富水砂層衡盾泥結合WSS注漿雙保壓盾構帶壓開艙施工技術

毛鐘毓

（佛山市地鐵集團有限公司，廣東 佛山 528000）

在采用盾構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，導致盾構機選型時功能未完全適應地層，進而需要開艙處理泥餅、滯排問題及刀具更換作業[1]。由于在砂層等孔隙率大，保壓性差的地層開艙風險系數高。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施工技術具有重要的意義。本文對工程實例進行研究，采用衡盾泥結合WSS 工法地面注漿加固+帶壓開艙作業的方式，安全快速地更換刀具和清理刀盤泥餅，保持開挖面穩定，保障施工過程的安全性，并在切削刀盤后的密封腔內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條件下，盾構施工風險系數較高、穩定性差的問題，順利完成盾構帶壓開艙作業。

1 工程概況

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

2 選定施工方案

在241 環掘進過程中，這個區間右線盾構機發現渣樣開始出現砂層，嘗試用普通膨潤土、懸浮劑等渣土改良材料后，盾構機掘進效果沒有明顯改善，在上軟下硬的高富水砂層中，盾構機施工掘進參數明顯惡化，因此希望通過開艙分析解決掘進困難問題[2]。通過地質勘察和螺旋機排渣情況可以看出，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，稍有擾動會導致地面塌陷[3]，因此為保證掌子面穩定和滿足氣密性要求，須采用“衡盾泥”制作泥膜。衡盾泥結合WSS 注漿施工技術適用地面平坦開闊且具備地面注漿條件的環境，以此可以降低“衡盾泥”泥膜周邊土體滲透系數，減少泥膜被擊穿的概率，同時對盾構機以上土體進行加固，有效解決在上軟下硬的高富水砂層中，盾構機施工掘進參數惡化和地層軟弱導致的地面塌陷等問題?？紤]在地面盾構刀盤周邊區域采用無收縮前進式注漿（WSS 注漿）結合衡盾泥雙保壓措施的方式完成盾構帶壓開艙作業，以此保障盾構施工的安全性和保證工程順利進行。

3 工程技術施工實例

3.1 技術內容

在采取衡盾泥結合WSS 注漿雙保壓的技術措施過程中，衡盾泥是以膨潤土為主要材料，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度，在帶壓開艙過程中成膜的效果較好，而且材料環保[4]；WSS 注漿是指用鉆注一體機在地表垂直向下，邊鉆進邊穩定壓力注入水泥或水泥—水玻璃雙液漿，對地層局部區域進行加固[5]。將兩者結合，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，提高盾構帶壓開艙作業的安全性、穩定性和效率，保證開艙順利。土衡盾泥結合WSS 注漿雙保壓盾構帶壓開艙施工技術的主要特點與優勢如下：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，不僅節省成本，還對環境無污染。2）根據衡盾泥制作的泥膜完整性及滲水情況，結合空壓機的變化決定是否需要重建泥膜。泥膜制作過程簡單，施工期間工作面易達到穩定狀態，減少了地表下沉。

綜合應用衡盾泥結合WSS 注漿雙保壓的方式完成盾構帶壓開艙作業，詳細的開艙流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

根據圖1 的流程，利用衡盾泥技術和WSS 注漿技術，完成盾構帶壓開艙作業，主要步驟如下：1）開挖前準備。在施工前，需要對地下隧道的地質情況和土層穩定性進行仔細勘察和評估。根據地質條件，確定合適的衡盾泥配比和WSS 注漿參數。2）制備衡盾泥。按照預先確定的配比，將特殊材料與泥土充分混合，制備具有較高黏性和強度的衡盾泥。3）注漿。在盾構機進行掘進過程中，通過設置注漿管道，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，增加土體的密實度和強度。4）配合開艙作業。在需要進行開艙作業的地點，使用挖掘機等設備進行挖洞作業，同時將衡盾泥涂抹在掘進面上形成泥膜，以此提供額外的支撐和穩定，并保持泥膜的濕潤狀態。WSS注漿也有加固和穩定地層的作用。5）施做止水環。在開艙準備工作完成后，使用模具將混凝土或其他止水材料澆筑至止水環的位置，保證開艙處的密封性。暫停WSS 注漿施工，等待止水環養護和固化。6）雙保壓施工。當開艙作業時，用注漿系統對附近地層進行雙保壓處理。使用高壓注漿泵將WSS 注漿材料注入地層的空隙中，并對注漿參數進行實時監控和調整，保證穩定性和密實性。7）掌子面控制。根據需要可以采取鋼板、預應力錨桿等加固措施，防止塌方和失穩，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

在用衡盾泥結合WSS 注漿雙保壓的方式完成盾構帶壓開艙作業的過程中，施做止水環、衡盾泥拌制和地面WSS 注漿加固是關鍵環節，對其進行合理施工，不僅能起到協同作用，還能為雙保壓盾構帶壓開艙施工提供全面支護和加固，保證施工的穩定性。

3.2 施做止水環

在二次注漿前，通過盾構機中盾的預留注漿孔徑，將2m3～3m3的膨潤土排出盾體外，充分填充盾體周邊間隙，防止止水環施作期間漿液前竄包裹住盾體。待盾體周邊注滿膨潤土泥漿后，對脫出盾尾3～7 環的位置進行整環管片注漿，以達到止水的目的，止水環注漿點位圖，如圖2所示。注漿順序為從盾尾后3 環到7 環，注漿點位為1、4、8 和11，形成連續止水環，用于阻隔盾構機后方地下水。二次注漿采用水泥漿和水玻璃雙液漿，當壓漿時，由專人對壓入位置、壓入量和壓力值進行詳細記錄，根據地層地質及隧道埋深確定具體注漿量及注漿壓力，注漿壓力應≥0.3MPa，保證壓漿工序的施工質量。注入時應注意注漿量和注漿壓力，并密切關注土艙壓力波動，防止二次注漿漿液前竄，裹住盾體，裹死刀盤。

圖2 止水環注漿點位圖

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，加料順序為先加水再加A 粉。

3.3.1.2 試驗檢驗

完成衡盾泥A 液試驗拌制后，經檢測，待其塑化黏度約200s 后和B 液混合。

3.3.1.3 攪拌

采用剪切泵充分攪拌均勻衡盾泥A 液，完成攪拌后利用剪切泵循環10min～15min，直至無干粉結團顆粒（即無懸浮顆粒）為止，完成攪拌后無須膨化。采取洞內攪拌的方式攪拌衡盾泥A 液，用平板車將剪切泵運至隧道后，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（質量比）初步定為A 液∶B 液=15 ∶1

3.3.2.2 試驗檢驗

衡盾泥A 液和B 液混合后，經檢測，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。當攪拌時，同步注漿罐正轉5min，再反轉5min，直至混合物呈現果凍狀為止。

3.4 WSS 注漿加固

3.4.1 土艙渣土置換

為防止注漿加固時漿液進入土艙內，在注漿加固前應先將土艙內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定且置換完全性，同時防止注入壓力過大或者過小導致地層不穩定，影響后續保壓效果。置換壓力控制在開艙工作壓力2.2kPa 的基礎上提高0.1kPa～0.2kPa，波動控制在±0.2kPa。2）利用土艙壁上3 點和9 點位球閥注入孔注入衡盾泥，置換土艙內渣土，注入時采用同步注漿泵進行接管，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（判斷標準：頂部預留孔流出衡盾泥）。

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，根據圖3 對注漿布孔及加固范圍進行描述。

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漿液。

3.4.2.2 盾體兩側及刀盤前兩排

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 盾構施工順序

當注漿時先施工Ⅰ序孔，對盾體及刀盤周邊進行保護后，開始施工Ⅱ序孔。

3.4.3 WSS 注漿加固壓力變化分析

設計試驗采用的土壓力計及滲壓計為微型電阻式土壓力盒及滲壓計。監測數據為壓力盒的應變量，為得到注漿壓力值需要對監測數據進行換算，如公式（1）所示。

式中：P為待求壓力值（孔壓或土壓力）；με為應變量（應變儀直接測得）；K為率定系數。各種壓力計率定系數值詳見表2。

表2 壓力計相應率定系數值

對注漿過程中的監測數據進行換算后，將測點土壓力值繪制成曲線，如圖4所示。

圖4 測點土壓力值曲線圖

由圖4 看出，當70s～110s 加壓艙內壓力達到設計值時開始注漿，由于注漿對地層有一個壓密的過程會導致壓力增大，因此壓力變大后又變小，漿液沖破地層孔隙滲進砂土中壓力明顯變??；在200s～450s，注漿過程穩定，隨著注漿泵的吸漿和注漿，壓力會上下波動，結合其他測定值可以發現距離注漿口最近的測點壓力值最大，最遠的測點壓力值最小，最大壓力值超過70kPa；在450s～550s，注漿壓力有逐漸變大的趨勢，此時停止注漿，壓力迅速變小。

3.5 帶壓開艙作業

根據地下水位和盾構機埋深，開艙工作壓力設定為2.2kPa，控制土艙壓力分4 級，采用少量多次的方式注入衡盾泥進行加壓，每級0.2kPa，前面3 級要求動態穩壓2h，最后1 級2.8kPa～3.0kPa 保證穩壓6h 以上。前3 級分級加壓完成后，緩慢轉動刀盤，轉速為0.1r/s～0.5r/s。保證衡盾泥材料的均勻性。

當氣泥置換時開啟盾構機自動保壓系統，在衡盾泥穩壓壓力值的基礎上，分階梯、降級減壓，每個梯級為0.2kPa，直至達到開艙壓力2.2kPa 為止。每個階梯壓力在動態保壓情況下穩壓2h，最后一級降壓后穩壓6h。

在最后一級穩壓過程中，記錄工作空壓機的啟動頻率，如果泄氣量能小于供氣能力的10%，就表明開艙保壓試驗合格，可以開艙施工。

4 技術總結

在2021年6月5日，這個工程在248 環位置開始對盾構機進行密封保護及使用衡盾泥置換泥漿，在6月9日進行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，進行保壓試驗，在2021年7月5日開始進艙工作，2021年7月15日累計進艙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啟動頻率隨著清理刀盤開口有些波動，但啟動頻率整體能夠穩定在10%內，滿足帶壓開艙的規范要求，較好地完成了土艙的保壓工作；在36 艙開艙過程中，地面監測的下沉值為15mm，未出現超過規范要求的下沉且泥膜完整，沒有出現滲水、破損的情況，說明采用衡盾泥結合WSS 注漿雙保壓技術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，盾構機施工掘進參數惡化和地層軟弱導致地面塌陷等問題，保障了施工的安全性，提高了施工質量。

5 結語

采用富水砂層衡盾泥結合WSS 注漿雙保壓盾構帶壓開艙施工技術，能將富水砂層下帶壓開艙風險降到最低，具有施工質量好、操作簡單、保障安全和經濟效益較好等優勢，不僅增加了城市軌道建設工程盾構工法的靈活性與適用性，還創造了較好的社會效益和經濟效益，可以給類似工況提供借鑒。