文章编号：１００９—４５３９（２０１７）０５—００６０—０４ ・隧道／地下工程・ 全断面富水砂层“衡盾泥＂辅助带压 进仓施工技术研究 万维燕 （中铁十一局集团城市轨道工程有限公司 湖北武汉４３００７４） 摘要：以广州八号线８标亭岗站～石井站全断面富水砂层“衡盾泥”辅助带压进仓施工为背景，针对盾构机在上 软下硬地层刀具磨损严重需借助“衡盾泥”进行辅助带压进仓的施工技术进行研究，并对技术全程进行总结。实践 表明：依靠”衡盾泥“辅助带压进仓，可有效解决上软下硬地层带压进仓难题，并确保了盾构机刀具更换全程安全、 可靠，为盾构机顺利完成亭岗站一石井站盾构施工提供了有力支持，也为今后相似地层盾构施工提供了宝贵的 经验。 关键词：富水砂层上软下硬衡盾泥辅助带压进仓 中图分类号：Ｕ４５５．４３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９—４５３９．２０１７．０５．０１４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｈｉｅｌｄ Ｃｈａｍｂｅｒ ｗｉｔｈ“Ｐａｓｔｅ ＨＤＮ”ｉｎ Ｆｕｌｌ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｗａｔｅｒ．ｒｉｃｈ Ｓａｎｄ Ｓｔｒａｔａ Ｗａｎ Ｗｅｉｙａｎ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ １１ｔｈＢｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ Ｃｉｔｙ Ｒａｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｓｈｉｅｌｄ ｃｈａｍｂｅｒ ｗｉｔｈ“ｐａｓｔｅ ＨＤＮ”ｉｎ ｆｕｌｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｗａｔｅｒ—ｒｉｃｈ ｓａｎｄ ｓｔｒａｔａ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｏｔ ８ ｏｆ Ｔｉｎｇｇａｎｇ Ｓｔａｔｉｏｎ ｔｏ Ｓｈｉｊｉｎｇ Ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｓｕｂｗａｙ Ｌｉｎｅ ８，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｓｈｉｅｌｄ ｃｈａｍｂｅｒ ｗｉｔｈ“ｐａｓｔｅ ＨＤＮ”ｉｎ ｕｐｐｅｒ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｈａｒｄ ｓｔｒａｔａ ｄｕｅ ｔｏ ｓｅｒｉｏｕｓ ｔｏｏｌ ｗｅａｒ，ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｂｏａｒｄｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｕｐｐｅｒ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｈａｒｄ ｓｔｒａｔａ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｏｌｖｅｄ ｗｉｔｈ“ｐａｓｔｅ ＨＤＮ”，ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｅｐｌａｃｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄ ｃｕｔｔｅｒ ｗｅｒｅ ｅｎｓｕｒｅｄ．Ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ｏｆｆｅｒ ａ ｖａｌｕａｂｌｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｈｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｔｒａｔｕｍ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒ—ｒｉｃｈ ｓａｎｄ ｓｔｒａｔａ；ｕｐｐｅｒ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｈａｒｄ ｓｔｒａｔａ；ｐａｓｔｅ ＨＤＮ；ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｂｏａｒｄｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ １ 引言 进仓换刀将很难成功实现，为保证盾构顺利通过上 软下硬…（岩层上部直接附着砂层），解决盾构在上 基于广州八号线８标段盾构区间地质复杂多 软下硬地段开仓换刀 问题，项目部引进新技术来 变，上软下硬地段较多，地表环境复杂，隧道主要穿 解决此难题——“衡盾泥”辅助带压进仓作业技术。 越区域房屋群、城市主干道、河涌区域，地下管线众 多，地表无提前加固条件。采用传统方法进行带压 ２工程基本情况 本标段为八号线北延段施工８标，土建工程包 收稿日期： ２０１７——０３——１０ 基金项目： 中铁十一局集团城市轨道工程有限公司科技研究开发计 括两个车站（亭岗站长２３４．３ ｍ、石井站长２２５ Ｉ１３） 划项目（２０１４－１５—１） 和一个区间（亭岗站～石井站盾构区间）。亭石区 作者简介： 万维燕（１９７６～），男，高级工程师，主要从事隧道工程工作。 ６０ 铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１ ７（ｏ５） ・隧道／地下工程・ 间总长约１ ５５０ ｎｌ，此区间采用海瑞克双螺旋土压平 Ａ、Ｂ液充分搅拌均匀（要求衡盾泥混合液液面不高出 搅拌叶轮中轴线为宜）， 搅拌时间１５～２０ ｒａｉｎ，混 合后效果为果冻状方可 开始注人，注入效果如 图２所示。 ５．２盾体注衡盾泥包裹 衡式盾构机施工。 ３“衡盾泥”辅助带压开仓区域情况调查 盾构始发到２６０环（３９０ ｍ），隧道主要穿越地 层为＜３－２＞中粗砂、＜３．３＞砾砂、局部为＜４＞淤 泥质土，根据以往施工经验，为确保正常掘进，需 图２ Ａ、Ｂ液混合效果 进仓检查刀具。通过综合分析，选择在三福场区 地面相对空旷区域进行“衡盾泥”辅助带压进仓 试验。 通过前盾体预留孔处径向周圈注入拌和好的 衡盾泥，衡盾泥注入压力控制在０．５～３．５ ｂａｒ，衡盾 泥渗透、扩散，打开相邻预留孔泄压观察是否有衡 根据详勘及补勘资料揭示，此处隧道埋深８ ｍ， 掌子面地层为全断面＜３—３＞砾砂，底部揭示有基岩 凸起，吲填土层厚３—４ ｍ，地下水位高度约６ ｍ。 盾泥流出，使盾体周圈地层与盾体之间形成完整的 衡盾泥包裹体，密封土仓后部泄气通道，将形成一 个相对密闭空间 。 ４“衡盾泥”技术原理分析 利用“衡盾泥”材料自身的承载能力、自稳性、 抗流失性和气密性，通过向土仓内注入“衡盾泥”填 充并置换刀盘前方及土仓渣土，在盾构机刀盘前和 ５．３土仓内浆渣置换 （１）确定土仓保压值 土仓保压值应根据修正后的刀盘中心点位置 静止水土压力确定。 Ｐ ＝ Ｐｏ 盾体外侧形成具有一定厚度的泥墙密封，以此来建 立带压开仓作业的稳定气压条件，达到带压开仓作 业保气稳定地层的目的卜 。 Ｐ０＝ｋｏ ＋ｙ０ｈ 式中，Ｐ 为土仓保压值（修正后的刀盘中心点位置 静止水土压力）； 为静止土压力修正值，ｋ ＝１．１～ １．３；Ｐ。为刀盘中心点处静止土压力；ｋ。为为静止土 ５“衡盾泥’’辅助带压开仓技术 ５．１衡盾泥拌制 衡盾泥分为Ａ液和Ｂ液两种（Ａ粉和Ｂ液由厂 压力系数，ｋ。：１一ｓｉｎ ， 为土体内摩擦角。 （２）利用衡盾泥渣土置换 在土仓稳压条件下进行衡盾泥置换渣土，采用 配置好的衡盾泥进行初次渣土置换。利用同步注 浆系统由土仓壁搞点位（人仓口）平衡球阀注入衡 盾泥，土仓压力控制在设定值（本次Ｉ．５ ｂａｒ高于正 常掘进压力０．１～０．４ ｂａｒ），螺旋机排渣，压力波动 范围控制在±０．１ ｂａｒ，注入过程应缓慢转动刀盘， 转速为０．２～０．３ ｒ／ｍｉｎ，确保土仓内渣土顺利排出， 家提供），Ａ液在地面搅拌后运入隧道，再与Ｂ液混 合，具体分为以下３步。 （１）衡盾泥Ａ液配置 衡盾泥Ａ液配比为：根据厂家提供参数及现场 试验衡盾泥Ａ粉：水质量比：ｌ：２，利用高速剪切泵进 行搅拌，每次搅拌２ ｍ ， 需进行充分搅拌（通过 检查Ａ液中是否存在团 装颗粒判断），如图１ 所示。 但刀盘不易全环转动，防止衡盾泥与渣土混合导致 置换不完全。渣土置换需做好泵送量与出渣量统 计，保证排渣量与注入量平衡。直至螺旋机口排出 图１ Ａ液拌制照片 渣土全部为衡盾泥后停 止置换，同时对比注入 衡盾泥用量与排出渣土 数量对比分析是否已将 （２）衡盾泥Ａ液运输 注浆罐。 （３）衡盾泥混合 通过砂浆车运送至隧道内泵送至盾构机同步 衡盾泥Ａ液与Ｂ液配比为１５：ｌ（质量比），在盾 渣土置换干净，如图３ 所示。 图３螺旋机口排出净衡盾泥 ６１ 构机砂浆罐采用滴漏法进行搅拌混合，每次２ ｍ’，使 ｏ５１ 铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１７《・隧道／地下工程・ 保压时间范围内保证空压机泄气量不大于１０％，通 过记录空压机加卸载时问判断泄气量。 ５．６带压进仓准备工作及进仓作业 ５．４土仓逐级补浆加压 土仓土体被置换为 衡盾泥后，补充衡盾泥保持土仓内土压稳定在置换渣 土的设定值，动态稳定２ ｈ后，开始进行分级加压。 分级加压一般分３～５级加压，每级加压０．２ ｂａｒ。 （１）开仓前通风和气体检测 一 利用盾构机原有人仓保压系统管路，输入新鲜 且每级加压要求为土压保持动态稳定３～４ ｈ，才能 认为该加压成功，否则应查找问题，重新加压。前３ 压缩空气，通过人仓平衡阀排气，在排气口采用专 用气体检测仪，检查仓内排出气体中有害气体含量 指标值，若检查气体合格，方可组织下一步进仓作 业；若检查出仓内有害气体超标，则继续进行循环 换气，重新检查气体各项指标直至满足要求后再进 入下一步工作。或者活体动物（鸽子）试验进行气 级加压过程可以保持刀盘不转动，避免刀盘转动时 扰动掌子面，影响后续施工。 在最后两级加压过程需完成前盾后退，在土仓 注入衡盾泥动态稳压条件下，缓慢回收掘进油缸 （每次１ ｃｍ左右全环收回），铰接油缸保持回收状 态，此过程保压注入衡盾泥位置选择土仓壁３、９点 位实施，有利于盾构机均匀后退，反复循环推进油 体检测，合格后方可进行施工，并按照要求做好记 录。检测标准参照表１ …。 表１气体检测标准 气体种类 Ｏ２ ＣＨ４ ＣＯ２ 缸回收动作，直至盾构机整体回收８—１０ ｅｍ，同时 保证土仓能保持动态稳压。在最后一级加压时，需 动态稳定在１２ ｈ以上。此过程可转动刀盘，使盾构 容许最高浓度 １９．５％～２３％ ≤１％ ≤９ ０００ ｍｇ／ｍ３ 刀盘前方充分填充均匀的衡盾泥。 整过过程密切关注地表监测数据，如发现地面 隆起现象，减少分级加压级数提前进行盾构机后退 操作。 ５．５气体置换衡盾泥 ＣＯ ≤０．ｏｏ２ ４％ 氮氧化物 ＳＯ２ Ｈ２Ｓ ５ ｍｇ／ｍ ５ ｍｓ／ｍ １０ ｍｇ／ｍ ＮＨ３ ３０ ＩＴＩｇ／ｍ 采用压缩气体置换衡盾泥之前，停止注人衡 盾泥，使分级加压土仓压力在周边土仓中释放应 （２）进仓作业 “ 一力自然降压，当土仓压力降至略高于进仓压力设 定值时，开启自动保压系统进行气换浆。如果自 然降压过程中长时问（６ ｈ以上）土仓压力无明显 变化（０．２ ｂａｒ以内），开始螺旋机排土缓慢降压至 设定进仓压力值。降压过程中密切观察泄压时问 并做好详细记录。 自动保压系统在设定压力下开始正常工作后，进 切进仓准备工作完成后，带压进仓作业的相关 要求按照相关规范和标准执行，与常规带压进仓相关 相同完成仓内作业任务（检查和更换刀具、清理仓内 及刀盘泥饼等）。掌子面泥墙形成效果见图４。 行螺旋机口排渣换气，并应注意进气量与排泥量相匹 配，保证土仓压力稳定在设定压力值（４－０．１ ｂａｒ）。 此过程分两步完成：第一步将土仓渣土降至自动保 压系统供气口下３０ ｃｍ左右（出泥方量约５方），稳 ａ．刀盘前方衡盾泥 一 ｂ．刀箱衡盾泥 ｃ．土仓内衡盾泥 压观察土仓压力变化情况，若土仓压力能稳定保持 在设定值２ ｈ以上；第二步换气至３、９点进仓工作 面位置，通过土仓壁预留孔进行排气检查仓内液 面。若出现螺旋机排土不畅，可关闭螺旋机保压条 件下转动刀盘（０．５ ｒ／ｍｉｎ），扰动土仓内衡盾泥，增 强土仓内泥渣的流动性能，方便螺旋机顺利排土。 ６２ 图４掌子面泥墙形成效果 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ｃｏＮｓＴＲＵｃＴｉｏＮ ＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ ２０１ ７（Ｏ５１ ・隧道／地下工程・ ６ 结束语 ［Ｊ］．工程技术，２０１６（７）：１９—２２． ［４］钟长平，竺维彬，邱小佩，等．盾构施工“衡盾泥”辅助 通过２次富水砂层“衡盾泥”辅助带压开仓的 新工法研究［Ｊ］．现代隧道技术，２０１６（３）：４５—４９． 成功实施，证明了衡盾泥材料能在该地层条件下形 ［５］ 张莎莎，戴志仁，白云．盾构隧道同步注浆浆液压力分布 成密封土仓空间来维持掌子面稳定；同时，鉴于“衡 规律模型试验研究［Ｊ］．中国铁道科学，２０１５（５）：３６—４０． 盾泥”具有的保气效果及作业环境条件，可随时在 ［６］ 周冠南．土压平衡盾构螺旋输送机排土及保压作用分 区间任何位置进行带压开仓作业，可有效应对盾构 析［Ｊ］．隧道建设，２０１２（３）：２３—２６． 施工中随时应急的风险；最后，“衡盾泥”泥墙可在 ［７］ 张佳兴，刘金祥．大直径土压平衡盾构全土压模式掘 进探析［Ｊ］．建筑机械化，２０１４（４）：３１—３５． 不同埋深压力作用下保持地层气密性能，在复合地 ［８］ 李志军，高波，王光伟．土压平衡盾构在复合地层中带压 层土压平衡盾构施工中适用范围广。在安全、质 进仓施工技术［Ｊ］．都市快轨交通，０２１４（５）：２６—３０． 量、工期可控的条件下，借助“衡盾泥”辅助带压开 ［９］ 孟海峰，苏清贵，翟志国．大直径泥水盾构带压进仓地层 仓，可有效提高盾构施工工效，保证盾构施工安全。 加固及保压技术［Ｊ］．中国工程科学，０２１０（１２）：６８—７１． 参考文献 ［１０］吴刘远见，温晓虎，邱昭润，等．地铁施工盾构机开仓 气体安全检测分析［Ｊ］．中全生产科学技术，２０１０ ［１］邓彬，顾小芳．上软下硬地层盾构施工技术研究［Ｊ］． （２）：２９—３２． 现代隧道技术，２０１２（２）：３５—３８． ［１１］卢翔．大直径泥水盾构在软硬不均地层中带压换刀的 ［２］ 陈建福．盾构机穿越海底复杂地层带压进仓孤石处理 方法［Ｊ］．城市建筑，２０１３（２４）：８５—８９． 技术探析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（８）：３５—３９． ［１２］缪忠尚，黄雷．ＮＦＭ盾构机带压开舱换刀技术［Ｊ］．现 ［３］刘涛．浅谈衡盾泥泥膜护壁气压开仓换刀施工技术 代隧道技术，２０１２（２）：７８—８１． （上接第４０页） 数敏感性分析［Ｊ］．铁道建筑，２０１６（５）：６２—６６． （１）上横梁采用托架施工比落地支架施工具有 ［３］刘昀，颜东煌，涂光亚．大跨度斜拉桥桥塔下横梁安全 施工工期短，投人材料、设备少，高空作业量小，易 施工方案研究［Ｊ］．中外公路，２０１４（５）：１０５—１０９． 于进行托架预压，技术难度相对较低等优点。 ［４］ 徐艳，嵇冬冰，王瑞龙．Ｈ型斜拉桥桥塔横桥向结构抗震 （２）通过调整体外索的张拉力和横向支撑的顶 设计与分析［Ｊ］．土木建筑与环境工程，０２１４（６）：１—７． 推力，减小施工中托架在桥塔支撑点处产生推力和 ［５］ 张德致，张敏，代皓，等．黄冈公铁两用长江大桥桥塔 上横梁施工技术［Ｊ］．桥梁建设，２０１３（３）：５—１０． 弯矩的不利影响，削弱“倒八字”型斜拉索张拉产生 ［６］ 雷春煦．大跨度高低墩斜拉桥地震响应特性研究 的向线路中线方向水平力，从而对桥塔的变形和内 ［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１５：３—１０． 力实施控制，确保托架满足上横梁施工要求。 ［７］ 李俊杰．顶桁架走行系统牵索挂篮在“倒八字”斜拉 （３）通过对托架结构的有限元分析，可知本桥设 桥悬臂主梁施工中的应用研究［Ｊ］．铁道建筑技术， 计的托架结构受力满足施工要求。稳定分析的临界荷 ２０１６（７）：６８—７１． 载系数为８．１２，屈曲模态为侧向屈曲，满足规范要求。 ［８］ 杨晋文．斜拉桥施工过程桥塔无索区梁段受力分析 （４）按照表３中提供的横向支撑的顶推力和体外 ［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（７）：７７—８１． 索的张拉力进行施工，桥塔砼最大压应力为４．２ ｌＶＩＰａ， ［９］ 常志军．南宁大冲邕江特大桥北岸索塔上横梁施工技 横撑处单侧塔柱向线路内最大位移为５．６ ｒａｉｎ，单根横 术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（Ｓ１）：６５—６９． ［１０］秦大燕，陈林．红水河特大桥主塔下横梁支架预压方 撑钢管压应力最大值为６２．３ ＭＰａ，满足施工要求。 案设计［Ｊ］．西部交通科技，２０１６（７）：８７—８９． 参考文献 ［１１］葛俊颖．桥梁工程软件ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ使用指南［Ｍ］．北 京：人民交通出版社，２０１３：１０４—１１０． ［１］ 李顺军．跨南淝河斜拉桥超宽幅主梁施工技术［Ｊ］． ［１２］中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监 铁道建筑技术，２０１６（３）：８７—９１． 督检验检疫总局．ＧＢ ５００１７—２００３ 钢结构设计规范 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