泥水盾构河道下方复合地层换刀技术研究

李翰卿

（中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100040）

1 工程概况

广州地铁十八号线横番区间1#中间风井～横番区间2#盾构井区间盾构长度2834.957m，需穿越西沥水道（河面宽约200m，穿越长度约471m，隧道顶距离河床约17m），盾构隧道埋深19.2～27.8m，线路大体呈南北走向，盾构开挖断面8.8m，最高运营速度达160km/h。

盾构在西沥水道下方被迫停机换刀维修，地质图显示从上至下地层分别为：<2-2>淤泥质粉细砂、<2-3>淤泥质中粗砂、<2-1B>淤泥质土、<2-3>淤泥质中粗砂。隧道洞身主要穿越地层：<2-3>淤泥质中粗砂、<7H>强风化花岗岩。隧道顶至西沥水道河床约17m，水深约5～7m。

2 超前注浆加固

盾构机开仓的难易程度取决于所处位置的地层情况，本工程地质图显示停机位置地质主要为：淤泥质中粗砂、强风化花岗岩和全风化花岗岩，掘进断面上部至地表为淤泥质土、淤泥质砂具有强度、硬度低和高触变性的特点，地质情况复杂，是典型的不稳定地层。不能直接进行常压、带压开仓，必须有辅助手段对刀盘所处地层进行加固。由于河道中通航捕捞等水事活动频繁不具备垂直加固条件，因此利用盾构机预留超前注浆孔进行洞内超前加固。

2.1 施工前准备

（1）停机后，同步注浆管内注入浓泥浆或者厚浆保护管道；盾尾密封油脂手动注入一圈并在后续过程中根据压力下降情况补充注入；土仓内利用注浆系统注入浓泥浆防止双液浆进入仓内固结后难以清理[1]。

（2）脱出盾尾后3 环施连续做5 道止水环。注浆原则为从下至上，左右交叉。

（3）盾体径向孔按左上、右上、左下和右下分4 个孔位注入膨润土（30～40s），注入总量为4～5m3。

2.2 超前注浆原理和流程

如图1 所示，通过盾构机预留超前注浆孔，将双液浆注入刀盘前方和上方土体起到加固作用，在加固体的保护下进行开仓作业。首先向开挖仓注入高浓度膨润土保压；利用盾体预留径向孔向盾体四周注入膨润土泥浆，对盾体进行防护，避免浆液包裹盾体造成复推困难；利用盾体顶部预留超前注浆孔对刀盘前端地层注浆加固。

图1 注浆原理示意图

2.3 浆液参数

注浆浆液采用水泥—水玻璃浆液。水泥采用PO.42.5 普通硅酸盐水泥，水泥浆的水灰比为1∶1；水玻璃原浆浓度40°Bé（波美度），用水调配出水玻璃稀释液；水泥浆∶水玻璃稀释液=1∶1（体积比），具体配比可根据现场凝结时间现场调整。制浆设备为叶片式搅拌机，为了保证浆液的均匀性和在注浆间隙时不沉淀，另自行加工搅拌储浆桶两台，容量0.4m3，在储浆桶外侧设两个以上取浆口，以保证大流量注浆时浆液的供应。根据选定浆液的配比参数拌好浆液，其中水泥浆拌好后用1mm×1mm 网筛过滤，确保浆液均匀[2]。

2.4 注浆方法

采用后退式注浆，待钻孔完成后，先注入磷酸水玻璃进行封口，防止注浆过程中浆液喷涌流失，待封口浆凝结开始注入双液浆，当注浆量或注浆压力达到设计值后后退钻杆，进行下一段的注浆作业，每步为0.3～0.4m，注浆压力2～2.5MPa，匀速回抽，直至该孔结束。

2.5 注浆施工

本次施工过程中共启用10个超前注浆孔（1～10）和2个水平钻探孔（11～12）进行注浆。单孔注浆结束标准以定量定压相结合的方式控制。定量标准为当注浆量达到设计注浆量的1.5～2 倍，压力仍然不上升，可采取速凝浆液等措施结束该孔注浆；定压标准为注浆过程中压力逐渐上升，流量逐渐下降，当注浆压力达到设计注浆压力后，吸浆量很少或不吸浆时可结束本孔注浆。一般注浆过程自上而下完成上部4 个孔的注浆作业后即可进行保压测试。若保压测试失败继续向剩余下部孔注浆施工，直到保压测试成功为止[3]。

表1 注浆记录表

3 制浆剂的应用

3.1 制浆剂材料介绍

按照上述工艺反复注浆可以对盾构前方土层进行有效加固使其固结稳定，但由于地质软弱自稳性差、透水性强，盾构机正面以及周边仍然存在空隙，在开仓过程中必然形成通道，因此需要使用制浆剂建泥膜辅助气压开仓。

盾构制浆剂采用3 组份制浆剂，HS-1 组份用于配制初始基础浆液。大、中分子量的聚合物材料与有益颗粒（切削下的活性土或膨润土）之间，颗粒与颗粒之间相互吸附，形成布满整个泥水空间的网状结构框架，将自由水和土颗粒包围其结构中，以提高泥浆的粘度切力，降低滤失量，完成造浆护壁的初始浆液；HS-2 组份由不同颗粒级配的惰性矿物质及原植物纤维、橡胶粉、单封、石棉颗粒等物质组成。用途是封堵砂土层、砾石层、风化岩层等孔隙，配合其他材料形成致密的泥膜，防止垮塌和稳定开挖面的作用；HS-3组份增强泥水内部的结构性和流变性，利于悬浮、携带钻屑，而微孔堵塞材料进入土层孔隙中，微胀的作用增强护壁性和稳定开挖面。

3.2 制浆剂建泥膜

在浆车内加入清水并启动搅拌器；起动制浆泵，运行正常后向漏斗中缓慢加入1.5～2 包HS-1 后，再加入1.5～2 包HS-3，等HS-1 和HS-3 充分溶解没有疙瘩后再加入8 包HS-2，加料完毕后制浆泵运行10min 后停止。为了防止沉淀，新浆槽的搅拌器应保持缓慢转动。必须注意先加HS-1再加HS-3待充分溶解后再加入HS-2。利用盾构机中盾的注入口注入配制好的制浆剂浆液，进行填充并包裹整个盾构机体周围的土层孔隙，注入量要大于理论值的1.3 倍以上，根据该地层施工经验和设计压力综合考虑确定压力值。

土仓注入时，注入点位首先选用从盾构机上部注浆口注入泥水仓，注浆时边注入制浆剂边排放一部分原来在泥水仓的泥浆，但排放的量一定要少于注入的量，把部分泥浆挤入在地层中。当注入的制浆剂的量达到土仓的容量或泥水压力上升到大于地层压力时，开启刀盘缓慢转动几圈后停止，如果泥水压力能够保持稳定则停止注入，保压力2h 不下降可排浆进仓。

4 带压换刀作业

打开自动保压系统，将压力调整至确认准备阶段计算的理论开仓压力值，使用土仓预留孔排出仓内泥浆，液位下降至3～9 点位置时停止排浆，开始记录空压机加载数据进行保压能力测试。保压测试需要持续进行2h，2h内空压机加载时间/空压机卸载时间+空压机加载时间＜10%证明气密性良好。过程中加强河面巡视，巡视检查未发现冒泥浆或河面出现明显的气泡说明保压测试成功，后续可按换刀计划进行带压进仓换刀作业。依照带压开仓规程进行作业，过程中严格做好气体检测、空压机数据记录、仓内舱外保持联系，时刻注意仓内情况，严禁人员进仓作业时进行注浆、转动刀盘、启动泥浆环流系统等危及人员安全的操作[4]。

在气压开仓过程中若供气量大于供能力的50%，停止气压作业并重新采用制浆剂浆气置换修补泥膜至保压试验合格。

5 技术要点

（1）超前注浆可对地层进行加固，突破了地面环境条件的限制，制浆剂形成的泥膜配合气压开仓将河水隔绝在舱外，给开仓作业提供了条件，这两项工艺结合使用解决了加固难、水压大水量多的难题。

（2）盾构超前孔的保护至关重要，通常在始发前向所有预留注浆孔注入优质盾尾油脂直至油脂从盾体外挤出，盾体外出口处可涂抹少量快速水泥将孔口抹平，防止地层中杂物进入预留注浆孔道[5]。

（3）超前注浆过程应注意浆液从孔口反向喷出污染设备。钻杆深入孔道后先注入磷酸水玻璃进行封口，注浆过程中操作工严密监视压力变化，防止喷涌。

（4）注浆过程中浆液不可避免流入土仓，因此刀盘应当间歇性转动，并依据现场实际用新制备泥浆置换土仓内原有浆液，以免大量双液浆在仓内凝固抱死刀盘。

6 结束语

盾构机出现意外在河底停机后，直接建泥膜带压开仓通常不能成功；传统地面加固方法受到河水限制难以进行，勉强施工往往工期长、代价大且难以保证效果。本工程使用洞内超前加固注浆，避免了传统注浆受河水和周边环境限制的弊端，在掌子面及刀盘上方形成一层保护体，在一段时间内保证掌子面的稳定，给换刀作业提供稳定的作业环境，同时使用新型材料制浆剂注入盾构周围和土仓在掌子面形成致密的具有良好气密性的泥膜，保证了作业时隔断地下水涌入、保护掌子面稳定，为河底不利条件下开仓提供了一套其实可行的方案。淤泥地层、砂层（富水粉细砂）、卵砾石层、软硬不均地层、断裂带、复合地层等自稳性差，容易发生坍塌，开仓难度大，本工艺对该类不良地层的开仓换刀也可适用。