盾构施工作为先进的地下空间非开挖技术,近年在市政工程中的应用越来越广,但地下隧道盾构施工经常会因刀具磨损、清除泥饼、更换刀具等原因,需要施工人员进入土舱内作业,而由于土舱与开挖面存在刀盘开口,开挖面坍塌或涌水、涌砂等都会对舱内作业造成很大的风险,因此开舱作业在很大程度上受到地质条件的制约。本文通过在砂层浅覆土段盾构气压开舱施工实践,对在不良地层进行气压开舱作业的问题进行探讨。

1盾构施工概况

广州珠江新城土建1标[林～体]盾构区间由林和西站始发,向体育中心站方向掘进,左、右线隧道分别长586.9m和587.5m,采用泥水平衡盾构法、德国产的盾构机进行施工。

当该区间隧道掘进至天河体育中心体育馆旁(295环,442.5m)位置时扭矩和推力增大,导致盾构机掘进困难。在进行补充勘探后发现地层有较大变化,微风化岩层已进入隧道1 3的范围,与原勘查资料有较大出入。该岩层完整性好且强度高达35MPa,而盾构刀盘原配置的刀具破岩能力不足,需要进行开舱更换硬岩刀具才能继续掘进。由于体育馆内正举办国际体育赛事,地面不具备处理条件,因此考虑采用隧道内开舱换刀的施工方案。

根据补勘获得的地质剖面图,可以发现盾构机正处于特殊的上软下硬地层,盾构埋深仅7.9m,上覆土层为③-1杂填土、③-2砂层、④-1粉质粘土层;隧道范围为④-1粉质粘土层、③-2砂层、⑤-2粘土层、⑨微风化岩层,隧道下部为⑨地层。其中③-2砂层级配良好,粉粒、粘粒含量28%,④-1地层粘性好,透水性较差。各土层分布如图1所示。

2气压开舱作业

气压开舱作业是指利用压缩空气充填至开挖面,利用气压平衡开挖面围岩的水土压力,以保证土层稳定,在气压状态下施工人员进入土舱内作业。

施工时必须保证气压稳定及土体稳定,由于盾构机上部及上覆土层均为软弱地层,开舱作业存在坍塌的风险,且砂层气体容易泄漏,气压易失稳,在这种地层中一般不考虑气压开舱作业。由于本地层砂层粘粒含量较大,而盾构机采用泥水平衡方式,在开挖面形成的泥膜对防止气体泄漏及维持土体稳定很有利,在盾构停机12d期间地层未发生变化,证明在该地层进行保压作业是有可能的。为确认气压保压情况及土体稳定,需要采取一些措施和试验验证。

2.1提高泥膜质量

泥膜是泥浆在开挖面形成的一种隔膜,可使泥浆与土体隔离开来,如果在气压开舱前能在开挖面形成优质泥膜,则能有效防止气体泄漏,并使气体压力有一个作用面与水土压力保持平衡,因此保证开挖面的泥膜质量尤其对于砂质地层很有必要。

施工中通过在泥浆加入膨润土和CMC,调整泥浆比重达到1.3g cm3,粘度达到30s,再将优质泥浆泵送至开挖面。

为了增大泥膜的厚度,需要使泥浆尽量渗入土层中,采用压力差的方式增加泥浆的渗透量。在盾构机内提高开挖面泥浆的设置压力,使其较理论切口水压大40kPa,并保持压力1h,以使泥浆充分渗透入土体而形成较厚的泥膜。

2.2封堵漏气通道

由于盾构机开挖直径较盾构机筒体大,筒体与土体间形成间隙,将使开挖面的气体泄漏至盾尾,并从盾尾管片间隙漏出(如图2),为保证气压稳定,必须封堵漏气通道。经研究决定在筒体内向外注入膨胀性材料进行封堵,具体是在盾构机中体上按圆周分4个点位向外周灌注聚氨酯材料,遇水膨胀后可有效封堵间隙以免漏气。

2.3保压试验

为了确保开舱期间气压稳定以及检验供气设备的持续供气能力,开舱前进行了保压试验,其流程如图2所示。气压设置为盾构机所处位置的水土压力增加20kPa,从试验记录发现保压期间土舱内气压稳定在设定值,空压机启动频率稳定,供气正常,地面未发生变形及漏气现象,证明该地层可以实现气体稳压,空压机的供气量也完全满足稳压要求,从环流出渣情况看来,没有多余的渣土被带出,说明开挖面土层稳定,未发生坍塌情况。

2.4带压进舱检查

为了进一步检查开挖面土体稳定及泥膜形成情况,正式开舱作业前由施工人员带压进舱检查,发现开挖面完整,没有流水、坍塌现象,泥膜形成均匀,拨开局部泥膜发现露出砂层较硬结,说明气压有效将土层中的水挤压出去,可以平衡水土压力。

2.5带压进舱作业

根据试验及检查情况,项目部制定了进舱作业流程,如图4所示。考虑到泥膜在气体压力作用下的干缩(类似真空预压),泥膜长时间暴露在压缩气体中会产生龟裂而影响保压效果,因此设定每次气压作业不超过12h,每次完成后立即注入优质泥浆,重新保压和修复泥膜。本次带压进舱作业共4d,顺利更换了15把刀具,其间开挖面稳定,地面监测正常,实现了预期目标。

2.6施工注意事项

⑴气压设定必须合理,除要求稳定开挖面外,还应考虑施工人员在高压情况下的身体承受能力;

⑵作业人员在高压环境中作业有严格的要求,除了必须保证气压稳定外,还需严格规定作业时间、升压降压的时间和程序等;

⑶为保障进舱作业人员在开挖面失稳的情况下能及时撤离,在刀盘开口部位要安装挡板保护;

⑷在舱内作业时要有专人负责观察土体稳定情况,做好应急准备工作;

⑸在实施过程中要求进行实时监测,及时反馈地层变化情况,以指导施工。

3小结

本次工程实践是盾构在软弱地层中施工的一次突破,证明了在不良地质条件下, 只要满足一定条件就可以进行气压开舱作业。本次气压开舱作业虽然处于软弱地层,但有以下有利条件:①砂层的粘粒含量较大,具有一定的自稳性;②采用泥水平衡工艺,泥浆在开挖面形成的泥膜有利于气压稳定和气压与水土压力的平衡,从而保证了开挖面的稳定;③对于土层的一些漏气,由于设备供气充足,及时补充了压缩空气,维持了气压的稳定。

在软弱地层进行气压开舱存在一定的风险,本次施工的成功是建立在严谨实验基础上的,在不良地层中进行气压开舱,其方案的选定必须深入分析地质条件,通过严格的实验程序检验气压稳定、气体泄露、开挖面稳定等情况,并分析气压与水土压力平衡机理,采取有效措施如优质泥膜等加以保证。在实施过程中也必须制定合理的开舱流程,泥水盾构必须考虑泥膜的干缩影响,并及时对泥膜进行修复。