南昌地铁过江盾构隧道上软下硬复合地层带压进舱技术

2022-09-11

引言

南昌地铁过赣江上软下硬地层, 下部的泥质粉砂岩地层在切削过程中由于粘度较高容易造成刀盘结泥饼的现象, 需要带压进仓利用高压水枪进行人工清理刀盘, 但是由于上部为砂、圆砾, 地层稳定性较差、且隧道埋深较浅, 同时在过江段高水压情况下, 没有常压进仓的条件, 在常压下不能实现人工清理。为了保障刀盘正常运转, 需要在带压的环境下进行刀盘的清理工作。

1 工程概况

南昌地铁过江区间隧道全长1889m, 上软下硬复合地层长度为1150m, 左右线各采用一台泥水加压平衡盾构机施工。盾构刀盘外径为φ6.28m, 衬砌内径空为φ5.4m。盾构机由秋水广场地铁站始发, 终点站为中山西路站。

秋水广场站~中山西路站区间基本上呈西北~东南走向, 地处赣抚冲积平原之西部, 地貌单元为赣江冲积平原一级阶地与河漫滩交接地段、河漫滩及赣江河床。后经回填改造成现地貌。河流东岸防洪堤顶面高程约26.0m, 堤顶宽约35.0m, 堤底宽50m, 防洪堤迎水面为块石护坡, 坡度45°, 块石最大直径可达100cm以上, 堤高约5m。堤防外侧地势较为平缓, 地面高程在19.0~21.0m左右。河流西岸防洪堤顶面高程约22.00m, 堤外侧红谷滩技术开发区, 地势较平缓, 地面高程在19.00m左右穿越中段河床范围地面高程在6.40~15.90m之间, 局部因采砂高低不平, 高差约10.00m, 地势变化较大。总体河床标高北西高, 南东低, 赣江河道中间局部分布江心滩, 滩顶标高12.00~15.20米。平水季节及枯水季节心滩露出地面, 丰水季节江心滩处水面之下。盾构隧道穿越的地层为:砂土、砂卵石、泥质粉砂岩。

2 带压进舱准备工作

2.1 技术准备

在带压作业前, 制定详细可靠的技术方案、安全专项方案、应急预案、技术交底、安全交底。要求每位进舱人员以及操舱人员详细阅读技术交底和安全交底, 并严格按照方案、交底内容执行。

2.2 进仓专业人员准备

盾构机带压进舱作业的风险较大, 需要进入舱内的作业人员必须是经过专业机构培训并考核合格取得高压氧舱操作资格证后方可以进舱作业。本项目带压进仓作业以聘请武汉海军工程大学专业操舱人员为主, 项目的操作人员为辅。成立专门的领导指挥小组和应急处理小组, 包括现场指挥协调人员, 应急处理人员和专业的医生。

2.3 设备准备

盾构自带2台的电动空气压缩机, 在掘进时提供气垫舱压力调节, 带压进舱时为舱内提供平衡压力, 并为舱内补充新鲜空气, 气压的供给和调整通过一套自动调节系统进行自动控制。另外项目上专项购买了大功率应急发电机, 为带压进仓提供备用气源。工具准备如下表:

2.4 进舱压力和掌子面液位确定

开仓前进行现场调查, 确定盾构机机舱的标高, 再实际测出赣江江面标高, 计算出水压力值。再根据本次开舱位置的地质条件、土体埋深, 最终计算得出本次开仓位置刀盘顶部理论水土压力值以及其他部位的侧向压力作为进舱压力的参考值, 此次进舱的工作压力由停机后掌子面的压力来确定。掌子面液位的确定从稳定掌子面和减小进舱工作压力以及便于冲洗刀盘角度出发, 液位一般选择在掌子面的50℅.

3 带压进舱流程

4 带压进舱前的地层处理

4.1 地表加固

可在地表选择合适地点进行注浆, 稳定土体, 在盾构掘进至此位置时进行带压冲洗刀盘。但是由于本标段大多处于江底, 没有条件进行地表加固处理, 所以对地层进行加固主要是依靠以下几种方法。

4.2 加大同步注浆

在复合地层段, 透水性较强, 带压进仓前要保证带压进舱过程中气密性良好, 在预计停机的位置, 提前10m加大同步注浆量, 对透水地层进行封闭, 达到封堵的气体从盾尾的尾端, 管片背后溢出的效果。根据地层的稳定性和渗透性, 注浆量加大至理论注浆量的2倍左右, 但是需要注意注浆压力与掌子面泥水压力的匹配。

4.3 中盾注浆

中盾注浆, 采用高浓度泥浆, 在中盾位置预留的6个注油脂孔口向盾壳背后注入。浆液配比由试验室根据现场材料进行调配, 对经验配合比进行优化设计。浆液实际配合比:膨润土:Ⅱ型制浆剂 (堵漏剂) :水=310kg:160kg:1000kg (质量比) 。泥浆比重控制在1.35以上。注浆时, 采用间隔跳孔注浆的工艺, 为了保证浆液能注入, 注浆压力大于刀盘舱对应位置的压力0.02MPa左右。一旦气垫舱液位出现上升现象, 该孔位注浆停止, 转移到另一孔位继续注浆施工。

4.4 制作泥膜

采用置换高浓度泥浆做为泥膜。控制泥浆的质量是保证泥膜质量的关键。根据现场经验, 在拌制高黏度泥浆时, 一般适量添加Ⅱ型制浆剂 (堵漏剂) 。根据盾构直径计算, 泥浆总量为32m3。试验人员需进行配合比适配试验, 主要指标:泥浆黏度90~100s, 比重1.05~1.08。施工方法:将新拌制的高黏度泥浆从洞外场地内新浆池通过盾构机配套的泥浆管输送到拖车上的砂浆储存罐中。然后将气垫舱的液位降至一半, 保持开挖舱中间压力不变。此时将2根同步注浆管连接在前盾中部的2个注浆口上, 使用同步注浆泵向开挖舱注入高黏度泥浆。当气垫舱的液位达到70%~75%时, 立即采用盾构的排浆管缓慢进行排浆, 速度不能过快, 逐渐的降低液位。待气垫舱液位降至50%左右时, 继续按照第一次注浆的步骤向开挖舱内注入新浆, 直至将32m3高黏度新浆置换完成, 为下一步形成泥膜奠定基础。

泥浆置换结束后, 操作司机到位, 首先转动刀盘, 搅拌前方泥浆。为了保证泥膜质量, 根据经验刀盘转速1转/min作为控制值, 刀盘转动次数设置在8转左右。

保压值以开挖舱中心起始压力为准, 结合现场实际各种条件压力定为1.6bar, 每隔一段时间逐渐提高压力, 为了保证效果, 间隔定为40min, 每次提高压力定为0.1bar, 经过14个循环, 达到终压2.0bar时立刻开始保压, 液位不变, 仍控制在舱体一半。稳定压力2小时, 促使刀盘舱内的新注入的高黏度泥浆充分渗入到透水的地层中, 形成优质的泥膜, 以防止漏气的目的。

5 带压进舱

按照经过专家论证并审批的专项施工方案及安全技术交底, 专业人员操舱, 同时专业潜水人员进行配合, 作业人员进入舱内后, 进行身体适应性检查, 然后进行进行刀盘清洗、故障排除等作业。为保证安全, 进舱人数严格控制在3人, 考虑高压环境下, 体力消耗快, 带压工作时间控制在不超过90分钟。作业人员完成本班作业时由专业操舱人员通知出舱, 并严格按照国家潜水规范要求对出仓人员进行减压出舱。

带压进场作业程序如下图:

在完成既定工作目的后, 由最后一组作业人员将舱内所有物品和工具带出气垫舱和开挖舱, 派专人进行检查、清点, 确认无误后方可关闭气垫舱和开挖舱之间的门, 关闭人舱和气垫舱之间的门, 人员减压出舱。

6 安全保证措施及注意事项

进舱人员按照培训知识注意自我保护, 舱内工作环境比较差, 作业人员遇见突发事件要保持镇定。舱外人员和主机室人员要随时观察开挖舱压力、液位的变化情况, 如有变化, 及时通知现场指挥人员, 液位上涨较快时, 及时通知作业人员全部撤离气垫舱。如遇突发情况, 所有人员第一时间撤回人员舱内, 立即关闭气垫舱门。严禁携带与作业无关的物品进舱。人员在气垫舱内作业时, 必须保证泥浆系统关闭并锁住。必须准备好紧急医疗救治药品。盾构供水、供电、盾构上的空压机、和照明系统及备用空压机应处于良好工作状态。安质部必须全程监控, 及时发现不安全隐患。开舱作业过程中严禁明火和火种进入作业面。作业人员严禁饮酒和碳酸饮料。人员进舱后, 必须保证有一人在舱门口, 保持通信和观察掌子面情况。人员出舱必须将所有舱内物品清理干净。进舱人员在进舱作业时严禁破坏掌子面。

7 结语

本项目截止目前为止以成功带压进舱30余次, 主要依靠的是把每次进舱作业都看做是第一次进舱, 保持高度的警惕。技术要点主要有两点, 一是准确测定现场条件, 计算出准确的进舱工作压力, 即保证掌子面土体的稳定, 又要尽可能保障作业工人的身体健康。二是采用泥膜技术和中盾泥浆技术, 有效控制气体逃逸, 保持舱内压力稳定。以上两个施工工艺同样是在上软下硬地层带压进舱作业的关键技术, 可为今后的透水地层带压进仓提供借鉴。

摘要：通过南昌地铁过赣江工程盾构施工实践经验, 总结了泥水盾构在地下铁路隧道施工中, 遇到上部为砂层、圆砾、下部为中风化泥质粉砂岩的上软下硬地层条件下的换刀技术, 为今后类似工程提供借鉴。

关键词：泥水盾构,上软下硬,复合地层,进舱技术