复合地层盾构施工开仓作业创新辅助工艺研究

邹冠尧

（广州轨道交通建设监理有限公司 广州 510010）

0 引言

进仓换刀技术自问世以来经历3 个阶段的发展：①在广州地铁1 号线短暂采用了泥水泥膜带压进仓；②经过数十年的泥浆发展，研发了超浓膨润土泥浆，但这两种泥膜均易剥落，无法满足长时间作业要求，保压情况下1～2 d 就必须修补；③在广州地铁三号线采用填仓法进仓换刀，即用砂浆与水泥混合填入土仓，很容易出现盾构被水泥浆糊住，在换完刀具后无法恢复掘进的问题；最后施工人员又回到地面加固的老方法，但加固工期长、费用高，很多停机位置处于建筑物或江河底下无法进行地面加固，且部分地层即使加固了仍无法常压进仓，因此带压进仓是不得不考虑的选择［1-2］。

随着盾构隧道施工技术的不断发展，如何寻找一种既能够克服各种复杂的地面环境，在洞内进行处理；又能解决各种困难地层的开仓难题，已经成为盾构工程技术人员研究的重难点，经过大量工程探索实践，解决开仓作业难题的新设备、新材料、新工艺正不断涌现。

1 常规开仓作业面临存在问题及风险

开仓作业有常压作业和气压作业之分，主要根据盾构机停机位置地层条件、地面环境、工期要求、成本控制以及人的安全性等4个方面统一考虑。这4个因素本身是矛盾统一体，并没有明确的规范指标，只能通过现场工程技术人员综合判断，合理选择。

1.1 地层适应范围不广

极端恶劣的地质条件，如洞内处理，一般采用高浓度的泥膜护壁带压开仓工艺或填仓作业工艺，在海底、江底贯通地层、全断面中粗砂地层、卵砾石地层、富水断裂带等渗漏性极大的地层鲜有成功的案例。加之地面不具备加固条件后，开仓作业将异常困难。

1.2 开仓工艺选择困难

方案选择过程中，往往容易出现技术人员对水文地质条件预判不准，周边环境摸查不清（如暗河、地质钻孔）或节约成本，抢工期等侥幸心理，导致选用工艺达不到预期效果，轻者重复处理，重者出现人员伤亡等事故。

1.3 辅助工艺质量控制较差

不同的施工队伍，其技术水平及质量管控能力参差不齐，如常压开仓地面加固或填仓法质量较差，或带压开仓泥浆护壁工艺作业流程、标准均不统一，会直接影响开仓作业效果。

1.4 高危作业风险极大

对于仓内动火作业，一般能够采用常压条件进仓，都不会考虑带压开仓。因为带压环境下，一方面必须严格保证开仓压力的绝对稳定，另一方面进行焊接、切割作业将产生大量有害气体、烟雾和粉尘等直接更容易危害人体健康。

2 冷冻刀盘常压开仓辅助工艺

为克服当前开仓作业存在的问题及风险，华南某施工单位通过对盾构设备进行改造，并采用冷冻法施工原理，创新性提出了“冷冻刀盘及常压开仓换刀作业工艺”，并在广州淤泥、淤泥质黏土、粉细砂层中成功使用［3］。

“冷冻刀盘及常压开仓换刀作业工艺”，即对盾构机刀盘进行改造，增加冷冻管路和冷冻设备，使得盾构机刀盘钢结构变成一个“冻结圆盘”（等温体），通过“冻结刀盘”，对隔仓内土体及盾构机周边土体进行冻结，使得周边形成冻土帷幕，以达到常压开仓换刀的要求。

2.1 冷冻管路设置及改造情况

首先对盾构机刀盘、前体进行改造，增加刀盘冷冻管路、盾体冷冻管路、主驱动保护管路、接管密封仓等（见图1）。

图1 冷冻刀盘改造总装示意图Fig.1 Schematic Diagram of General Assembly of Refrigeration Cutter Head Modification

冷冻管路分布在刀盘4 个区间，每个区间布置独立的冷冻液进、出回路；冷冻管路由φ89×8 mm 钢管制作而成，从2∕3 截面处剖开，即用2∕3 断面钢管与刀盘体焊接（见图2）。管路改造过程中，需重点保证冷冻管口的密闭性。

图2 刀盘冷浆管路分布Fig.2 Cutterhead Cold Slurry Pipeline Distribution

2.2 冻结设计

⑴设计冻土帷幕厚度控制在0.5～1.0 m，平均温度在-10 ℃左右，异型冷冻管分布于刀盘内侧12 个隔仓内壁上，实现与钢结构密贴。冷冻管路在刀盘上实行四进四出的盐水循环方式（见图3），盾构机内壳布置圆形整环2排冷冻管路，单独盐水循环，所有盐水管路采用并联方式实现［4-5］。

图3 冷冻管刀盘盐水循环Fig.3 Cooling Pipe Cutterhead Brine Circulation

⑵冻结站占地设计面积约80 m2，可放置于盾构机后配套里。站内设备主要包括冷冻机、盐水箱、盐水泵以及箱式变电站、清水泵和冷却塔。

⑶冷冻法施工期间严格指定设备保护方案进行保护，特别是主轴承等关键部件的保护。

⑷ 针对冻土发展，累计布置测温孔33 个（见图4）。其中，测温孔分布在4 个区域隔仓、对盾构机仓内监测保温处理后冷冻对仓内温度的影响；分布在辅板外侧中心纵深方向的测温孔，监测辅板垂直方向土体温度变化及冻土发展情况；分布在盾构机外壳前方边缘与掘进交接面斜45°方向的测温孔，用于监测交接面温度变化及冻土发展情况［6］。

图4 测温孔布置设计情况Fig.4 Layout and Design of Temperature Measuring Hole

⑸积极冻结期盐水温度为（-28）～（-30）℃，维护冻结期为（-25）～（-28）℃，冻土帷幕交圈时间预计为20 d，达到设计厚度（0.5～1.0 m）的时间为30 d。

2.3 项目实施情况

2.3.1 项目概况

广州某项目采用4350 泥水盾构机掘进，在645 环停机，地质补勘揭示盾掌子面为中砂及黏土，隧道洞身地层为〈3-2〉中砂层2.05 m、〈4N-2〉粉质黏土2.05 m。隧道覆土12.20 m，上覆土层为〈4-2B〉淤泥质土层和杂填土层，隧道地质条件为全断面软弱地层，含水较丰富（见图5）。

图5 盾构机停机位置情况Fig.5 Stop Position of Shield Machine

2.3.2 模拟分析

通过对停机位置相关参数模拟冻土的MISES 等效应力、第一主应力、第三主应力分布由图6可见，刀具更换时，在刀具位置附近冻结壁承受较大的拉力和压力。取最大的拉、压应力（最危险截面与冻土的抗拉、抗压强度进行比较），得出抗拉和抗压的安全系数均大于2，冻结壁厚度、强度和稳定性能满足要求。

图6 主应力云图（拉应力）Fig.6 The Principal Stress Nephogram

2.3.3 工艺实施情况

冷冻刀盘常压辅助工艺利用盾构机改造的冷冻装备对刀盘外侧土体形成冻结圈，抵挡周边的水土压力，同时结合开仓工艺步骤，形成整套的开仓作业流程，如图7所示。

图7 冷冻刀盘常压开舱辅助工艺流程Fig.7 Auxiliary Process Flow for Normal Pressure Opening of Freezing Cutter Head

⑴冻结前施工准备工作

①根据盾构机停机位置静止水土压力计算，可以求得切口水压需保持在130～150 kPa之间；

②做好地表监测点的布置工作；

③针对脱出管片壁后5 环管片进行止水环注浆工作，避免盾构机管片后发有流动水，影响冻结效果。

⑵冻结情况

本项目积极冻结一共12 d，其中，冻结后第8 d 开始进行土仓内气体-渣土置换，第12 d达到冻结要求，具体情况如下。

①土仓内气渣置换：根据监测土仓内浆液温度情况，把控冷冻发展，在20 min 内把土仓大部分浆液置换为高压空气，冻期间切口水压保持在138～150 kPa之间，置换完成继续冷冻。

②分级降压：积极冻结完成后，结合现场冻土监测及确保掌子面情况（见图8），经初步分析冻土帷幕已形成，为验证冷冻效果，对土仓按照梯度110 kPa→80 kPa→50 kPa→0 kPa 分级泄压并稳压后在土仓与外界有能量交换的条件下继续冷冻，保持掌子面及拱顶冷冻体温度仍稳定降低。同时，在泄压、常压冷冻过程加强地表沉降监测。

图8 对掌子面土体取样效果Fig.8 Effect of Soil Sampling on Tunnel Face

③根据测温监测情况（见图9），盐水去回路温度、温差均达到设计要求，刀盘前方0.5～0.8 m 处冻土温度已达到0 ℃以下，且已保持冷冻5 d，满足安全开仓冷冻帷幕厚度达到0.5～1.0 m，至15 d，掌子面已结成具相当硬度冰块，根据数据综合分析，已达到预设冷冻效果，综合判断允许开仓后，人员进仓作业。

图9 冷冻刀盘测温变化情况Fig.9 Change of Temperature Measured by Freezing Knife Disc

⑶冷冻开仓前应具备以下条件

①冻结设备运转正常并有备用。

②冻结壁厚度满足设计要求。

③冻结体平均温度低于0 ℃（根据试验的分析）。

④开仓施工所需人员、材料、工具、设备准备就绪，相关安全、技术措施完善，并已完成安全、技术交底。

⑤隧道通风满足要求。

⑥通过盾构开仓前条件验收。

⑷停止作业、关闭仓门的条件。开仓过程中出现以下情况应立即停止作业，撤出人员、工具，关闭土仓门：

①温度上升＞2 ℃∕d 且单点冻结帷幕温度≥-2 ℃；（根据试验的分析）。

②地下水位持续上升至土仓底以上1.5 m；

③土仓内出现不稳定的征兆；

④土仓顶部及掌子面漏水（线漏）；

⑤盐水泄漏；

⑥土仓内作业人员身体出现不适，人员晕倒。

2.3.4 实施效果

进仓后，工人穿戴防冻服及防冻手套，进行刀具更换作业。期间，一共更换滚刀3把，耗时2 d，未发生任何异常，本次开仓作业成功。

3 衡盾泥泥膜护壁带压开仓

截止目前，“衡盾泥及其泥膜护壁带压开仓工艺”已经在广州、兰州、厦门、福州、长沙、佛山等13个城市的近100 个项目上使用，成功解决了全断面富水卵石层、海底塌陷地层、全断面砂层、上软下硬地层、突遇孤石、软弱地层、溶洞地层特别困难条件下等带压开仓作业难题［7-8］。

3.1 衡盾泥材料特性

“衡盾泥”是采用改性黏土材料与塑化剂按一定比例混合反应，产生具有一定强度、粘度和塑性的膏体。该材料具有隔水性好、黏附及裹携性能强、具有一定的承载力等工程特性（见图10），能够用于盾构施工隔水、加固、滞排的一种绿色环保材料。

图10 材料的工程特性Fig.10 Engineering Properties of Materials

3.2 衡盾泥泥膜护壁带压开仓作业

“衡盾泥”材料呈软塑状，塑化稠度大，无法直接渗透进入松散地层中。但是在密闭的土仓内，通过少量多次的注入，一定的分级加压作用下，将松散地层中存在的水强迫挤出，继续将“衡盾泥”材料挤压、劈裂并入到砂层空隙和裂隙中，及时封堵地层中漏水、泄气通道并使其固结，达到改良砂层力学性质的目的，以此来克服盾构机在自稳能力较差的富水砂层中进仓作业的困难，其工艺步骤如图11 所示［9-10］。

图11 “衡盾泥”泥膜护壁带压开仓工艺流程及示意图Fig.11 Process Flow and Schematic Diagram of“Balance Mud”Mud Film Wall Protection with Pressure Opening

3.3 应用实例

3.3.1 工程概况

厦门某隧道跨海段左线盾构机在全断面强风化变质砂岩中掘进，因突遇孤石及基岩突起，导致刀盘转动一直伴随较大异响，盾构机颤动明显，排出安山岩石块占渣量一半以上，盾构机被卡死，无法继续掘进。后发现盾体上方存在一塌陷区域，近似圆形，直径15.0 m，基本覆盖盾体区域（见图12）。

图12 塌陷位置平面及剖面情况Fig.12 Plane and Profile Condition of Collapse Position

3.3.2 衡盾泥泥膜护壁应用情况

⑴准备工作

①首先对塌方位置进行塌陷区域探明范围，采用顶部2 m 黏土装袋回填处理后，继续对探险区域注浆处理。

②对脱出盾尾后10 环进行止水环施工，控制管片后方来水，同时利用径向注浆孔对盾构机筒体注入衡盾泥，使其包裹整个盾构机。

③根据盾构机停机位置地质、水文条件、潮汐等情况，合理计算该位置衡盾泥泥膜制作时开仓作业压力，并确定衡盾泥分级加压（保高压）时的最高控制压力［11］。

开仓作业压力P=Pw＋Pr+P1

衡盾泥保高压控制压力P控=1.4（Pw＋Pr）+P1

式中：Pw为计算至隧道开挖中心的水头压力；Pr为考虑不同地质条件、地面环境及开挖面位置的压力调整值；P1为盾构机停机位置当日潮汐压力的高值。

⑵ 泥水盾构衡盾泥泥膜护壁工艺

①“浆浆”置换：首先派潜水员对舱底掉落的刀具进行打捞，并关闭泥水仓与气垫仓之间的闸门。利用同步注浆设备将衡盾泥从泥水仓隔板上的底部预留孔洞注入衡盾泥，顶部预留孔接管排出泥浆，按照注入量与排出量相匹配原则，保持泥浆压力平衡。当顶部排出衡盾泥时，认为“浆浆”置换完成［12］。

②分级加压：计算衡盾泥在高潮汐水位时的压力为0.23 MPa，按照5 级进行分级加压（见图13、图14），即0.23～0.25 MPa，0.25～0.27 MPa，0.27～0.29 MPa，0.29～0.31 MPa，0.31～0.33 MPa。考虑该地层塌方过，较之原来工艺中提出每一级动态稳压2 h指标，在本项目中，每级稳压时间必须严格控制在2 h 内，压力不下降0.01 MPa，最后一级必须稳压6 h压力不下降0.01 MPa才能视为稳压成功。通过30日不断注入衡盾泥，共计注入衡盾泥达37.5 m3，最终确保6 h 内衡盾泥保高压压力下降不低于0.2 bar，视为“分级加压”步骤完成［6］。

图13 衡盾泥分级加压示意图Fig.13 Schematic Diagram of Grading and Pressurization of Balance Mud

图14 分级加压压力变化曲线Fig.14 Pressure Change Curve of Step Pressurization

③浆气置换：考虑衡盾泥充满泥水仓后，其稠度很大，基本上处于软塑状态，现场无法利用泥水盾构进排浆管路排出，也很难利用同步注浆设备“反抽”排出，只能利用泥水盾构双仓结构特点，打开人闸的前舱门后，人工进入掏挖衡盾泥至气垫仓，掏挖至衡盾泥液面至土仓高度1∕3 处停止并撤出。掏挖过程中，同步注入空气，并确保压力平衡。待人员撤出后，最后才分级降压至开仓作业压力。

④浆气置换完成后，再次保压12 h，在空压机开启的条件下，压力不下降，视为可以人员进仓作业。

3.3.3 项目实施效果

经过接近30 d 的分级加压作业，衡盾泥泥膜在海水环境下顺利制成并具备开仓条件，初次压气进仓检查结果表明，刀盘切口环位置、刀盘背板位置衡盾泥材料覆盖情况良好，泥膜效果非常明显，仓内无渗漏水现象。压气作业时间共计20 d，压气进仓35 仓，更换滚刀14把。

4 结论

常压开仓创新工法中，冷冻刀盘通过对盾构机设备进行改造，并结合冷冻法的原理，创造能够人员直接常压进仓的条件。本工法不仅解决了的特殊地质条件下开仓作业难题，还能够从根本上克服了动火作业等重大风险作业，更重要的是体现了施工“以人为本”的安全思想。但是，本工法仅处于试验阶段，还需经过大量工程实践的考验，不断优化设备改造及工艺指标。

带压开仓创新工法中，“衡盾泥”泥膜护壁带压开仓技术，自2015 年首次使用以来，经过各种困难地层及施工环境的检验，其材料、设备、工艺均逐步趋于成熟，本工法不仅拓宽了带压开仓在不同困难地层中应用范围，而且通过各种泥膜制作指标量化参数的管控，进一步提高开仓作业的安全性及成功率。

作为开仓作业的辅助创新工法，工程实践中，并不能完全套用，还需根据实际情况，合理选择，才能确保开仓作业安全。