刘 光， 徐万春， 金 平

(1.中铁四局集团有限公司, 安徽合肥 230000; 2.中铁四局集团有限公司城市轨道交通工程分公司, 安徽合肥 230022)

地铁盾构隧道施工中，地质条件复杂多变，尤其是卵石含量高、粒径大的地层、软硬相间混合地层中掘进，易造成刀盘磨损，从而出现推力大、扭矩大、渣温高、螺旋机出土不畅等状况，需采取停机开仓检查及更换刀具作业。盾构开仓检查及更换刀具的方式主要有常压开仓和带压开仓两种，常压开仓一般都是在地层自稳性非常好、地层渗透性小的环境下进行；带压开仓一般是针对地层自稳性较差、地层渗透性较大的复杂地层环境下进行，类似全断面砂层、富水断层破碎带、砾卵石地层、裂隙发育岩层、上软下硬地层或地表环境复杂的敏感地带等。目前类似工程领域建立泥膜主要采用的措施有土仓注入膨润土形成泥膜法和采用衡盾泥建立泥膜法，但这些方法的使用针对复杂地层和敏感地表环境仍具有局限性：比如土仓注入膨润土受限于泥膜的成膜性、强度、持久性及防水性；衡盾泥建立泥膜法受限工期及经济性。

因此为解决在强透气、透水地层和敏感地表环境下，盾构带压开仓保压的安全、稳定、持久且经济，创新性研制出一种采用复合黏土混合浆液建立泥膜保压盾构带压开仓的方法。

1 工程概况

广深地区盾构隧道穿越地层复杂、多变、混合等变异性特点，易造成滞排、喷涌、结泥饼、刀具磨损等困境，需进行常压或带压开仓处理。

深圳地铁10号线福田口岸站—福民站区间双沿线920 m长度范围，涉及上跨运营线路、下穿运营车站，下穿两座居民小区4栋高层住宅楼，下穿两处需进行11次桩基托换的运营高速公路桥(图1)；穿越断面地层主要分为四大类：I类为上半部为中粗砂、下半部为卵石土；Ⅱ类为上半部为卵石土、下半部为中、微风化花岗岩；III类为上半部为全、强风化花岗岩，下半部为中、微风化花岗岩；IV类为全断面中、微风化花岗岩(图2)。

针对此复杂区间，项目部将进行十余次的带压开仓作业，更换四百余把刀具，多次清理泥饼等工作。

图1 福田口岸站—福民站区间线路平面示意

图2 福田口岸站—福民站区间地质纵断面

2 施工技术原理

采用复合黏土混合浆液建立泥膜,选用膨润土、高钙材料(如消石灰)、复合黏土稳定剂(如甲基纤维素)、水玻璃材料，按特定配合比(表1)拌制成的混合浆液，通过材料制作设备、运输设备、盾构机同步注浆系统、二次注浆设备、按照一定的工艺流程，将拌制物注入到盾构机土仓，通过注入填充及挤压、置换渣土、转动刀盘搅拌及挤压、逐级后退刀盘在盾体外壁和盾构开挖掌子面前方建立有一定厚度、强度、防水性、持久性的保压泥膜(图3)。拌制及注入土仓过程，浆液具有良好的和易性和粘附性，通过往土仓中补充添加一定量的水玻璃经过充分搅拌后，会形成一定稠度、粘附性、防水性的复合黏土，通过开启保压系统，逐步排除仓内复合黏土至便于人员进仓作业为止。在仓内空气条件下，泥膜能持续发展强度。合格的复合黏土反应时间为3～5 s，拌好后粘度高，揉捏无裂缝，遇水不散，水浸泡24 h后，水体微浊。

表1 复合黏土配合比与费用

图3 复合黏土用于泥膜护壁工艺效果

3 施工操作要点

施工工艺流程见图4，具体分步说明不作详细展开，施工操作过程中需要把握以下要点：

图4 工艺流程

(1)计划盾构停机带压开仓前1～3环逐步释放铰接，将铰接长度伸出100～150 mm，为后续刀盘后退形成泥膜预留空间。

(2)利用地面砂浆搅拌站制作膨润土浆液(含有钙基膨润土、钠基膨润土、消石灰、纤维素)，每次制作量6 m3通过隧道电瓶车浆车运至隧道内，浆液进隧道后在电瓶车浆车内搅拌3 min，然后利用电瓶车浆车砂浆泵抽3 m3至盾构机砂浆罐中，防止空间不够，搅拌不均。在盾构机同步注浆箱中添加设计量1/3体积的水玻璃，进行充分搅拌均匀形成呈稍粘稠膏状的膨润土混合浆液(图5)。

图5 同步注浆系统及搅拌液状态

(3)根据注入土仓膨润土混合浆液总量，核算需补充注入剩余2/3体积的水玻璃用量，采取二次注浆机间歇性补充注入水玻璃形成复合黏土混合浆液；观察土仓压力变化，扭矩波动情况；如若土仓压力和扭矩相对稳定，维持时间不少于1 h，即可启动螺旋输送机排出少量复合黏土混合浆液，取样检测性状，如符合要求则进行下一道工序，如不符合则重复上步操作(图6)。

图6 复合黏土混合浆液

(4)盾构机砂浆罐内储备膨润土混合浆液4 m3，开启保压系统，逐级退刀盘(每次控制在3～4 cm)，边退刀盘边注入膨润土混合浆液和设定配比剩余2/3体积的水玻璃。每级退刀盘完成后启动刀盘，刀盘转速0.5 r/min，刀盘同方向转动2 h，形成一级保压泥膜，停机1 h观察土压压力变化速率，相对稳定(盾构开仓设定压力上下波动幅度控制在0.04 MPa/h)后即可进入下级退刀盘。依次循环形成约10 cm厚的保压泥膜。

(5)出土置换后，观察土仓压力变化情况，时间不少于1 h，同时保压系统打开，刀盘不转，每10 min测一次空压机加卸载情况；若加载时间小于卸载时间，证明泥膜质量满足要求，土仓保气性良好；加载时间小于卸载时间差值越大，表明掌子面稳定性、泥膜质量越好。若加载时间大于等于卸载时间，则证明泥膜建立失败，需重新建立泥膜(图7)。

图7 盾构机刀盘掌子面泥膜效果

4 应用效果

4.1 成功率高

深圳地铁10号线项目部进行了16次带压开仓作业，5次常压开仓作业；共计更换396把单刃滚刀、77把双刃滚刀、38把刮刀，清理泥饼2次。采取复合黏土混合浆液建立泥膜保压开仓15次，成功14次，失败1次。

4.2 节约成本

采用复合黏土混合浆液材料价为791元/m3，衡盾泥材料价为3 350元/m3，实施过程衡盾泥生产厂家现场指导费80 000元/次。结合盾构机土仓容积及周边地层松散空隙，渣土置换及制作约10 cm泥膜过程需往土仓内注入约35 m3混合液；采用复合黏土混合浆液建立泥膜，带压开仓的材料费约为27 685元；而采用衡盾泥建立泥膜，带压开仓的材料费约为117 250元，技术指导费80 000元。对比每次带压开仓可节约169 565元。

4.3 缩短工期

采用复合黏土混合浆液建立泥膜，正常需要1.5～2.5 d时间；采用衡盾泥建立泥膜，正常需要2.5～3.5 d时间。对比每次可节约1 d工期。

通过此方法建立的保压泥膜，具有成膜性好、粘性大、稳定性强以及强度高、隔水性和持久性好的特点，能够实现在复杂地层和敏感地表环境下，连续带压开仓检查及更换刀具作业。本方法成功应用于广佛城际φ8.8 m大盾构、厦门地铁等类似工况下的带压开仓作业；且此配比的材料可用于盾构下穿建筑物的沉降控制，例如合肥地铁5号线下穿既有地铁、昆明地铁4号线下穿既有地铁、嘉兴配水下穿既有民房、深圳地铁10号线下穿既有居民小区；不仅如此，此配置的材料还可用于盾构接收注浆止水，例如杭州地铁5号线13标段。本方法具有十分广阔的应用前景。

5 结束语

本文依托深圳地铁10号线福田口岸站—福民站区间近距离连续上跨下穿多种建构筑物工程，利用复合黏土混合浆液泥膜护壁工艺进行了带压开仓作业。复合黏土混合浆液建立的泥膜是选用膨润土、高钙材料(如消石灰)、复合黏土稳定剂(如甲基纤维素)、水玻璃材料，按特定配合比拌制成的混合浆液，应用实践证明，采用复合黏土混合浆液泥膜护壁不仅可以有效保证强透气透水地层中带压开仓作业的安全性，还可提高开仓作业效率，缩短工期，节约成本。