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摘要：大直径泥水盾构在富水粉细砂层中带压开仓换刀技术复杂，风险较高，为防止气体泄露和维持开挖面土体稳定，采用分级加压和使用不同配比的高性能泥浆进行泥膜制作在开挖面形成一定强度的泥膜达到维持掌子面稳定是带压开仓及刀具检查和更换的关键。本文以广州市轨道交通十八号线工程横番1#中间风井～2#盾构井区间工程为例对泥水盾构在富水粉细砂层中带压建制泥膜技术进行阐述。
关键词：大直径泥水盾构 富水砂层 泥膜
1.工程概况
广州市轨道交通十八号线工程线路大体呈南北走向，横番1#中间风井～2#盾构井区间长度为2.83km，盾构隧道埋深19.2m～27.8m，采用开挖直径为8.84m的泥水平衡盾构施工，穿越地层主要地质为<3-2>中粗砂富水地层。按施工计划盾构施工至设计里程ZDY15+051.807停机换刀作业，换刀点地面位于庙青村大排档门前、蕉门水道河堤外侧。停机点地面至隧道顶部地层依次为：<1-2>素填土、<2-1A>淤泥、<4N-2>粉质黏土，隧道底部为<4N-2>粉质黏土。隧道拱顶埋深为24.2m，地下水深度为23m。
2. 泥膜建立技术
2.1施工前准备
为保证泥水盾构泥水仓内气体与外部的水土压力维持平衡状态，防止舱内气体泄漏、保持舱内压力稳定，在正式进行气压开仓作业前应在泥水仓开挖作业面建立形成良好优质的泥膜。为了能在强透水地层的泥水舱内建立泥膜，必须做好充分的准备工作，具体包括盾构开仓作技术准备、地层确认、作业工具，物资准备、盾构机后退，停机、盾尾渗漏通道封堵、泥水仓清洗、聚氨酯注入等工序。具体步骤如下：
（1）首先将盾构铰接油缸伸长至20～40mm。
（2）在掘进停止后，往盾尾充分注入黏度为30S～40S膨润土和盾尾油脂密封。
（3）在盾尾以从下至上，左右交叉的注浆形式连续施做5道止水环。
（4）在盾体径向孔按左上、右上、左下和右下分4个孔位注入5m?黏度为30S～40S高性能膨润土。
（5）在开仓位置地面设置加密监测点，现场储备好应急物资，做好安全警示。
（6）根据气仓压力计算公式P=Pw+Pt，考虑换刀地层地质条件和刀盘位置，代入相关参数，计算出本次带压的气仓作业压力Pw=2.7+0.2=2.9 bar
2.2 泥浆制备
泥膜建制采用新型优质的的制浆原料，该制浆材料主要是由一种经过化学特殊处理，具有易融合、粘性强、高造浆率的优质新型钠基膨润土和一种能显著提高膨润土泥浆性能指标的粉末状的聚合物降漏试剂按一定比例调和而成。两种调浆材料在泥水处理站的浆液桶内经搅拌机拌和后溶解后，利用盾构机的注浆系统从隔板底部直接注入泥水仓同时将原泥水仓内泥浆从上部排出仓外，通过小幅度转动刀盘，让泥水仓内残积的泥渣和制备的新泥浆充分融合，进行二次拌和，进一步改变泥水仓内泥浆性能指标，增大泥水仓内泥浆的比重、黏度和酸碱值，最终在盾构机泥水仓内形成高效的泥膜附着在开挖面上，工艺便捷，成本经济。
2.3加压与保高压
为保证泥浆的有效渗透量，使拌和泥浆的颗粒分子尽可能的渗入开挖面土体形成质量高，厚度大的泥膜，泥膜制作采用不同黏度性能的泥浆分梯级压力进行注入。施工过程中要安排专人做好空气压缩机启动频次的记录和分析。
当保压空气压缩机供气量不大于供气能力的10%的时候（计算公式：加载时间/（卸载时间+加载时间），开仓气压能在两个小时内无变化或不发生大的压力波动，本次保压试验满足要求。若是在气体保压过程中供气量超过供气能力50%时，说明泥水舱内可能存在泄漏路径，要查找原因采取相应措施，重新建立泥膜。
2.4加压
加压的目的就是提高泥水仓内泥浆压力以利于形成较厚的泥膜。泥水仓内压力按照梯度分级加压形式完成，根据保压数据分析和注入的泥浆粘度的提高，逐步加大泥水仓内的压力，根据高粘度高壓力的原则使泥浆能够充分渗透至土体的孔隙内，并堆积形成泥膜。 泥水仓分级梯度加压步骤如下：
（1） 泥浆粘度30s～40s，加压P1+10KPa～P1+20KPa，保压3小时。（每隔半个小时转2圈刀盘，保持泥浆均匀，P1为工作压）
（2）提高泥浆粘度至40s～50s，加压P1+20KPa～P1+40KPa，保压3小时。（每隔半个小时转2圈刀盘，保持泥浆均匀，P1为工作压）
（3） 提高泥浆粘度至>60s，加压P1+40KPa～P1+60KPa，保压3小时。（每隔半个小时转2圈刀盘，保持泥浆均匀，P1为工作压）
2.5降压
完成上述加压操作后，由高压P1+60KPa自然降压到工作压力P1，自然降压过程如少于5小时，则重复上述2.4加压程序中（1）～（3）操作过程，直至自然降压过程如超过5小时，则此时可进行人工泄压至工作压力P1。
2.6气体置换浆
通过气压方式将泥水仓的残积泥浆压出仓外形成工作压力未P1+20KPa状态下的空气仓，气压设定值为工作压力P1+20KPa。
气压稳定措施：在气压置换泥浆及气压保压时，应确保气压的稳定，气压波动控制在±10 KPa，可以通过气压自动调节系统控制或设备自带的操仓系统人工控制。
2.7保压试验
泥水仓内浆液排完之后，连续24小时保持泥水仓内P1工作压力状态。保压过程中技术人员可以通过观察空气压缩机气压变化情况、保压试验前后渣样对比分析和泥水仓对应地面地面沉降监测数据来综合判断判定舱内开挖掌子面是否稳定安全，作为带压进仓的判断依据。
保压过程中要安排技术人员认真做好单次空气压缩机加载启动时间，计算相邻两次补气启动间隔时间，做好空压机启动频次记录，若供气量小于供气能力的 10%时（加载时间/（卸载时间+加载时间）），泥水仓内气压能保持两个小时无波动变化，该次保压试验满足要求。如果保压过程中供气量大于供气能力的50%时，要查找原因采取相应措施，再重新建立泥膜。 保压期间，要求安排专人在在盾构切口环对应地面进行24小时实时动态监测，巡查刀盘切口对应地面和周边是否存在气体泄漏情况，以判定泥水仓内掌子面是否稳定。通过监测数据分析，盾构机刀盘对应地面隆起或下沉不超过30mm，可以判定泥水仓内掌子面稳定，泥膜建制成功，具备带压开仓条件。
2.8泥膜修复施工
泥膜在空气中暴露一定时间后，会因失水产生龟裂，导致漏气量增大产生不安全因素。因此，必须定期对泥膜进行修复，一般情况下根据两个标准来确定是否需要进行泥膜修复：即漏气量和暴露时间。
若在保压过程中供气量大于供气能力的 50%时（加载时间/（卸载时间+加载时间）），查找原因采取相应措施，再重新建立泥膜。因为当漏气量达到一定值时，漏气通道和漏气流速增大，从而加剧泥膜破坏，给泥膜修复带来困难。当泥膜暴露时间超过12h后，因为暴露时间长泥膜水分大量流失，泥膜显示出脆性，极易被破坏或大面积脱落，因此必须进行泥膜修复。
泥膜修复的技术与泥膜制造过程基本一致，但在修复时，一般情况下只需要单个循环的压力递增修复即可，无需进行气～浆置换。当泥膜损坏严重时，则采用气～浆置换模式进行修复。
3、结束语
大直径泥水平衡盾构在富水沙层中停机带压开仓换刀作业风险较大，泥膜成功建立是直接决定能否实施开仓作业的前提。本项目通过采用新型的化学制浆材料和梯级压力注入的施工方法成功建立泥膜保证了泥水盾构带压成功带压开仓换刀为以后类似复杂地层开仓换刀泥膜建立积累了经验。在富水砂层带压建立泥膜需要注意以下几点：
（1）泥水平衡盾构在到达预定开仓位置停机前要适当的降低掘进速度，提前收回超挖刀。
（2）制備高性能泥浆时要预留膨化时间，泥浆性能指标必须通过试验检测达到设定指标。
（3）浆气置换压力如果超过3bar以上，最佳的进仓压力为2.8～3.0bar。
参考文献
[1] 张宗喜，辛振省.复杂地层泥水盾构开仓换刀施工技术研究[J].铁道工程学报，2013（3）：62-65.
[2]吕明豪.泥水盾构在复合地层气压中开仓换刀施工.建材与装饰：上旬.2010（7）：285-287
[3] 黄学军，孟海峰.泥水盾构带压进仓气密性分析[J].西部探矿工程， 2011（07）：206-208.
[4] 吴忠善，杨钊，杨擎.超大直径泥水盾构带压进舱换刀技术研究与应用[J]. 隧道建设，2014，34（7）：673-678.
关键词：大直径泥水盾构 富水砂层 泥膜
1.工程概况
广州市轨道交通十八号线工程线路大体呈南北走向，横番1#中间风井～2#盾构井区间长度为2.83km，盾构隧道埋深19.2m～27.8m，采用开挖直径为8.84m的泥水平衡盾构施工，穿越地层主要地质为<3-2>中粗砂富水地层。按施工计划盾构施工至设计里程ZDY15+051.807停机换刀作业，换刀点地面位于庙青村大排档门前、蕉门水道河堤外侧。停机点地面至隧道顶部地层依次为：<1-2>素填土、<2-1A>淤泥、<4N-2>粉质黏土，隧道底部为<4N-2>粉质黏土。隧道拱顶埋深为24.2m，地下水深度为23m。
2. 泥膜建立技术
2.1施工前准备
为保证泥水盾构泥水仓内气体与外部的水土压力维持平衡状态，防止舱内气体泄漏、保持舱内压力稳定，在正式进行气压开仓作业前应在泥水仓开挖作业面建立形成良好优质的泥膜。为了能在强透水地层的泥水舱内建立泥膜，必须做好充分的准备工作，具体包括盾构开仓作技术准备、地层确认、作业工具，物资准备、盾构机后退，停机、盾尾渗漏通道封堵、泥水仓清洗、聚氨酯注入等工序。具体步骤如下：
（1）首先将盾构铰接油缸伸长至20～40mm。
（2）在掘进停止后，往盾尾充分注入黏度为30S～40S膨润土和盾尾油脂密封。
（3）在盾尾以从下至上，左右交叉的注浆形式连续施做5道止水环。
（4）在盾体径向孔按左上、右上、左下和右下分4个孔位注入5m?黏度为30S～40S高性能膨润土。
（5）在开仓位置地面设置加密监测点，现场储备好应急物资，做好安全警示。
（6）根据气仓压力计算公式P=Pw+Pt，考虑换刀地层地质条件和刀盘位置，代入相关参数，计算出本次带压的气仓作业压力Pw=2.7+0.2=2.9 bar
2.2 泥浆制备
泥膜建制采用新型优质的的制浆原料，该制浆材料主要是由一种经过化学特殊处理，具有易融合、粘性强、高造浆率的优质新型钠基膨润土和一种能显著提高膨润土泥浆性能指标的粉末状的聚合物降漏试剂按一定比例调和而成。两种调浆材料在泥水处理站的浆液桶内经搅拌机拌和后溶解后，利用盾构机的注浆系统从隔板底部直接注入泥水仓同时将原泥水仓内泥浆从上部排出仓外，通过小幅度转动刀盘，让泥水仓内残积的泥渣和制备的新泥浆充分融合，进行二次拌和，进一步改变泥水仓内泥浆性能指标，增大泥水仓内泥浆的比重、黏度和酸碱值，最终在盾构机泥水仓内形成高效的泥膜附着在开挖面上，工艺便捷，成本经济。
2.3加压与保高压
为保证泥浆的有效渗透量，使拌和泥浆的颗粒分子尽可能的渗入开挖面土体形成质量高，厚度大的泥膜，泥膜制作采用不同黏度性能的泥浆分梯级压力进行注入。施工过程中要安排专人做好空气压缩机启动频次的记录和分析。
当保压空气压缩机供气量不大于供气能力的10%的时候（计算公式：加载时间/（卸载时间+加载时间），开仓气压能在两个小时内无变化或不发生大的压力波动，本次保压试验满足要求。若是在气体保压过程中供气量超过供气能力50%时，说明泥水舱内可能存在泄漏路径，要查找原因采取相应措施，重新建立泥膜。
2.4加压
加压的目的就是提高泥水仓内泥浆压力以利于形成较厚的泥膜。泥水仓内压力按照梯度分级加压形式完成，根据保压数据分析和注入的泥浆粘度的提高，逐步加大泥水仓内的压力，根据高粘度高壓力的原则使泥浆能够充分渗透至土体的孔隙内，并堆积形成泥膜。 泥水仓分级梯度加压步骤如下：
（1） 泥浆粘度30s～40s，加压P1+10KPa～P1+20KPa，保压3小时。（每隔半个小时转2圈刀盘，保持泥浆均匀，P1为工作压）
（2）提高泥浆粘度至40s～50s，加压P1+20KPa～P1+40KPa，保压3小时。（每隔半个小时转2圈刀盘，保持泥浆均匀，P1为工作压）
（3） 提高泥浆粘度至>60s，加压P1+40KPa～P1+60KPa，保压3小时。（每隔半个小时转2圈刀盘，保持泥浆均匀，P1为工作压）
2.5降压
完成上述加压操作后，由高压P1+60KPa自然降压到工作压力P1，自然降压过程如少于5小时，则重复上述2.4加压程序中（1）～（3）操作过程，直至自然降压过程如超过5小时，则此时可进行人工泄压至工作压力P1。
2.6气体置换浆
通过气压方式将泥水仓的残积泥浆压出仓外形成工作压力未P1+20KPa状态下的空气仓，气压设定值为工作压力P1+20KPa。
气压稳定措施：在气压置换泥浆及气压保压时，应确保气压的稳定，气压波动控制在±10 KPa，可以通过气压自动调节系统控制或设备自带的操仓系统人工控制。
2.7保压试验
泥水仓内浆液排完之后，连续24小时保持泥水仓内P1工作压力状态。保压过程中技术人员可以通过观察空气压缩机气压变化情况、保压试验前后渣样对比分析和泥水仓对应地面地面沉降监测数据来综合判断判定舱内开挖掌子面是否稳定安全，作为带压进仓的判断依据。
保压过程中要安排技术人员认真做好单次空气压缩机加载启动时间，计算相邻两次补气启动间隔时间，做好空压机启动频次记录，若供气量小于供气能力的 10%时（加载时间/（卸载时间+加载时间）），泥水仓内气压能保持两个小时无波动变化，该次保压试验满足要求。如果保压过程中供气量大于供气能力的50%时，要查找原因采取相应措施，再重新建立泥膜。 保压期间，要求安排专人在在盾构切口环对应地面进行24小时实时动态监测，巡查刀盘切口对应地面和周边是否存在气体泄漏情况，以判定泥水仓内掌子面是否稳定。通过监测数据分析，盾构机刀盘对应地面隆起或下沉不超过30mm，可以判定泥水仓内掌子面稳定，泥膜建制成功，具备带压开仓条件。
2.8泥膜修复施工
泥膜在空气中暴露一定时间后，会因失水产生龟裂，导致漏气量增大产生不安全因素。因此，必须定期对泥膜进行修复，一般情况下根据两个标准来确定是否需要进行泥膜修复：即漏气量和暴露时间。
若在保压过程中供气量大于供气能力的 50%时（加载时间/（卸载时间+加载时间）），查找原因采取相应措施，再重新建立泥膜。因为当漏气量达到一定值时，漏气通道和漏气流速增大，从而加剧泥膜破坏，给泥膜修复带来困难。当泥膜暴露时间超过12h后，因为暴露时间长泥膜水分大量流失，泥膜显示出脆性，极易被破坏或大面积脱落，因此必须进行泥膜修复。
泥膜修复的技术与泥膜制造过程基本一致，但在修复时，一般情况下只需要单个循环的压力递增修复即可，无需进行气～浆置换。当泥膜损坏严重时，则采用气～浆置换模式进行修复。
3、结束语
大直径泥水平衡盾构在富水沙层中停机带压开仓换刀作业风险较大，泥膜成功建立是直接决定能否实施开仓作业的前提。本项目通过采用新型的化学制浆材料和梯级压力注入的施工方法成功建立泥膜保证了泥水盾构带压成功带压开仓换刀为以后类似复杂地层开仓换刀泥膜建立积累了经验。在富水砂层带压建立泥膜需要注意以下几点：
（1）泥水平衡盾构在到达预定开仓位置停机前要适当的降低掘进速度，提前收回超挖刀。
（2）制備高性能泥浆时要预留膨化时间，泥浆性能指标必须通过试验检测达到设定指标。
（3）浆气置换压力如果超过3bar以上，最佳的进仓压力为2.8～3.0bar。
参考文献
[1] 张宗喜，辛振省.复杂地层泥水盾构开仓换刀施工技术研究[J].铁道工程学报，2013（3）：62-65.
[2]吕明豪.泥水盾构在复合地层气压中开仓换刀施工.建材与装饰：上旬.2010（7）：285-287
[3] 黄学军，孟海峰.泥水盾构带压进仓气密性分析[J].西部探矿工程， 2011（07）：206-208.
[4] 吴忠善，杨钊，杨擎.超大直径泥水盾构带压进舱换刀技术研究与应用[J]. 隧道建设，2014，34（7）：673-678.