富水砂层衡盾泥结合WSS注浆双保压盾构带压开舱施工技术

毛钟毓

（佛山市地铁集团有限公司，广东 佛山 528000）

在采用盾构法修建城市地下交通工程的过程中，常因地勘资料未完全揭露地层情况，导致盾构机选型时功能未完全适应地层，进而需要开舱处理泥饼、滞排问题及刀具更换作业[1]。由于在砂层等孔隙率大，保压性差的地层开舱风险系数高。因此，为保障施工的安全性，在地下隧道施工中，研究有效的开舱作业施工技术具有重要的意义。本文对工程实例进行研究，采用衡盾泥结合WSS 工法地面注浆加固+带压开舱作业的方式，安全快速地更换刀具和清理刀盘泥饼，保持开挖面稳定，保障施工过程的安全性，并在切削刀盘后的密封腔内充填开挖下来的土砂，保持一定压力，可有效解决在富水砂层地质条件下，盾构施工风险系数较高、稳定性差的问题，顺利完成盾构带压开舱作业。

1 工程概况

佛山市城市轨道交通三号线工程火车站站—桂丹路站区间由火车站出站后往西沿规划道路敷设，下穿佛山大桥、佛塑集团宿舍楼、郊边村村民房和佛开高速，最后到达桂丹路站。区间拱顶覆土厚度约为11m～29m，郊边村民房段有长约270m 的高富水砂层侵入隧道掌子面。

2 选定施工方案

在241 环掘进过程中，这个区间右线盾构机发现渣样开始出现砂层，尝试用普通膨润土、悬浮剂等渣土改良材料后，盾构机掘进效果没有明显改善，在上软下硬的高富水砂层中，盾构机施工掘进参数明显恶化，因此希望通过开舱分析解决掘进困难问题[2]。通过地质勘察和螺旋机排渣情况可以看出，隧道拱顶为高富水中粗砂和砾砂地层，部分已侵入掌子面。本位置地层软弱，稍有扰动会导致地面塌陷[3]，因此为保证掌子面稳定和满足气密性要求，须采用“衡盾泥”制作泥膜。衡盾泥结合WSS 注浆施工技术适用地面平坦开阔且具备地面注浆条件的环境，以此可以降低“衡盾泥”泥膜周边土体渗透系数，减少泥膜被击穿的概率，同时对盾构机以上土体进行加固，有效解决在上软下硬的高富水砂层中，盾构机施工掘进参数恶化和地层软弱导致的地面塌陷等问题。考虑在地面盾构刀盘周边区域采用无收缩前进式注浆（WSS 注浆）结合衡盾泥双保压措施的方式完成盾构带压开舱作业，以此保障盾构施工的安全性和保证工程顺利进行。

3 工程技术施工实例

3.1 技术内容

在采取衡盾泥结合WSS 注浆双保压的技术措施过程中，衡盾泥是以膨润土为主要材料，通过改性后形成的一种高黏度触变泥浆，具有较好的和易性和黏附性，不易被水稀释且有一定的强度，在带压开舱过程中成膜的效果较好，而且材料环保[4]；WSS 注浆是指用钻注一体机在地表垂直向下，边钻进边稳定压力注入水泥或水泥—水玻璃双液浆，对地层局部区域进行加固[5]。将两者结合，利用衡盾泥支撑和WSS 注浆加固，可以有效地避免地层坍塌和渗水问题，提高盾构带压开舱作业的安全性、稳定性和效率，保证开舱顺利。土衡盾泥结合WSS 注浆双保压盾构带压开舱施工技术的主要特点与优势如下：1）在施工中基本不需要采取其他土体加固等辅助施工措施，不仅节省成本，还对环境无污染。2）根据衡盾泥制作的泥膜完整性及渗水情况，结合空压机的变化决定是否需要重建泥膜。泥膜制作过程简单，施工期间工作面易达到稳定状态，减少了地表下沉。

综合应用衡盾泥结合WSS 注浆双保压的方式完成盾构带压开舱作业，详细的开舱流程如图1所示。

图1 施工工艺流程图

根据图1 的流程，利用衡盾泥技术和WSS 注浆技术，完成盾构带压开舱作业，主要步骤如下：1）开挖前准备。在施工前，需要对地下隧道的地质情况和土层稳定性进行仔细勘察和评估。根据地质条件，确定合适的衡盾泥配比和WSS 注浆参数。2）制备衡盾泥。按照预先确定的配比，将特殊材料与泥土充分混合，制备具有较高黏性和强度的衡盾泥。3）注浆。在盾构机进行掘进过程中，通过设置注浆管道，将WSS 注浆材料注入地层的空隙中。注浆材料填充土体的空隙，增加土体的密实度和强度。4）配合开舱作业。在需要进行开舱作业的地点，使用挖掘机等设备进行挖洞作业，同时将衡盾泥涂抹在掘进面上形成泥膜，以此提供额外的支撑和稳定，并保持泥膜的湿润状态。WSS注浆也有加固和稳定地层的作用。5）施做止水环。在开舱准备工作完成后，使用模具将混凝土或其他止水材料浇筑至止水环的位置，保证开舱处的密封性。暂停WSS 注浆施工，等待止水环养护和固化。6）双保压施工。当开舱作业时，用注浆系统对附近地层进行双保压处理。使用高压注浆泵将WSS 注浆材料注入地层的空隙中，并对注浆参数进行实时监控和调整，保证稳定性和密实性。7）掌子面控制。根据需要可以采取钢板、预应力锚杆等加固措施，防止塌方和失稳，保障开舱的安全性。施工步骤中的使用材料，见表1。

表1 主要材料表

在用衡盾泥结合WSS 注浆双保压的方式完成盾构带压开舱作业的过程中，施做止水环、衡盾泥拌制和地面WSS 注浆加固是关键环节，对其进行合理施工，不仅能起到协同作用，还能为双保压盾构带压开舱施工提供全面支护和加固，保证施工的稳定性。

3.2 施做止水环

在二次注浆前，通过盾构机中盾的预留注浆孔径，将2m3～3m3的膨润土排出盾体外，充分填充盾体周边间隙，防止止水环施作期间浆液前窜包裹住盾体。待盾体周边注满膨润土泥浆后，对脱出盾尾3～7 环的位置进行整环管片注浆，以达到止水的目的，止水环注浆点位图，如图2所示。注浆顺序为从盾尾后3 环到7 环，注浆点位为1、4、8 和11，形成连续止水环，用于阻隔盾构机后方地下水。二次注浆采用水泥浆和水玻璃双液浆，当压浆时，由专人对压入位置、压入量和压力值进行详细记录，根据地层地质及隧道埋深确定具体注浆量及注浆压力，注浆压力应≥0.3MPa，保证压浆工序的施工质量。注入时应注意注浆量和注浆压力，并密切关注土舱压力波动，防止二次注浆浆液前窜，裹住盾体，裹死刀盘。

图2 止水环注浆点位图

3.3 衡盾泥拌制

衡盾泥采用双组份配制材料，分别为A 组份和B 组份，A 组份为干粉料，B 组份为液体材料。

3.3.1 拌制衡盾泥A 液

3.3.1.1 配比

衡盾泥材料A 粉∶水=1 ∶2（质量比），每次搅拌加2m3水后，使用剪切泵加1t 的衡盾泥A 粉，加料顺序为先加水再加A 粉。

3.3.1.2 试验检验

完成衡盾泥A 液试验拌制后，经检测，待其塑化黏度约200s 后和B 液混合。

3.3.1.3 搅拌

采用剪切泵充分搅拌均匀衡盾泥A 液，完成搅拌后利用剪切泵循环10min～15min，直至无干粉结团颗粒（即无悬浮颗粒）为止，完成搅拌后无须膨化。采取洞内搅拌的方式搅拌衡盾泥A 液，用平板车将剪切泵运至隧道后，用接管连接浆车。

3.3.2 混合衡盾泥A 液与B 液

3.3.2.1 配比

衡盾泥配比（质量比）初步定为A 液∶B 液=15 ∶1

3.3.2.2 试验检验

衡盾泥A 液和B 液混合后，经检测，待塑化黏度为600s 且配置后的密度约为1.22g/cm3～1.28g/cm3后投入使用。

3.3.2 .3 搅拌

为保证混合均匀，采用喷淋形式混合A 液和B 液。当搅拌时，同步注浆罐正转5min，再反转5min，直至混合物呈现果冻状为止。

3.4 WSS 注浆加固

3.4.1 土舱渣土置换

为防止注浆加固时浆液进入土舱内，在注浆加固前应先将土舱内的渣土置换成衡盾泥，土舱渣土置换具体操作如下：1）保证掌子面及刀盘上方土层稳定且置换完全性，同时防止注入压力过大或者过小导致地层不稳定，影响后续保压效果。置换压力控制在开舱工作压力2.2kPa 的基础上提高0.1kPa～0.2kPa，波动控制在±0.2kPa。2）利用土舱壁上3 点和9 点位球阀注入孔注入衡盾泥，置换土舱内渣土，注入时采用同步注浆泵进行接管，控制注入量尽量与排出量匹配，开启土舱隔板顶部预留孔，排除约30m3的渣土，确保满舱都是衡盾泥材料为止（判断标准：顶部预留孔流出衡盾泥）。

3.4.2 注浆布孔及加固范围

注浆孔平面布置图如图3所示，根据图3 对注浆布孔及加固范围进行描述。

图3 注浆孔平面布置图（单位：mm）

3.4.2.1 盾体正上方

隧顶上方0.5m～2m 为AB 液，隧顶上方5m～2m 部分为AC 液；AC 液为水泥水玻璃双液体浆，AB 液为磷酸水玻璃化学浆液。

3.4.2.2 盾体两侧及刀盘前两排

隧顶上方2m 至入岩深度1m 为AB 液，隧顶上方5m～2m 部分为AC 液。

3.4.2.3 其余外部加固孔注入AC 液加固深度

其余外部加固孔注入均为AC 液，加固深度为隧顶上方5m 至入岩深度1m。

3.4.2.4 盾构施工顺序

当注浆时先施工Ⅰ序孔，对盾体及刀盘周边进行保护后，开始施工Ⅱ序孔。

3.4.3 WSS 注浆加固压力变化分析

设计试验采用的土压力计及渗压计为微型电阻式土压力盒及渗压计。监测数据为压力盒的应变量，为得到注浆压力值需要对监测数据进行换算，如公式（1）所示。

式中：P为待求压力值（孔压或土压力）；με为应变量（应变仪直接测得）；K为率定系数。各种压力计率定系数值详见表2。

表2 压力计相应率定系数值

对注浆过程中的监测数据进行换算后，将测点土压力值绘制成曲线，如图4所示。

图4 测点土压力值曲线图

由图4 看出，当70s～110s 加压舱内压力达到设计值时开始注浆，由于注浆对地层有一个压密的过程会导致压力增大，因此压力变大后又变小，浆液冲破地层孔隙渗进砂土中压力明显变小；在200s～450s，注浆过程稳定，随着注浆泵的吸浆和注浆，压力会上下波动，结合其他测定值可以发现距离注浆口最近的测点压力值最大，最远的测点压力值最小，最大压力值超过70kPa；在450s～550s，注浆压力有逐渐变大的趋势，此时停止注浆，压力迅速变小。

3.5 带压开舱作业

根据地下水位和盾构机埋深，开舱工作压力设定为2.2kPa，控制土舱压力分4 级，采用少量多次的方式注入衡盾泥进行加压，每级0.2kPa，前面3 级要求动态稳压2h，最后1 级2.8kPa～3.0kPa 保证稳压6h 以上。前3 级分级加压完成后，缓慢转动刀盘，转速为0.1r/s～0.5r/s。保证衡盾泥材料的均匀性。

当气泥置换时开启盾构机自动保压系统，在衡盾泥稳压压力值的基础上，分阶梯、降级减压，每个梯级为0.2kPa，直至达到开舱压力2.2kPa 为止。每个阶梯压力在动态保压情况下稳压2h，最后一级降压后稳压6h。

在最后一级稳压过程中，记录工作空压机的启动频率，如果泄气量能小于供气能力的10%，就表明开舱保压试验合格，可以开舱施工。

4 技术总结

在2021年6月5日，这个工程在248 环位置开始对盾构机进行密封保护及使用衡盾泥置换泥浆，在6月9日进行WSS 地面注浆加固，在6月22日完成地面加固，随后使用衡盾泥建泥膜，进行保压试验，在2021年7月5日开始进舱工作，2021年7月15日累计进舱36 舱，完成带压开舱换刀及清理泥饼工作。在施工期间，虽然开舱保压阶段的空压机启动频率随着清理刀盘开口有些波动，但启动频率整体能够稳定在10%内，满足带压开舱的规范要求，较好地完成了土舱的保压工作；在36 舱开舱过程中，地面监测的下沉值为15mm，未出现超过规范要求的下沉且泥膜完整，没有出现渗水、破损的情况，说明采用衡盾泥结合WSS 注浆双保压技术成功完成了富水砂层中的开舱换刀及清理工作，可有效解决在上软下硬的高富水砂层中，盾构机施工掘进参数恶化和地层软弱导致地面塌陷等问题，保障了施工的安全性，提高了施工质量。

5 结语

采用富水砂层衡盾泥结合WSS 注浆双保压盾构带压开舱施工技术，能将富水砂层下带压开舱风险降到最低，具有施工质量好、操作简单、保障安全和经济效益较好等优势，不仅增加了城市轨道建设工程盾构工法的灵活性与适用性，还创造了较好的社会效益和经济效益，可以给类似工况提供借鉴。