥膜后需密切關(guān)注閥開度的突變情況，隨時做好重新建立泥膜的準備。

圖9 閥開度變化趨勢Fig.9 Trend of Valve Opening Degree Changes

4 結(jié)論

本研究基于沈陽地某區(qū)間的實際工程，深入探討了富水砂卵石地層下衡盾泥帶壓開倉技術(shù)的應(yīng)用。通過詳細分析泥膜穩(wěn)定時間、開倉次數(shù)以及泥膜建立次數(shù)的關(guān)聯(lián)性，得出以下結(jié)論：

⑴文章詳細介紹了在復(fù)雜地質(zhì)條件下的帶壓開倉技術(shù)，包括輔助措施、主要流程和控制要點。特別是在泥膜穩(wěn)定、開倉操作以及閥開度監(jiān)控方面的具體步驟，為類似工程提供了安全可控的操作指南。

⑵研究發(fā)現(xiàn)，隨著建立泥膜次數(shù)的增加，閥開度的突變趨勢變得更加明顯。基于此，本文提出了建立泥膜后需密切關(guān)注閥開度的突變情況，并隨時準備采取相應(yīng)措施以應(yīng)對可能的風(fēng)險。

⑶研究證明，衡盾泥帶壓開倉技術(shù)有效解決了富水砂卵石地層中盾構(gòu)換刀的挑戰(zhàn)，特別是在處理高滲透性地層及維持泥膜穩(wěn)定性方面顯示出顯著優(yōu)勢。此技術(shù)不僅提高了施工安全性，還大大提升了工作效率，為今后相似復(fù)雜地層條件下的盾構(gòu)施工積累了寶貴經(jīng)驗。