1、土壓平衡盾構機在軟硬不均地層帶壓進倉泥膜形成關鍵技術 李發勇摘要：結合南京地鐵【京新村站泰馮路站】盾構區間軟硬不均復合地層盾構 推進，針對在土壓平衡盾構機開倉換刀施工中，因地表無法進行預加固等處理措 施，總結出在掘進掌子面形成致密泥膜，保壓進倉檢查、更換刀具的關鍵技術， 優質高效的進行土壓平衡盾構機的開倉施工。該總結較以往土壓平衡盾構機開倉 換刀，大大縮短了整個開倉換刀時間、減少地面環境影響和施工成本，形成一套 有效的施工方法，成功解決了區間隧道開倉換刀施工難題。關鍵詞：土壓平衡盾構；泥膜；軟硬不均帶壓進倉0引言在復雜地層中的穿江越海工程中，泥水盾構具有土壓平衡盾構所無法比擬的 先天優勢，但泥

2、水盾構對地質條件的要求嚴格，適用性受到一定限制，隨著城市 軌道交通的高速發展，土壓平衡盾構因地質的適應性范圍廣、施工工藝較泥水盾 構簡單、建設成本低、場地環境影響小得到更為廣泛應用。由于地層的復雜性和 富水性的客觀存在，在盾構施工過程中，在出現必須進入氣壓或泥水倉作業的情 況時，敞開式進倉作業是不可實施的。因此，必須采用帶壓進倉進行作業，必要 時還需進行帶壓潛水作業。土壓平衡盾構帶壓進倉必須基本將土倉出空，用壓縮空氣來平衡掌子面水土 壓力，在不采用地面加固的情況下，受地層裂隙影響，氣壓損失過大，無法達到 保壓效果，土壓平衡盾構受設備、工藝等限制，很難在掌子面形成致密泥膜，從 而達到保壓效果，直

3、接帶壓進倉困難。通過對掌子面密閉性研究（泥膜形成后保 壓），從而更深入的研究土壓平衡盾構機在復合地層推進刀具更換技術。1工程情況南京地鐵三號線TA03標【泰馮路站京新村站】盾構區間1.2Km雙線隧道， 區間隧道穿越地質情況見表1，區間采用1臺復合式土壓平衡盾構機。區間地面 主要是天潤城9街區、12街區房屋（隧道2側，距離隧道大于30米），下穿蘇 寧1-2層建筑施工板房（主要位于上軟下硬段）、永利鐵路支線、華浦混凝土部 分廠房。因本區間前面一半為軟土，后面一段為復合地層，受前面軟土段影響無 法將適合后面復合地層段推進的刀具全部安裝（會造成刀盤過重引起盾構機叩 頭”，即使安裝也會因軟土推進結“泥餅

4、造成滾刀無法在進入巖層后正常使用）， 盾構始發初裝滾刀主要為邊滾刀和部分正滾刀，在上軟下硬段必須開倉檢查和安 裝刀具。【泰馮路站京新村站】盾構區間是南京較為典型的長江漫灘軟土地層向老 山巖石復合地層過渡的工程；一方面必須經歷一段上軟下硬地層，另一方面無法 避免的存著地下水豐富且巖層裂隙等客觀地質條件；同時因地表不具備提前加固 處理提供直接開倉作業條件，項目工期緊、任務重，經研討分析采取土壓平衡盾 構泥膜形成技術保壓后帶壓進倉作業。2關鍵技術及擬解決辦法土壓平衡盾構實現較好的泥膜保壓效果關鍵技術及擬解決辦法如下：（1）土壓平衡盾構機渣土改良系統、注泥系統改進和氣體保壓系統維護。承擔本工程施 工的

5、海瑞克S217盾構機運至鄭州中鐵裝備公司大修，恢復帶壓進倉的氣體保壓系統，同時結 合地層特點由中鐵裝備公司設計生產本區間刀盤并配置相關刀具，同時結合地層特點改進渣 土改良系統。（2）不同地層注入泥漿參數配比、泥漿置換情況，掌子面泥膜形成效果判斷。通過一定 土工試驗及實際的盾構推進渣土改良效果，確定形成泥膜需要注入的泥漿參數配比及具體的 操作流程。（3）泥膜保壓情況下帶壓進倉作業安全時間研究判斷。通過盾構機氣體保壓系統，出空 土倉，通過保壓系統氣體補充情況判斷泥膜形成效果及進倉安全。（4）動態施工參數管理研究。全過程記錄并分析相關施工參數，實施動態管理，及時調 整進倉作業。3土壓平衡盾構通過掌子

6、面形成泥膜確保氣密性構想土壓平衡盾構機通過開挖渣土建立土倉壓力與地層側壓力達到一定平衡確保掌子面坍塌， 同時掌子面受承壓水、巖層裂隙、盾體與土層開挖間隙影響無法保證氣壓密閉性。借鑒已相對成熟的地下連續墻圍護結構成槽施工，成槽機一邊開挖，一邊往槽壁輸入泥 漿達到支撐地層水土壓力的效果，通過泥漿護壁，進行深槽開挖的穩定原理（見圖1地下連 續墻成槽泥漿護壁圖）；泥水盾構機掘進施工，通過采用加壓膨潤土泥漿支護開挖面的施工 原理，實現泥膜穩定掌子面等相關施工工法。從而設想土壓平衡盾構機主動往土倉注入優質 泥漿，通過大于開挖面土層壓力往地層滲透形成泥膜，達到密閉性效果，實現土壓平衡盾構 掌子面泥膜形成技術

7、（見圖2土壓平衡盾構泥膜密閉設想圖）。4上軟下硬段施工情況及開倉位置預判4.1推進過程主要現象（1）巖層裂隙發育，螺旋輸送機噴涌，推進困難。（2）同步注漿無法達到設計要求，易出現漿液往開挖面竄漿的情況，同時渣土改良必須 往開挖面加入大量壓縮空氣，掌子面高壓力進一步加劇噴涌的情況，推進噴涌情況陷入惡性 循環。盾構機邊滾刀軌跡直徑為6.42米，盾體最大直徑6.39米，存在著少量超挖情況，加上目 前線路處于上坡（頭高尾底），同步注漿漿液在后部F3斷裂帶和巖層裂隙水壓力共同作用下， 沿盾體間隙往土倉里竄，采用盾尾同步注漿更進一步加劇螺旋輸送機噴涌。（3）刀盤扭矩明顯增大，刀盤泵經常跳閘，渣土溫度高，推

8、進速度明顯減弱。（4）單個循環工序時間明顯增長，每環拼裝前都要清理噴涌36個小時，推進時間約 3小時，加上換車出渣、管片拼裝等工序，單環循環時間增加至6小時以上。4.2主要措施（1）一方面加強了螺旋輸送機后面出渣口的防噴橡膠格擋裝置，另一方面，用小渣斗在 出渣口接渣，用木板在拼裝區域格擋等方式盡量讓渣土不要進入拼裝區域，但是因為盾構機 前進，這些措施都存在著各方面的缺陷，效果也不是很明顯。（2）在500環-525環共進行4次專門的二次注漿工序，注雙液漿，雙液漿凝固時間調整 至15分鐘以內，注漿前憋著壓力推進10CM左右，將土倉填滿，然后停止推進后進行專項注 漿。（3）二次注漿封閉盾尾后噴涌的情

9、況得到明顯改善，但是同步注漿的情況下會繼續噴涌， 第525環停止了同步注漿，在距離盾尾5環的管片背部開孔注純水泥漿（采用盾構機同步注 漿系統管路直接接管片背部注漿孔），噴涌得到極大緩解，大大減小了清理工作。4.3開倉位置預判預判開倉位置主要依據以下幾個方面：（1）推進速度、貫入度。推進速度小于4mm/min，每環推進1.2米所需純推進時間 300min以上，需考慮開倉檢查刀具。（2）渣土溫度超過420C，盾構中體隔板位置異響甚至抖動，測量系統滾動角跳躍也相 對頻繁，需考慮開倉檢查刀具。（3）刀盤扭矩值增大、刀盤易抱死、刀盤控制泵跳閘頻繁，總推力增大的情況下依然沒 有速度，需考慮開倉檢查刀具。（

10、4）對照渣土及勘察設計，結合前面推進施工情況（上述3點施工參數情況），主動預 判開倉位置，提前準備，主動降低貫入度，采用小推力、高轉速、低扭矩的方式穩步進入預定開倉位置。5土壓平衡盾構泥膜形成關鍵技術5.1 土壓平衡盾構機泥膜形成作業流程5.2擬定開倉位置后準備工作5.2.1盾構各系統檢查泥膜形成帶壓開倉施工過程中，需使用幾大系統，如：保壓系統、泡沫系統、出渣系統 等。在盾構停機前，在系統常規保養的基礎上，需進行系統調試，以滿足開倉換刀各項施工 參數的需求，杜絕開倉過程中因機械的損壞而造成施工影響的情況。確保各項系統正常后， 方可進行施工。對盾構設備密封型進行全面檢查。倉內壓縮空氣可能會沿著盾

11、構不密實的倉門、管道、 閥門等地方逃逸，而起不到保壓效果。檢查盾構本身氣密性包括：人倉、同步注漿管路、注 脂孔、超前注漿孔等各個管路閥門關閉后的密封性，防止盾構本身密封不嚴造成漏氣。5.2.2開倉換刀前5環盾構推進（1）渣土取樣主要是進一步與地質勘察對比分析，同時通過渣土溫度、噴涌情況進一步判斷刀具損耗 情況。盾構所處位置地質情況自上而下依次為-1雜填土、-3流塑狀淤泥、-2b4淤泥質 粉質粘土、K2p-2強風化巖、K2p-3中風化巖，刀盤切削面巖層高度為3.45m （上部2.95米為 淤泥質粉質粘土）。（2）渣土改良開倉前5環盾構掘進過程中，逐步注入高質量膨潤土進行渣土改良，以彌補盾體與土體

12、 密封性不足，土壓盾構在泥膜密閉性能上不足，同時便于后續渣土置換施工。（3）注漿封堵帶壓進艙主要應保證刀盤前方周圍地層和土倉滿足氣密性要求，對土倉四周的封堵效果 及封堵位置選擇至關重要，泥漿置換前盾尾采用雙液漿封閉盾體與土層通道。具體位置宜選 擇在盾尾后3-5環進行注漿封堵，以防止壓縮空氣從盾殼與地層之間逃逸。5.3 土倉內渣土置換5.3.1材料準備大容量空壓機：準備較大容量的空氣機（盾構機自帶），以加強壓縮空氣的供給，同 時洞內備用11m3/h內燃空壓機一臺、75KW發電機一臺，土方置換前做好切換試驗。膨潤土、泥漿拌制機。5.3.2渣土置換（1）置換原渣土渣土置換工作原理：利用盾構機土倉隔板

13、頂部預留的閘閥、膨潤土注入系統，往土倉內 泵入泥漿，在確保上部土壓不小于1.2bar的條件下，通過螺旋輸送機排土直至將土倉內的渣 土排空，將土倉內渣土置換為提前拌制的膨潤土泥漿。經過多次置換試驗，最終確定渣土置換的最佳方法，詳見下表。（2）膨潤土浸泡通過觀察螺機出土情況，判斷倉內渣土是否已全部置換完成。當土倉內渣土已全部置換 完成，關閉螺旋機倉門與螺機出碴口的上、下插板，停止排碴，繼續向土倉內注入泥漿，直 至上部土壓達到1.31.4bar （較外界土壓大0.10.2bar）。停止注入膨潤土，啟動自動保壓系統，設定壓力1.4bar，倉內膨潤土浸泡12小時，其中 每隔1小時轉動刀盤數圈，確保膨潤土

14、充分滲入掌子面內，有效形成泥膜。（3）土倉氣密性試驗當土倉內的膨潤土泥漿排除至1/2 土倉容量后，即可進行土倉氣密性試驗。啟動自動保 壓系統，在系統上設置上部土倉氣壓為1.4bar，根據系統記錄的補氣量大小（補氣量小于30% 為合格）及地表沉降監測情況確定土倉氣密性是否滿足要求。滿足要求后，將剩余泥漿排除，保持倉內1.4bar壓力，放置4小時，確保掌子面安全穩 定。當補氣量大于30%時，調整泥漿比重，重新進行泥膜制作，直到滿足要求。5.4膨潤土注入方式及泥漿配比選擇膨潤土泥漿注入方式可利用盾構機膨潤土注入系統、土倉隔板頂部預留的閘閥進行注入， 在確保上部土壓不小于1.2bar的條件下，通過螺旋

15、輸送機排土直至將土倉內的碴土排空，達 到置換渣土目的。注入方式選擇在盾構停機后，先通過膨潤土注入系統向土倉內注入預先拌制好的膨潤土泥漿，然后通 過盾構機土倉隔板頂部預留的閘閥向刀盤內注入膨潤土泥漿，比較2種注入方式速度及效果， 然后進行優選。注入量按照土倉內壓力范圍確定，以保證土倉內壓力在1.21.4bar為控制指標，根據渣 土置換速度再陸續補充新鮮泥漿。泥漿配比選擇注入膨潤土進行渣土置換過程中，各配比達到效果如下表：注：拌制泥漿內均添加等量的聚合物HHZ-Aoa、本次現場試驗階段將膨潤土運至作業面，人工進行拌制，首先使用膨潤土系統注漿， 將泥漿比重調至1.4，粘度調至100s，注入速度較快，

16、但進行渣土置換較慢，打開倉門后發 生噴涌，土倉內壓力下降快，需調整泥漿粘度及比重，噴涌情況如下圖6：圖6現場噴涌照片b、調整泥漿比重至1.6,泥漿粘度至120s，在泥漿中加入谷殼及鋸末等添加物，膨潤土 注入系統壓注速度明顯減慢，調整至人工注漿泵注入，注入速度較注膨潤土系統快，但依然 導致噴涌，需調整泥漿粘度及比重。C、調整泥漿比重至1.8,泥漿粘度至140s，在泥漿中加入谷殼及鋸末等添加物，膨潤土 注入系統無法注入，采用人工注漿泵注入，注入速度較慢，但無噴涌現象，經過68小時 浸泡及攪拌后將土倉內渣土進行置換。經過3次不同注漿試驗后，向作業面注入膨潤土泥漿。由于受設備限制，當泥漿比重與 黏土達

17、到一定值后，無法注入。最后采用人工注漿泵注入，加大注漿壓力，泥漿比重和粘度 達到預定值后，效果較理想，渣土可順利置換。5.5氣密性檢查分析保壓系統觀察當泥漿置換完畢后，通過盾構機自帶保壓系統開始逐漸加壓，設定保壓1.45bar，當壓力 注漿達到設定值穩定后，派設專人記錄進氣量，30min后沒有進氣量的補給，說明本次泥膜 的封堵是成功的。地面監測在加氣置換泥漿過程中，實行動態的地面監測，地表沉降控制在0.5mm，則密封效果較 為理想。當地表沉降出現異常情況，結合保壓系統進氣量分析泥膜效果質量，若出現泥膜密 封效果不好，及時關閉倉門，重新制作泥膜。實施效果本次泥膜形成檢查共進行2次，第一次排出泥漿

18、加氣后，倉內壓力能上升至設定壓力， 但保壓系統進氣量過大，氣體逃逸嚴重。開倉檢查泥膜外觀質量，在巖土分界線上，泥膜形 成較薄且不均勻，此種泥膜不穩定，不宜進行開倉換刀施工。在第一次基礎上，重新注入泥漿，并較第一次加大0.1bar倉內壓力。并持續保壓8h在持 續保壓的過程中每隔30m in轉動刀盤，此時轉動刀盤轉速控制在0.30.5r/m in，每次轉動 35m ino重新加氣置換泥漿，并與第一次一樣進行效果檢查，土倉內壓力穩定后，進氣量基本為 零，開倉后泥膜形成質量較好，外觀均勻、細密、光滑，具備帶壓換刀條件。6體會與總結以南京項目為依托，通過泥漿置換和滲透使土壓平衡盾構機掌子面形成致密泥膜， 達到氣體保壓的效果，解決了土壓平衡盾構帶壓進倉的難題。（2）往土壓平衡盾構機土倉和掌子面注入泥漿，同時置換出土倉渣土（置換成優質泥 漿），結合土倉壓力和掌子面被動土壓力壓力差（土倉泥漿壓力大于掌子面被動土壓力 0.2MPa），浸泡6-8個小時使泥漿滲透后形成泥膜。（3）通過現場實驗提出保壓4個小時和30分鐘沒有補氣量雙控指標作為土壓平衡盾構 泥膜形成質量的判據。參考文獻：李志軍，高波，王光偉.土壓平衡盾構在復合地層中帶壓進倉施工技術J.都市快軌交 通，2014，（5