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摘要：文章依托南昌地铁1号线5标段盾构工程，针对该地区上软下硬地层渗透性大、水量大和稳定性差的特点，对带压开舱过程中掌子面的止水和稳定性等关键问题的解决措施进行了总结，这对今后南昌地区的地铁施工有重要的指导意义。
关键词：上软下硬地层；土压平衡盾构；带压开舱
中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）03-0116-02
1 概述
在盾构过程中，由于受到盾构掘进距离的增加和地质异常情况的影响，刀盘上的刀具可能会出现磨损或刀盘出现结泥饼等异常情况，这就不可避免需要开舱更换刀具或清除泥饼。在掌子面稳定，地下水较小的情况下一般可以采用常压开舱。而在掌子面稳定性较差，地下水量较大的情况下则需要采用带压开舱。带压开舱作业存在很大的风险，容易造成掌子面失稳和地表坍塌，特别是在城市闹市区带压开舱作业，一旦失败将带来灾难性的后果。目前国内外对带压开舱技术进行一定的研究。郭家庆总结了确保砂卵石地层自稳性和提高砂卵石地层气密性的带压进舱作业的技术要点和作业方法。缪忠尚针对NFM上平衡盾构机的没备情况，总结开舱前的准备作和带压开舱换刀作业的整个实施流程及相关技术要点。王海涛总结了无水砂卵石地层中带压开舱检修刀具的施工技术。施笋总结了选择加压开舱技术的理由，提出加压开舱的气压、泥膜和人员等为控制重点要素，并论述了加压开舱的原理和工作流程。本文依托南昌地铁1号线5标段盾构施工，对上软下硬地层带压开舱施工技术进行了总结分析。
2 工程概况
南昌地铁1号线5标段中山西路站～子固路站盾构区间上行线起止里程为SK13+016.072～SK13+681.556，上行线隧道长665.484m，区间下行线起止里程为XK13+016.072～XK13+681.553，下行线隧道长667.44m（含长链1.959m），全长1332.924m。区间共设置一处联络通道兼废水泵房，中心里程为SK13+289.663和XK13+287.982。
根据勘察资料，盾构机停机处的地层类型从上至下依次是杂填土、粉质粘土、圆粒、粒砂、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。停机处盾构掌子面的地层为上软下硬地层，上部为粒砂，下部为强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。该处孔隙水主要为潜水，局部为承压，主要赋存于冲积砂砾石层中，水位埋深6.5～8.14m；碎屑岩类裂隙、溶隙水主要赋存于破碎的粉砂质泥岩层中，渗透系数较小。从上可知：南昌地区上软下硬地层的上部粒砂地层具有渗透性大、水量大和稳定性的特点。
3 准备工作
带压进舱就是利用某种浆液封闭掌子面土体的孔隙和周边的空隙，将盾构土舱形成一个密封的大容器，土舱内装满土体，保证大容器侧壁的稳定，但为了人能进人土舱工作，需排除一部分土体以提供操作的空间，这样势必造成侧壁的土压和水压不平衡，通过补充气压来维持侧壁的稳定。
3.1 土舱压力设定计算
本次开舱换刀地层为透水性地层，可采用水土分算，带压换刀气压可按下式计算：
P下限=k·max（γ·h，e1）
式中：
P下限—土舱气压设定值（kPa）
k—安全系数，一般K>1
γ水·h水—空舱底部水压（刀盘中心位置）
e侧—空舱底部土层侧压力
在盾构机停机处地下水位基本在隧道顶部6.0m。根据计算空舱底部水压在0.9bar。在保证安全前提下，气压值越小越好。从以往施工经验来看，由于开挖面地层脱水和较小的刀盘开口率，加之土层加固使其前方土体自稳性提高，侧土压力可以不考虑，土舱中气压是均一的，膨润土浆液的泥塞作用保证了较好的气密性，气压在止水的同时也挡土，这也提高了开挖面土体前面的安全性。为保证进舱作业人员的人身安全，空气压力设定在1.7bar。
3.2 U型止水帷幕
为确保带压开舱的安全，采用地面静压注浆加固，注浆采用双液浆，对盾构主机区域形成一个U型止水帷幕墙，防止在开挖过程中土体中水渗入开挖面造成坍塌。静压注浆加固U型止水帷幕墙大小为：横向8m，纵向3.6m，共布置两排，梅花形布置，布孔间距0.8m，根据我标段在八八区间静压注浆施工静压经验，静压注浆扩散半径一般为0.5～0.8m，所以土体固结体加固宽度能达到1.8～2.4m。（图3）
3.3 渣土置换
采用浆液对土舱内渣土进行置换，在土舱前壁3、9点位向土舱内部注浆。共分两个阶段对土舱内渣土进行置换。
第一阶段注浆：置换注浆时，边注浆边转动螺旋出土，控制出土量，注浆过程坚持“等量替换、土压不变”的原则。注浆过程中间隔转动刀盘，用螺旋出土，一旦有浆液从螺旋出来则停止第一阶段注浆。注浆量为18方，注浆压力控制在3.5bar。
第二阶段注浆：注浆过程中每30分钟以0.5r/min转速转动刀盘10分钟；根据注浆情况螺旋适量出土，注浆量为12方，土舱压力控制在3.5bar～4.0bar左右。
置换完毕土体，观察一个小时，开始利用螺旋出土，将土舱上部压力（1号传感器）降低到1.3～1.4bar（在不转动刀盘的情况下）；关掉泡沫系统的液体球阀，只利用泡沫系统的供气管路往土舱内加气，将土舱上部压力（1号传感器）保证在1.3～1.4bar（在不转动刀盘的情况下）；继续出土，将土舱内的渣土出到土舱门下部球阀开始向外排气的状态，并且满足保压系统能够正常往土舱内部补气的位置，在此过程中，土舱压力控制在1.3～1.4bar之间，出土量约为10方；保压系统控制土舱压力在1.4bar，并且保持1.4bar压力下5小时，观察在此过程中的地层盾构的密闭性、地层水量的大小和保压系统的工作情况；在上个步骤的情况都良好的情况下，再将土舱内渣土出到2～10位置附近（出土量约为3方），并在观察1小时是否有异常情况发生。 3.4 建立泥膜
通过膨润土浆液稠度试验确定膨润土浆液的配比。带压换刀对膨润土稠度的要求是40～120s，实际制拌的膨润土稠度为90s，通过泥浆稠度仪进行测试。
加膨润土过程中应该缓慢转动刀盘并慢速掘进20cm，并开始通过刀盘前注入膨润土浆液进行渣土改良，掘进速度控制在5～10mm/min，土舱压力控制在2～2.5bar，使膨润土充分进入刀盘周围地层，形成气压保护膜。停机过程中，通过往掌子面注入膨润土溶液，使土舱压力维持在2～2.5bar。
停机后，向中盾径向孔注膨润土，注浆压力保持在2～2.5bar，确保中盾、盾尾与土体的间隙之间填舱满膨润土，以保证土舱压力稳定、防止地层漏气以及盾体不被水泥浆固结而导致盾构脱困困难。
3.5 气密性试验
试验时不要求人员进入，只进行无人压力试验，以检查主舱与辅助舱的各功能部件在试验压力下的工作情况。气密性试验按如下步骤进行：关闭主舱舱门和舱壁密封门，并关闭主舱与辅助舱之间的密封门，人闸值班员缓慢地打开进气阀，提高主舱的压力，均速加压，根据带压工作减压表设定速率，因为压差太大会导致作业人员中耳鼓膜破裂。观察主舱压力表和进气仪表的数值；打开排气阀，开始排气，为了作业安全，压力不可以再次大幅度升高，再调节进气阀和排气阀，直到达到排气过程所规定的缓慢而恒定的压力降低速度，进气流量计的流量值每人至少为0.5m?/min，以保证正常呼吸；观察主舱压力表，当主舱内部的气压降到第一级压力值时，人闸值班员通过调节排气阀和进气阀，在规定的时间内保持压力恒定。如此慢慢重复减压，直到舱内压力与外界的常压相同；人闸值班员将加压和减压试验过程中数据记录在人闸记录本上；
同样地方法进行辅助舱的压力试验，在整个试验过程中必须保证所有的过程都正常。
4 带压作业施工
4.1 带压进舱
工作人员进入辅助舱，关闭辅助舱舱门，辅助舱与人闸处通讯通过电话联系，舱内人员使用电话保持与人闸值班员保持联系，气压作业操作人员开始对人舱加压，先将辅助舱气压从0缓慢加到0.3bar后，以适应舱内工作人员咽鼓管的调压，暂定稳压5分钟，如无异常情况后，再在10分钟内（增压流量控制为0.1bar/min）将气压加到设定的气压作业压力值1.7bar。然后舱内控制人员通过开启辅助舱与主舱之间的压力平衡阀来消除两舱之间的气压差，然后打开辅助舱与主舱之间密封门，人员进入主舱；开启工作舱与主舱之间的压力平衡阀，消除两舱之间的气压差，用气体检测仪检查土舱内气体，确保无有害气体后才能进舱作业。进舱作业注意不要破坏泥膜，如果破坏，应及时调泥浆修复；要经常观察泥膜有无龟裂现象，如严重，要退出再次进行泥浆置换，形成泥膜。每组有效带压作业时间为3h左右。
4.2 减压出舱
施工完成后，作业人员对土舱及刀盘前方进行全面的检查，避免工具、杂物遗留在土舱内。确认后关闭所有预留送风口、排气口、平衡阀及舱门，关闭情况由当班机械技术人员检查，符合要求后再进行辅助舱降压，撤离出压力舱。
采用阶段减压法进行人员出舱减压，整个过程分为减压、稳压、减压、稳压、减压、稳压、减压过程。减压过程流量控制在0.05bar/min。具体减压过程：1.7～1.3bar减压过程用时5min，稳压25min；1.3～0.9bar减压过程用时5min，稳压25min；0.9～0.5bar减压过程用时5min，稳压25min；0.5～0.1bar减压过程用时5min，稳压25min，然后人员出舱。
5 结语
基于南昌地区上软下硬地层渗透性大、水量大和稳定性差的特点，得出南昌地区带压开舱成功的2个关键点，一是控制掌子面的渗水；二是保证掌子面的稳定性。针对上软下硬地层渗透性大，地下水丰富的特点，采用U止水帷幕和降水井降水相结合的方式，对掌子面的渗水进行控制。在带压开舱过程中取得了较好的效果。为了保证开舱过程掌子面的稳定性，土舱内的气压控制在1.7bar左右，并建立有效的泥膜防止土舱内气体发生泄漏。此次成功的带压开舱经验将为今后南昌地区地铁施工有很重要的指导作用。
参考文献
[1] 郭家庆，陈馈.成都地铁砂卵石地层盾构带压进舱技术[J].隧道技术，2008，28（5）：586-588.
[2] 缪忠尚，黄雷.NFM盾构机带压开舱换技术[J].现代隧道技术，2012，40（2）：99-103.
[3] 王海涛，耿富林，郭彩霞.浅谈无水砂卵石地层下土压平衡盾构机常压开舱施工[J].隧道与地下工程，2012，30（1）：95-97.
[4] 施笋.土压平衡盾构在富含水砂层中加压开舱技术[J].现代隧道技术，2013，50（1）：154-160.
[5] 马云新.复合地层盾构施工中的压气开舱技术[J].建筑机械化，2010，31（6）：61-63.
关键词：上软下硬地层；土压平衡盾构；带压开舱
中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）03-0116-02
1 概述
在盾构过程中，由于受到盾构掘进距离的增加和地质异常情况的影响，刀盘上的刀具可能会出现磨损或刀盘出现结泥饼等异常情况，这就不可避免需要开舱更换刀具或清除泥饼。在掌子面稳定，地下水较小的情况下一般可以采用常压开舱。而在掌子面稳定性较差，地下水量较大的情况下则需要采用带压开舱。带压开舱作业存在很大的风险，容易造成掌子面失稳和地表坍塌，特别是在城市闹市区带压开舱作业，一旦失败将带来灾难性的后果。目前国内外对带压开舱技术进行一定的研究。郭家庆总结了确保砂卵石地层自稳性和提高砂卵石地层气密性的带压进舱作业的技术要点和作业方法。缪忠尚针对NFM上平衡盾构机的没备情况，总结开舱前的准备作和带压开舱换刀作业的整个实施流程及相关技术要点。王海涛总结了无水砂卵石地层中带压开舱检修刀具的施工技术。施笋总结了选择加压开舱技术的理由，提出加压开舱的气压、泥膜和人员等为控制重点要素，并论述了加压开舱的原理和工作流程。本文依托南昌地铁1号线5标段盾构施工，对上软下硬地层带压开舱施工技术进行了总结分析。
2 工程概况
南昌地铁1号线5标段中山西路站～子固路站盾构区间上行线起止里程为SK13+016.072～SK13+681.556，上行线隧道长665.484m，区间下行线起止里程为XK13+016.072～XK13+681.553，下行线隧道长667.44m（含长链1.959m），全长1332.924m。区间共设置一处联络通道兼废水泵房，中心里程为SK13+289.663和XK13+287.982。
根据勘察资料，盾构机停机处的地层类型从上至下依次是杂填土、粉质粘土、圆粒、粒砂、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。停机处盾构掌子面的地层为上软下硬地层，上部为粒砂，下部为强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。该处孔隙水主要为潜水，局部为承压，主要赋存于冲积砂砾石层中，水位埋深6.5～8.14m；碎屑岩类裂隙、溶隙水主要赋存于破碎的粉砂质泥岩层中，渗透系数较小。从上可知：南昌地区上软下硬地层的上部粒砂地层具有渗透性大、水量大和稳定性的特点。
3 准备工作
带压进舱就是利用某种浆液封闭掌子面土体的孔隙和周边的空隙，将盾构土舱形成一个密封的大容器，土舱内装满土体，保证大容器侧壁的稳定，但为了人能进人土舱工作，需排除一部分土体以提供操作的空间，这样势必造成侧壁的土压和水压不平衡，通过补充气压来维持侧壁的稳定。
3.1 土舱压力设定计算
本次开舱换刀地层为透水性地层，可采用水土分算，带压换刀气压可按下式计算：
P下限=k·max（γ·h，e1）
式中：
P下限—土舱气压设定值（kPa）
k—安全系数，一般K>1
γ水·h水—空舱底部水压（刀盘中心位置）
e侧—空舱底部土层侧压力
在盾构机停机处地下水位基本在隧道顶部6.0m。根据计算空舱底部水压在0.9bar。在保证安全前提下，气压值越小越好。从以往施工经验来看，由于开挖面地层脱水和较小的刀盘开口率，加之土层加固使其前方土体自稳性提高，侧土压力可以不考虑，土舱中气压是均一的，膨润土浆液的泥塞作用保证了较好的气密性，气压在止水的同时也挡土，这也提高了开挖面土体前面的安全性。为保证进舱作业人员的人身安全，空气压力设定在1.7bar。
3.2 U型止水帷幕
为确保带压开舱的安全，采用地面静压注浆加固，注浆采用双液浆，对盾构主机区域形成一个U型止水帷幕墙，防止在开挖过程中土体中水渗入开挖面造成坍塌。静压注浆加固U型止水帷幕墙大小为：横向8m，纵向3.6m，共布置两排，梅花形布置，布孔间距0.8m，根据我标段在八八区间静压注浆施工静压经验，静压注浆扩散半径一般为0.5～0.8m，所以土体固结体加固宽度能达到1.8～2.4m。（图3）
3.3 渣土置换
采用浆液对土舱内渣土进行置换，在土舱前壁3、9点位向土舱内部注浆。共分两个阶段对土舱内渣土进行置换。
第一阶段注浆：置换注浆时，边注浆边转动螺旋出土，控制出土量，注浆过程坚持“等量替换、土压不变”的原则。注浆过程中间隔转动刀盘，用螺旋出土，一旦有浆液从螺旋出来则停止第一阶段注浆。注浆量为18方，注浆压力控制在3.5bar。
第二阶段注浆：注浆过程中每30分钟以0.5r/min转速转动刀盘10分钟；根据注浆情况螺旋适量出土，注浆量为12方，土舱压力控制在3.5bar～4.0bar左右。
置换完毕土体，观察一个小时，开始利用螺旋出土，将土舱上部压力（1号传感器）降低到1.3～1.4bar（在不转动刀盘的情况下）；关掉泡沫系统的液体球阀，只利用泡沫系统的供气管路往土舱内加气，将土舱上部压力（1号传感器）保证在1.3～1.4bar（在不转动刀盘的情况下）；继续出土，将土舱内的渣土出到土舱门下部球阀开始向外排气的状态，并且满足保压系统能够正常往土舱内部补气的位置，在此过程中，土舱压力控制在1.3～1.4bar之间，出土量约为10方；保压系统控制土舱压力在1.4bar，并且保持1.4bar压力下5小时，观察在此过程中的地层盾构的密闭性、地层水量的大小和保压系统的工作情况；在上个步骤的情况都良好的情况下，再将土舱内渣土出到2～10位置附近（出土量约为3方），并在观察1小时是否有异常情况发生。 3.4 建立泥膜
通过膨润土浆液稠度试验确定膨润土浆液的配比。带压换刀对膨润土稠度的要求是40～120s，实际制拌的膨润土稠度为90s，通过泥浆稠度仪进行测试。
加膨润土过程中应该缓慢转动刀盘并慢速掘进20cm，并开始通过刀盘前注入膨润土浆液进行渣土改良，掘进速度控制在5～10mm/min，土舱压力控制在2～2.5bar，使膨润土充分进入刀盘周围地层，形成气压保护膜。停机过程中，通过往掌子面注入膨润土溶液，使土舱压力维持在2～2.5bar。
停机后，向中盾径向孔注膨润土，注浆压力保持在2～2.5bar，确保中盾、盾尾与土体的间隙之间填舱满膨润土，以保证土舱压力稳定、防止地层漏气以及盾体不被水泥浆固结而导致盾构脱困困难。
3.5 气密性试验
试验时不要求人员进入，只进行无人压力试验，以检查主舱与辅助舱的各功能部件在试验压力下的工作情况。气密性试验按如下步骤进行：关闭主舱舱门和舱壁密封门，并关闭主舱与辅助舱之间的密封门，人闸值班员缓慢地打开进气阀，提高主舱的压力，均速加压，根据带压工作减压表设定速率，因为压差太大会导致作业人员中耳鼓膜破裂。观察主舱压力表和进气仪表的数值；打开排气阀，开始排气，为了作业安全，压力不可以再次大幅度升高，再调节进气阀和排气阀，直到达到排气过程所规定的缓慢而恒定的压力降低速度，进气流量计的流量值每人至少为0.5m?/min，以保证正常呼吸；观察主舱压力表，当主舱内部的气压降到第一级压力值时，人闸值班员通过调节排气阀和进气阀，在规定的时间内保持压力恒定。如此慢慢重复减压，直到舱内压力与外界的常压相同；人闸值班员将加压和减压试验过程中数据记录在人闸记录本上；
同样地方法进行辅助舱的压力试验，在整个试验过程中必须保证所有的过程都正常。
4 带压作业施工
4.1 带压进舱
工作人员进入辅助舱，关闭辅助舱舱门，辅助舱与人闸处通讯通过电话联系，舱内人员使用电话保持与人闸值班员保持联系，气压作业操作人员开始对人舱加压，先将辅助舱气压从0缓慢加到0.3bar后，以适应舱内工作人员咽鼓管的调压，暂定稳压5分钟，如无异常情况后，再在10分钟内（增压流量控制为0.1bar/min）将气压加到设定的气压作业压力值1.7bar。然后舱内控制人员通过开启辅助舱与主舱之间的压力平衡阀来消除两舱之间的气压差，然后打开辅助舱与主舱之间密封门，人员进入主舱；开启工作舱与主舱之间的压力平衡阀，消除两舱之间的气压差，用气体检测仪检查土舱内气体，确保无有害气体后才能进舱作业。进舱作业注意不要破坏泥膜，如果破坏，应及时调泥浆修复；要经常观察泥膜有无龟裂现象，如严重，要退出再次进行泥浆置换，形成泥膜。每组有效带压作业时间为3h左右。
4.2 减压出舱
施工完成后，作业人员对土舱及刀盘前方进行全面的检查，避免工具、杂物遗留在土舱内。确认后关闭所有预留送风口、排气口、平衡阀及舱门，关闭情况由当班机械技术人员检查，符合要求后再进行辅助舱降压，撤离出压力舱。
采用阶段减压法进行人员出舱减压，整个过程分为减压、稳压、减压、稳压、减压、稳压、减压过程。减压过程流量控制在0.05bar/min。具体减压过程：1.7～1.3bar减压过程用时5min，稳压25min；1.3～0.9bar减压过程用时5min，稳压25min；0.9～0.5bar减压过程用时5min，稳压25min；0.5～0.1bar减压过程用时5min，稳压25min，然后人员出舱。
5 结语
基于南昌地区上软下硬地层渗透性大、水量大和稳定性差的特点，得出南昌地区带压开舱成功的2个关键点，一是控制掌子面的渗水；二是保证掌子面的稳定性。针对上软下硬地层渗透性大，地下水丰富的特点，采用U止水帷幕和降水井降水相结合的方式，对掌子面的渗水进行控制。在带压开舱过程中取得了较好的效果。为了保证开舱过程掌子面的稳定性，土舱内的气压控制在1.7bar左右，并建立有效的泥膜防止土舱内气体发生泄漏。此次成功的带压开舱经验将为今后南昌地区地铁施工有很重要的指导作用。
参考文献
[1] 郭家庆，陈馈.成都地铁砂卵石地层盾构带压进舱技术[J].隧道技术，2008，28（5）：586-588.
[2] 缪忠尚，黄雷.NFM盾构机带压开舱换技术[J].现代隧道技术，2012，40（2）：99-103.
[3] 王海涛，耿富林，郭彩霞.浅谈无水砂卵石地层下土压平衡盾构机常压开舱施工[J].隧道与地下工程，2012，30（1）：95-97.
[4] 施笋.土压平衡盾构在富含水砂层中加压开舱技术[J].现代隧道技术，2013，50（1）：154-160.
[5] 马云新.复合地层盾构施工中的压气开舱技术[J].建筑机械化，2010，31（6）：61-63.