富水砂层盾构机带压开仓作业安全控制技术探讨

富水砂层盾构机带压开仓作业安全控制技术探讨

李红伟

身份证： 1301841987****3514

摘要：地铁在当前城市发展和建设中成为一项非常重要的交通运输方式，对改善交通拥堵和空气质量起到重要作用，但是在地铁施工过程中，因地质条件的复杂多变以及盾构掘进过程中存在各种不可预测的施工风险，经常出现盾构刀具受损、刀盘异常等需要开仓作业，尤其在地质条件差的地层中，带压开仓作业存在较大的安全风险。本文根据工程实例，介绍了盾构机在富水砂层带压开仓作业的安全技术控制措施。

关键词：盾构机；带压开仓；加固

1 .工程概述

1.1 工程概况

佛山地铁三号线逢沙站～创意园站盾构区间，采用海瑞克土压平衡盾构机，隧道直径6米，其中盾构区间右线长1960.147m，共1307环，在掘进拼装至913环后被动停机（刀盘位置位于917环），盾构机停机位置覆土厚度约19m。盾构机前后20环地层主要为<3-2>中粗砂、<5h-2>硬塑状砂质黏性土、<6h>全风化花岗岩地层。地面为新城路路基，开仓时处于地基加固阶段，地面无管线。

1.2 水文条件

本区间线位范围内地表水体发育，地下水主要有三种类型：第一类是第四系孔隙水；第二类是基岩风化裂隙水；第三类是构造裂隙水。

2.盾构机停机安全技术准备

2.1停机前准备工作

盾构机在停机前，应提前做好盾构机垂直姿态调整，若有条件，可将姿态调整至高于设计姿态1.5cm，防止盾构机长时间停机后复推时，盾构机设备高功率运转下造成盾构机沉降。盾构停机应将当前掘进环数掘进并拼装完成，防止前盾长时间处于伸出状态下出现沉降，导致铰接油缸卡住。

2.2停机后准备工作

盾构机停机后，及时安排机修对盾构机、电瓶车等配套设备进行全面维保。同时在出盾尾后三环位置进行开孔查看管片背后地下水情况，并视地下水情况进行二次注浆封环，封环主要作用一是隔绝后方来水，二是保证盾体范围内的气密性，防止盾构机报压状态下出现泄压情况。

2.3开仓点地质补堪

在开仓之前，应在开仓点地质补堪，按照四周10m范围内钻孔数≤2个，5m范围内钻孔数1孔的原则布孔。然后根据钻探孔的柱状图分析开仓点的地质情况（地质探孔完成后，及时进行压浆封闭）。通过勘察对地层加固的效果进行检测及稳定性评估，确定开仓的方式，本次开仓点经补勘和掘进参数确定无法进行常压开仓，需进行带压开仓。

3.掌子面加固安全技术措施

3.1 洞内加固

3.1.1洞内加固前安全技术准备措施

在洞内超前注浆加固前往土仓注入至少发酵24h以上的钠基膨润土混合液，膨润土与水的质量配比为1：8（马氏漏斗实验不小于600S）。使顶部土仓压力稳定在带压开仓设定压力高出0.2bar左右，一是使掌子面形成初步的泥膜，二是防止浆液流入至土仓内部，粘连刀盘；在中前盾径向孔注入磷酸与水玻璃混合液，每孔注入一方左右，达到包裹盾体的效果，防止浆液将盾构体包死；在中盾与尾盾的铰接处注入润滑油，直到润滑油外漏为止，目的是后期盾构机脱困过程中对尾盾起到保护作用。

3.1.2洞内加固安全技术措施

1）钻孔

洞内加固通过盾构机上自带的超前注浆孔进行注浆加固。超前注浆孔位于盾构机前盾位置，沿盾构机上半周散射布置，共计6个孔。钻孔时钻机两根管道同时进行注水，可以有效防止钻杆堵塞并降低钻杆温度；注浆孔钻至6m时注入0.1m3水对注浆管进行彻底清洗，然后往注浆孔注入1:1磷酸液与水玻璃混合液约0.2m³，实际注入量根据钻孔外壁不持续漏水为准，其中水玻璃液配合比为水：水玻璃=1:1，磷酸液配合比为磷酸：水=1:10。

2） 浆液配置

（1）磷酸水玻璃配比

磷酸：水=1：10（质量比），水玻璃浓度稀释到38-40Be（水：水玻璃=1:1），稀磷酸溶液：水玻璃溶液=1：1（体积比），磷酸水玻璃溶液超前注浆意图在于填充掌子面土层空隙，阻断渗水通道，凝固时间不易过长，初凝时间控制在10S左右。

（2）水泥浆水玻璃配比

水玻璃:水=1:1; 水泥：水=350kg:0.8m³; 水泥浆液：水玻璃混合液=1:1，初凝时间12-14S;

浆液配置完成后需根据注浆效果及时调整浆液配合比，确定最佳的浆液配合比。

3）注浆

（1）采用双液变量注浆泵进行后退式注浆，注浆压力控制在1Mpa~2Mpa在注浆前将土仓充满膨润土。注入双液浆时要注意观察土仓压力，土仓压力若上涨至3.0bar时则停止注浆并进行观察，等土仓压力出现下降则继续注浆，注浆期间严禁旋转刀盘。

（2）为防止注浆杆被浆液包裹，每隔3min左右转动不小于8转注浆杆。土仓压力升至3.5bar时，拔出钻杆10cm左右再次进行注浆，依次往复直至钻杆退出0.85m，土仓压力升至3.5bar并保持稳定。

（3）完成上述步骤后，注入约为0.2m³

预先配置好的磷酸与水玻璃混合液进行封孔，注浆完成10min后，开始将钻杆缓慢退出拆除。

3.1.3洞内加固注意事项

（1）在注浆过程中，加强关注土仓压力及各参数的变化以及齿轮油泄露情况和主轴承的密封性能；注浆期间要间断性的转动刀盘，防止浆液流入掌子面固结卡住刀盘。

（2）整个超前注浆作业过程中，地面必须进行24小时蹲守监测，并保持与隧道内通讯畅通。监测数据实时反馈给隧道内技术人员，以便及时对注浆压力及注浆量做出合理调整。

（3）在注浆过程中，土仓压力值将缓慢上升，每两个小时应缓慢转动刀盘，将刀盘的转动扭矩降至0.5MN·m 以下。此过程重复若干次后土仓顶部压力将较快速地达到3.0bar时,停止超前注浆，并转动刀盘，土仓顶部压力值回落至2.5bar以下，继续超前注浆。如发现土仓压力值持续不断上升，且土仓顶部压力值三个小时无法回到2.5bar时。后退注浆管杆，（距离暂由队伍确定）。重复以上过程。单孔完毕后，注另一个孔（第一个孔用时最长，后续孔用时较短，一般3-5天左右）

（4）若水玻璃发生更换需重新做实验，确定水玻璃合格，以保证浆液质量。在超前注浆的过程中，如因设备、人员、材料造成超前注浆间断，需使用膨润土一直保持土仓顶部压力在带压开仓设定值以上0.2bar左右。

（5）长时间注浆后，应旋转螺旋机，出适量土，保证土仓内的压力稳定，同时出土后应及时关注螺旋机关闭情况，防止结晶体卡住闸门，造成漏水漏泥现象。

3.2 地面加固

本次开仓地面具备加固条件，地面加固注浆形式采用点阵式注浆，在盾构机刀盘后部打设一排注浆孔，盾构机刀盘前部搭设2排注浆孔。盾体上下3m范围内采用磷酸水玻璃双液浆加固（配比同左线洞内加固），防止盾构机被困；地面以下8m~16m位置采用水泥水玻璃双液浆加固。

4泥膜建立安全技术措施

4.1 建立泥膜

在开挖面无法自稳且气密性差的地层，通过向土压平衡盾构开挖仓内注入膨润土，置换仓内碴土，并在掌子面形成泥膜。膨润土需提前24小时拌制，浆液配比为高粘度泥浆︰膨润土︰I型（CMC）︰III型（CMC）：水=70:10:20:800，粘度控制在93s，配置完成后对膨润土性能进行试验，确保可以形成较好的泥模。且高黏度泥漠采用专用设备拌制，应经充分膨化后利用注浆泵注入仓内。在压开仓作业前进行排渣，同时通过开挖仓的加水孔向开挖仓的顶部泵送膨润土泥浆（膨润土泥浆应为稠泥浆），注入过程中应保证仓内压力基本稳定，注入完成后应低速旋转刀盘一定时间，保持压力24小时，以便于泥浆更好的敷贴在开挖面上，形成泥漠。

4.2气渣置换

为保证压气作业和保压作业的安全性，应对盾构机螺杆式空气压缩机和保压系统进行全方位的检查维护和检测，气浆置换时开启自动保压系统，在膨润土稳压压力值基础上，按照每个梯级0.2bar分阶梯减压，直至达到开仓压力（误差±0.1bar）。每个阶梯压力在动态保压情况下稳压2h，具体开仓压力设定值，根据保压试验结果确定气压开仓工作压力。

通过转到螺旋排出土仓内衡盾泥，置换5m³后，打开土仓壁12点位阀门检查置换位置，并保压观察2h，稳定无变化后再继续排泥至3、9点位，再保压观察2h，稳定无变化后再继续排泥至螺旋机上方1m位置，自动保压稳定6h，此时记录好空压机工作时间，计算空压机在保压时间内的工作频率，通过空压机工作频率反应供气量和供气能力百分比。若供气量小于供气能力的10%时，开仓气压能在6h内无变化或波动较小时（±0.05bar），表明保压试验合格。若在保压过程中供气量大于供气能力的50%时，应重新建泥膜或注浆加固处理。

5.开仓作业安全技术措施

5.1 开仓前检查

根据《盾构法开仓及气压开仓作业技术规范》，盾构气压开仓作业前对盾构机的通风系统、供给水系统、电力系统、通信监控系统、洞内运输系统及应急设备设施进行全面排查检测，保证正常使用，仓内气体检测符合要求。

5.2 加压进仓

作业人员进入人闸做好准备工作，打开盾构机中体内向人闸供气的控制球阀，向人闸提供气源，同时人闸内的工作控制人员打开进气阀，开始加压。在加压过程中人闸内作业人员做咽鼓管的调压动作，加压过程中，如有耳痛等不适的感觉，应降低加压速度，甚至停止加压，待感觉好转后方可继续加压，如仍然不适，即应减压出仓，出现上述情况，加压过程延长。当加压到预定的压力,待人闸内压力与土仓压力相同后，停止加压进行稳压，保证土仓内气体压力波动值不大于0.05bar。

5.3 减压出仓

仓内作业人员作业完毕后对土仓进行全面的检查，确保工具、材料等不遗留在仓内，作业人员退出至人仓后，由专业的操仓医生根据国家相关潜水规范制定的减压方案进行减压出仓。