泥水平衡油气顶管带压开舱技术研究

廖 潇，李晓超，张树凯，贺建群，程 慧

中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1. 引言

顶管法以其低价、安全、快速、高效等优势已成为非开挖施工中不可或缺的技术，尤其在穿河越江隧道建设中得到了广泛应用。由于穿越的地层复杂多变，江河底部可能存在不明障碍物等情况，施工过程中不可避免地会遭遇被迫停机、开舱检查等问题[1]。停机位置一般位于水压较大的江河底部，无法采用常压开舱作业，带压开舱作业是必选方案。带压开舱作业存在较大风险，容易出现掌子面失稳坍塌、涌水等情况，给作业人员及设备造成灾难性后果[2]。以富春江顶管工程在风化砂岩层中开舱换刀为例，对顶管隧道外部周围止水、掌子面止水、压力计算、泥膜形成、带压开舱作业的工艺流程等进行介绍。

2. 工程概况

富春江顶管隧道水平长度658.05 m，隧道轴线四次变坡，首先以10.5%的坡度下行至80.4 m，变至曲率半径为4300 m顶进274.1 m，再以曲率半径1200 m顶进222.46 m，最后以14.5%的坡度上行71.57 m到达接收井。依次穿越地层为淤泥质粉质黏土、粉细砂岩、中粗砂岩、中风化砂岩及圆砾岩，其中中风化砂岩穿越长度约343 m,平均抗压硬度103 MPa (最大抗压硬度127 MPa)。

在顶进到(里程K0 + 408 m)时，操作人员发现泥水压力在1.8～2.4 bar (1 bar = 0.1 MPa)之间波动 (正常顶进泥水压力2.6 bar)，循环泥浆流量在190～300 m3/h之间波动 (正常泥浆循环流量240 m3/h)，泥水漏失严重，无法有效建立泥水压力平衡，此时顶进速度下降至3～5 mm/min (正常顶进速30～45 mm/min)，便立即停机。同时泥水分离区发现有铁块掉出，判断铁块为刀具破损刀圈和刀座垫块，为确保中风化岩层顺利顶进，需要开舱进行刀具检查。

3. 开舱存在问题

顶管施工采用刀盘开挖土体，用工作井千斤顶和中继间千斤顶顶进，隧道周围与地层之间使用润滑泥浆进行填充，地层水能通过润滑泥浆通道与掌子面形成透水通道，因此顶管施工带压进舱作业不仅要稳定开挖掌子面,还要阻止掌子面前部及隧道后部的地下水进入刀盘舱。进舱止水既要保证带压进舱，还要满足进舱作业结束后隧道外部的润滑效果[3]。

4. 开舱止水措施

4.1. 掌子面止水

开舱作业前掌子面止水要求填充的材料既能止水又不固结。首先，采用外循环向刀盘舱压注高黏泥浆(300 s)，填充掌子面岩层裂隙。其次，在泥水舱加注高黏泥浆(600 s)、锯末、聚丙烯纤维等，混合均匀，用气压模式通过联通管压注到刀盘舱内，封堵岩层裂隙并止水。

4.2. 隧道外部止水

隧道外部止水与掌子面止水同理，要达到止水的效果还不能产生固结，便于开舱作业后顶进施工的润滑效果。通过向顶管机尾部第1根混凝土管节的12个预埋注浆孔与顶管机壳体上9个注浆孔注入盾尾油脂，阻止隧道后部地下水进入刀盘舱。同时，通过减阻泥浆压注基站，向顶管机尾部第2～20根混凝土管节内的预埋注浆孔，压注600 s高黏泥浆，注浆压力不超过掘进面水土压力0.5～1 bar。根据实时监测压力变化情况调整注入量与压力控制，从而填充隧道与地层间隙，达到止水效果。

5. 带压开舱作业

5.1. 泥浆制备

泥浆配置的质量决定着掌子面止水效果及其稳定性，为改善泥浆的性能,需添加增黏剂、降失水剂等。泥浆渗入地层后能形成泥膜，稳定地层水土压力，高黏泥浆配比如表1。

Table 1. The mixing ratio of high viscosity slurry表1. 高黏泥浆配比

5.2. 开舱压力设定

掌子面泥膜形成以后，需要通过气压抵抗地层的水土压力来维持掌子面的稳定，压力设定值为停机静止时的水土压力。设定压力过高不但对开舱作业人员身体不利，同时还容易击穿泥膜而透水；设定压力过低气压不足以平衡地层水土压力，易导致掌子面失稳坍塌[4]。

带压开舱的压力计算公式如下：

式中：pmin为刀盘舱气压，kPa；k为安全系数，kPa−1，一般k> 1；pd为盘舱水压，kPa；pe为掌子面土层压力，kPa。

5.3. 带压开舱

作业人员进入人舱内加压至设定值后进入作业舱，舱内人员使用电话或对讲机与监舱人员保持联系，人员进入作业舱后打开泥水舱舱门，选派施工经验丰富的人员进入泥水舱开启刀盘舱舱门。开启舱门前打开舱门上观察阀，判断舱内透水情况，在确认安全的情况下缓缓开启刀盘舱舱门，同时使用气体检测仪检测，确认无有害气体后方可进入工作。

在刀盘舱内作业时应有人员在泥水舱进行监护，查看掌子面稳定情况，如有土体掉落和透水现象，应重新注浆封堵后再进行开舱作业。作业完成后，开舱人员对刀盘舱内进行全面检查，避免工具、杂物遗留在舱内。确认所有工作完成后，关闭刀盘舱和泥水舱舱门，人员在作业舱和人舱内减压，减压时间根据作业压力及时间确定，严格按照国际标准执行。

6. 结语

富春江顶管施工带压开舱换刀作业的成功实施，为今后的顶管施工带压开舱作业提供了一定的借鉴。在开舱作业时，应重视地下水的封堵，防止隧道后部地下水进入刀盘舱，造成掌子面失稳及刀盘舱内积水导致无法作业；止水材料不仅要有良好的止水效果，还应保证开舱作业结束后顶进时的润滑效果，可选用油脂类柔性止水材料；带压开舱作业具有一定危险性，泥膜的质量及持续时间是保证掌子面地层稳定的重要因素，舱内气压设定应经过详细计算后合理设定。

[1] 彭旭红. 南昌地区上软下硬地层土压平衡盾构带压开舱技术[J]. 中国高新技术企业, 2014(3): 116-117.

[2] 施笋. 土压平衡盾构在富含水砂层中加压开舱技术[J]. 现代隧道技术, 2013, 50(1): 154-160.

[3] 姚占虎, 陈方伟, 陈郁. 压气条件下大直径泥水盾构饱和法开舱技术[J]. 隧道建设, 2015, 35(2): 185-190.

[4] 吕荣海. 泥水盾构机砂层中带压开舱作业在隧道施工中的应用[J]. 建材与装饰, 2011(2): 177-178.