泉域富水上软下硬地层土压平衡盾构气压开仓气密性技术对策

何邦亮 赵金辉 梁益硕 刘 浩

摘要：济南地铁某区间右线盾构区间下穿建筑物众多，由于地质条件复杂，造成盾构掘进参数异常，为保障盾构连续施工，计划采取气压作业进仓检查，但因对地质水文认识不足，处置措施不到位，致使闭气试验不达标；通过总结分析，制定针对性技术保障措施，并后续进行实施验证，顺利完成了气压进仓检查、维修和清理工作，有效提升广大工程技术人员对泉域地质复杂性的认识，也为今后济南地区类似工程提供借鉴指导。

关键词：泉域富水、漏气分析、超前注浆、泥膜护壁

0引言

城市轨道交通主要建设在城市密集城区，受到地质条件、周边建构筑物等因素的影响，车站之间一般多采用土压平衡盾构施工，对于上软下硬地层，因裂隙水分布不均匀，土压平衡盾构施工时会出现螺旋输送机出渣口喷涌、刀具磨损、结泥饼和周边环境变形等突出问题，此时需组织气压作业开仓检查，若因气密性不合格时组织气压作业，往往会造成重大人员伤亡，社会影响大，因此，气压作业气密性是土压平衡盾构开仓管理中最为关键的控制重难点。

针对以上情况，基于济南地铁某线盾构区间右线隧道在掘进至307环时，地处中风化闪长岩基岩凸起段，掘进过程遇到了刀盘扭矩增大，掘进速度慢、螺机喷涌等异常参数掘进，盾构机被迫停机，因机头刚好处于房屋正下方，不能地面加固，地下水丰富，无法组织常压开仓，刀盘滚刀磨损无法判断，进仓检查滚刀磨损不能耽搁，这时考虑采用气压作业进仓检查；盾构气压作业时要将土仓上部留出人员进仓作业空间，必须将盾构机土仓渣位降低至腰部以下位置，此种工况下掌子面地质处于暴露状态，气密性若得不到保障，高压气体出现漏气逃逸，会对进仓作业人员的安全和地面房屋造成较大影响。

1项目概况

1.1工程概况

济南地铁某盾构区间右线自某站小里程端始发，至某站大里程端接收，区间右线单线长度1726.882m，线路呈S型曲线设计，最小平曲线R380m，纵坡为V形坡，竖曲线最大坡度29‰，隧顶覆土厚度为11.3～22.1m。

1.2工程地质

盾构区间右线停机所处地层主要为中上部14-1粉质黏土，底部为19-1全风化闪长岩、19-2强风化闪长岩和19-3中风化闪长岩，底部风化闪长岩分布不均，土质类似砂砾状，地质基本与中粗砂相同，岩石颗粒之间基本无粘聚力，盾构扰动会出现坍塌、脱空。其中19-3中风化闪长岩呈灰黄色～灰绿色，岩石质量指标RQD值为70%，质量等级IV级，天然单轴极限抗压强度7.5～32.9Mpa，平均20.1MPa。

盾构区间右线307环停机位置地质纵剖面图

1.3水文地质

盾构区间右线停机地层主要为闪长岩裂隙水，闪长岩裂隙水水头埋深2.90～3.30m，水头标高25.45～28.08m。裂隙水主要分布在全风化、强风化和中风化闪长岩层裂隙及碎块状间空隙通道中。根据详勘显示，此区域地层粉质黏土层具一定透水性，上部潜水与基岩裂隙水具有一定的水力联系，地层常年受到裂隙水冲刷，渗透通道较为发达。

1.4周边环境

盾构区间右线停机位置此时正处于槐村街居民楼下方，该楼地上6层，地下1层砖混结构筏板基础，基础埋深5.36m，区间结构与桩基最小净距约为14.74m。

盾构区间右线307环停机位置平面位置图

1.5盾构机选型

盾构区间右线配置1台开挖直径为φ6680mm土压平衡盾构机，刀盘钢结构主要由6辐条＋6面板结构组成，刀盘开口率为35%，配置了一定数量的滚刀、刮刀和超挖刀；刀盘设加泥喷口6个，泡沫喷口6个，膨润土喷口2个；人仓系统配置了主仓和副仓，配置有害气体实时检测系统、视频监控系统和全气动压力调节装置，全气控装置按照双系统设计，一用一备；盾构前盾盾壳环向设8个超前注浆管路，中盾盾壳环向设6个超前注浆管路，并在盾体胸腔隔板设4个超前注浆管路口。

2气压作业

2.1首次停机情况

（1）停机原因

盾构区间右线在掘进至300环时，刀盘底部逐步进入中风化闪长岩地层，处于上软下硬地层掘进，此时岩层裂隙水大量涌入土仓，造成土仓渣土过稀，使得螺机无法形成土塞效果，掘进时由螺机口喷涌，影响盾构正常施工，主要表现为：一是泥渣一次性大量喷出，造成土仓压力骤降，影响地面周边环境安全；二是隧道管片底部被喷涌泥渣淤积，影响拼装，清理工程量大；三是盾构在上软下硬地层掘进刀盘扭矩大、掘进速度慢、地层超挖，且刀盘外圈刀具极易磨损，造成盾构进度指标严重过低，完全不能正常施工。受到以上三个主要方面的影响，在盾构区间右线开累掘进至307环后，考虑不具备地面加固条件，停机组织气压作业进入仓内进行检查。

（2）气压设定

按照盾构停机位置顶部覆土埋深、裂隙水水位和附加压力，通过计算，首次气压作业进仓工作压力设定为2.2bar。根据有关规范要求，在土仓内采用膨润土浆液置换仓内渣土，来控制掌子面形成泥膜，置换或分级加压过程应使土仓内压力高于工作压力1.1～1.3倍，即泥浆分级加注时工作压力控制在2.4～2.9bar。

（3）存在问题

在盾构停机完成盾尾止水环箍注浆、盾壳径向注浆和膨润土泥膜浆液制作后，采取分级对土仓渣土进行置换，掌子面泥膜已经形成，且泥压试验达到合格标准要求，随后组织闭气试验。现场采用螺机排渣，加气保压，将仓内泥浆液位降到腰部后，开始使用盾构机SAMSON全气控装置向土仓内自动注入压缩气体，进行闭气试验，经测试空压机暂载率达到45.9%，漏气严重，说明气体存在逃逸通道；期间采用气压将土仓压力增大至2.9bar，约30min压降至2.2bar，压降速度较快，闭气试验不达标，不能进行气压作业。

（4）漏气原因分析

通过对盾构停机所处地质、设备管路密封、泥浆指标和止水效果等技术措施落实情况进行现场逐项排查，具体调查情况如下：

1）盾构胸腔隔板注浆口漏气

盾构机自动加气系统在盾构土仓内液位降至中心时，掌子面上部已经充分暴露，注入的压缩空气是否由胸腔注浆孔回气，经现场反复关闭阀门，验证无漏气，排除此类原因。

2）铰接密封漏气

盾构机中盾铰接因土仓内浆液液位降低后，中上部盾壳没有泥浆环绕，压缩空气击穿铰接密封，形成漏气通道，经现场排查，排除此类原因。

3）管路漏气

在盾构自动加气系统中可能出现一些气管接头、阀门安装不牢或关闭不严也会出现漏气，经现场排查4号和5号台车间气管连接接头出现少量漏气，经复紧加固后，排除此类原因。

4）盾尾刷漏气

在盾构机盾尾处，因油脂注入不均匀、压力显示不正确或注入量不足，造成尾刷与管片存在漏气通道，经现场排查，排除此类原因。

5）沿管片壁后绕流漏气

盾构机停止后，立即组织止水注浆，实际止水环箍距离盾尾达到10环，起初怀疑是由于止水环箍注浆距离盾尾较远所致，压入压缩空气由盾壳向管片壁后空隙通道中绕流进入沿线隧道裂隙地层，后在盾尾后3环增设聚氨酯止水环箍，并在盾尾后5环，20环，50环等增设环向探孔验证，排除此类原因。

6）地层漏气

通过对详勘报告地质进行研究分析，本工程位于济南城区偏西，因地处济南泉城水域，济南城区地势呈南高北低，地下岩层结构由南向北向下倾斜，南部地下岩溶裂隙水一直向济南城区形成径流，长年累月在地下形成通道并汇集，最终形成大量泉眼，在裂隙水受到岩体阻隔后，会由浅部岩层裂隙向上部土体进行渗透、联系。由此我们发现盾构中上部粉质黏土层地勘显示具一定透水性就说明原因，粉质黏土常年受到基岩裂隙水向上渗透，已经形成大量水力通道，这是造成本次闭气试验漏气非常重要的原因。

综合以上排查分析，14-1粉质黏土经分级泥压渗透效果不佳，再经压缩空气进行闭气试验时，地层大量通道被高压气体击穿，形成逃逸通道，说明粉质黏土地层仅采用泥浆分级加压形成泥膜技术上不可行，需采用地面垂直注浆或洞内超前水平注浆对地层进行通道封堵。

（5）盾构复推掘进

结合现场闭气试验不达标，不能在现有情况下继续组织气压作业，综合考虑当前盾构机头正处于房屋下方，房屋安全较为重要，还在此处再次进行处理，风险较大，后经研究立即恢复盾构掘进，根据盾构复推参数，再选择其他合适位置进仓检查。

盾构复推后，盾构刀盘扭矩、掘进速度和螺机排渣等参数控制均恢复正常，这说明停机期间，通过土仓压注泥浆和盾尾止水，已经将地层大部分裂隙水进行了封堵，此种措施在后续盾构掘进也要参考应用，可进一步解决闪长岩裂隙水对盾构掘进的影响。

2.2第二次停机情况

在盾构区间右线开累推进至414环时，与首次307环停机位置地质、水文和周边环境基本相似，盾构又出现螺机喷涌、刀盘扭矩增大、掘进速度慢等参数异常，再次考虑采用气压作业进仓检查。

盾构区间右线414环停机位置地质纵剖面图

3气压开仓气密性技术保障措施

3.1洞内超前水平注浆技术措施

针对盾构414环停机位置所处掌子面地质中上部还是粉质黏土，在地面不具备垂直注浆加固条件，制定洞内超前水平注浆措施，对粉质黏土地层中可能存的漏气逃逸通道进行填充封堵，同时通过注浆加固对所处刀盘地面房屋进行加固保护。

（1）注浆前准备

盾构机停机前，当期环上方中心120°范围管片暂不拼装，留出现场钻孔注浆作业空间，利用手拉葫芦、吊带及盾构机油缸将钻机提升、定位，并结合钻孔位置，在钻机底部搭设作业平台。

超前注浆示意图

（2）注浆总体要求

综合盾尾现场作业条件，拟定居中上部3个超前注浆孔进行洞内注浆。每孔采取分段注浆，浆液有所不同，各阶段如下：第一阶段超前水平注浆采取前进式注浆，开钻至刀盘前0.5m时，开累钻进长度7.85m范围注入磷酸、水玻璃浆液，并进行封孔，防止后续钻孔及注浆时盾体外的浆液流入土仓内；第二阶段在第一阶段封孔完成后进行，继续钻孔至16.481m位置时停止钻进，采用后退式注入水泥和水玻璃混合液浆。

（3）注浆施工参数

洞内超前水平注浆管采用φ42mm，壁厚3.5mm钢管；第一阶段注浆参数每次进尺0.5m，注入磷酸和水玻璃混合液0.34m³，浆液凝固时间10～15S；第二阶段每次后退0.5m注浆，注入水泥浆和水玻璃混合液，注浆量按照浆液扩散半径1.2m控制，约1.36m³/m，浆液初凝为45～60S。洞内超前水平注浆按照注浆量、注浆压力、土仓压力三重标注控制，注浆过程中全程关注土仓压力，注浆压力以起始压力3bar控制，最大不超过10bar，顶部1#传感器压力值变化值超过5bar必须停止注浆。

3.2盾壳径向注浆技术措施

盾构停机后，在中盾径向注浆孔注入高粘膨润土浆液，粘度90～120s，泥浆比重1.3以上，注入泥浆压力比壁后水土压力略大0.5～1.0bar，让泥浆在盾壳四周形成封闭，封堵前后方渗漏通道，并防范盾尾后方双液浆和聚氨酯浆液“包裹”盾壳，压注高粘度膨润土浆液后，必须关闭球阀，防止出现浆液反流。

3.3盾尾止水环箍技术措施

盾构停机后，为防止止水环箍双液注浆浆液包裹盾尾，在盾尾环向8个径向口，注入聚氨酯，单孔注入70kg，形成止水止浆环箍；聚氨酯止水注浆采用压力控制与方量双重控制，若聚氨酯注浆压力和注浆量一项达到要求，则停止注浆，继续下一个孔位注浆。待全部注浆孔完成后，进行止水效果验证，打设探孔，观察注浆孔内是否存在漏水、流浆等情况，若孔内还有渗水，继续补注，直到无浆液和水再流出为止。

3.4管片壁后环箍止水技术措施

盾构停机后，对盾尾倒数2环至5环管片进行止水环箍双液注浆，注浆以少量多次原则进行，在注浆三通管处安装压力表，便于判断注浆压力。注浆完成后，进行探孔验证，探孔允许滴水现象，但不得成线流，否则判断盾尾止水不能满足施工要求，必须对渗漏处所对应的全环再进行止水环箍双液注浆。

3.5盾构设备自密封技术措施

在盾构停机后，不定时对盾尾刷前、中、后三个腔体采用自动或手动注入油脂，压力不低于气压作业进仓工作压力，防止泥压和止水环箍注浆击穿盾尾，同时也要防止土仓保压漏气。

3.6泥膜护壁技术措施

盾构第二次停机机头位置正处于上软下硬地层，底部中风化闪长岩强度较高、裂隙水丰富，仍不能常压开仓作业，并结合首次气压不合格原因调查，对本次掌子面泥浆原材质量、泥浆配比及闭气方法提出新的要求。

（1）泥压设定

根据盾构停机位置所处埋深、水文和附加压力，第二次开仓工作压力设定为2.5bar；按照有关规范要求，置换或分级加压过程应使土仓内压力高于工作压力1.1～1.3倍，即泥浆分级加注时工作压力控制在2.75～3.25 bar。

（2）土仓渣土置换

采用膨润土浆液对土仓渣土进行置换，膨润土和水配比按1:8控制，膨化时间大于24h，粘度大于50s，在螺机排渣渣样膨润土占比超过80%以上或累计压注膨润土浆液大于20m³后可以停止置换。

（3）渗透型泥膜

膨润土和水配比按1:7控制，配置高粘度渗透性泥浆，膨化不小于12h，粘度大于70s，加压至2.75bar，保压3h，每隔1h转2～4圈刀盘，保持泥浆均匀，对掌子面地层裂隙进行泥浆渗透。

（4）嵌缝型泥膜

膨润土和水配比按1:6控制，配置高粘度填充性泥浆，膨化不小于12h，粘度控制在90～120s，加压至3.0bar，保压3h，每隔1h转2～4圈刀盘，将浆液继续向地层裂隙填充封堵，形成嵌缝型泥膜。

（5）泥皮型泥膜

盾构停机时，采取主动铰接，将盾构机后退10cm左右，为掌子面建立泥膜提供空间。膨润土和水配比按1:5控制，配置高粘度泥皮型泥浆，膨化大于24h，粘度大于180s，加压至3.25bar，保压3h，每隔1h转2～4圈刀盘，一直通过压泥保压，当土仓压力由3.25bar回落至2.5bar时间超过100min时，可以判定掌子面已经形成泥皮，否则继续压浆，使得土仓内掌子面泥浆形成泥皮。

3.7闭气保压试验技术措施

掌子面泥皮必须通过闭气保压试验合格后方可组织气压进仓作业，在现场泥压试验满足要求后，可通过螺机排浆降低土仓液位，主要分两个阶段进行：第一步将土仓液位降低至2/3处位置，观察土仓压力变化，若土仓压力保持2h压力变化小于0.05bar，则满足要求；第二步继续将土仓液位降低至1/3处位置，若土仓压力保持2h，压力变化小于0.05bar则满足要求；同时闭气试验期间，空压机暂载率小于30%时，则闭气试验合格。

闭气试验期间，要一直观察盾构机土仓上部压力有无异常，地面巡视有无出现漏气，若压入气体一旦发现漏气，立即停止试验，重新调查分析原因，研究详细可操作的处置方案，经专家评审后，方可组织后续气压作业。

4结论

（1）区间盾构沿线穿越既有建（构）筑物多，工程埋深较深，还存在多处基岩凸起地段，气压开仓检查气密性不达标而开仓作业风险巨大；

（2）通过本工程实例，验证了泉域粉质黏土地层中存在气体逃逸通道，仅采用常规方法直接以泥膜封堵，很难实现气密性要求；而通过实施地面垂直注浆或洞内超前水平注浆，可提升掌子面地层密封，为后续以及今后开仓作业积累较为宝贵的施工经验。

（3）从本工程实施来看，盾构区间右线第二次顺利完成带压进仓检查、维修和清理刀盘，作业期间未发生任何参数异常，表明控制措施是合理有效的，本工程气压作业气密性技术保障措施可为济南类似地层提供很强的借鉴价值。

5参考文献

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