浅谈高渗透性砂层中的泥膜制作施工技术

摘要：广东地质主要为河海沉积软弱层、冲洪积层、风化残积土、沉积岩、高强度岩浆岩、地质断裂带等。在高渗透性砂层中施工，盾构机刀盘刀具磨损严重，通常无法进行常压开舱，往往需要进行泥膜气压开舱，而泥膜质量直接关系到土舱的密闭性。本文主要依据莞惠城际轨道交通工程GZH-12标工程实际，阐述了通过对砂层渗透性进行改良、高压反复制造泥膜等措施，可有效解决在高渗透性地层中气压开舱泥膜制造困难等一系列问题。

关键词：泥膜制作；气压开舱；砂层渗透性；土舱密闭性

当地质条件较好或具备改良条件时，采用常压开舱即可达到更换刀具的目的；而在高渗透性砂层需先采用封闭止水帷幕阻隔地下水后再进行地层加固，一方面需要大量资金和时间支持，另一方面也无法有效规避加固体裹住盾构机筒体的巨大风险；采用传统方法在高渗透性砂层中难以制作出优质的泥膜，使得开舱不安定因素难以预知。

一、国内外研究现状

传统的泥膜制造主要适用于覆土浅、地下水压小、渗透系数低的盾构工程中，当传统泥膜制造工艺应用于高渗透性砂层时，存在的难点有：

（1）泥浆中的颗粒容易在渗透系数大的砂层中长距离渗透，掌子面难以形成优质泥膜；

（2）传统的泥膜制造工艺难以形成较厚的泥膜，而薄泥膜极易被破坏；

（3）普通泥膜在高气压环境中，容易出现击穿、龟裂等问题而影响土舱密闭性。

二、高渗透性砂层中的泥膜制作施工技术

1、高渗透性砂层渗透系数改良技术

泥膜渗透面主要由盾构机掌子面、筒体四周及成型管片外的地层面组成。对富水砂层的渗透系数改良主要采取两项措施：

（1）聚氨酯隔离渗透面

在盾体上预留的注脂口往筒体四围注入聚氨酯，聚氨酯水化后体积膨胀成具有一定弹性的聚合物，能够有效填充筒体四周地层的空隙，并且膨胀力对周围地层产生挤密效应，进而有效隔断后方地下水渗透通道，为泥膜制作营造有利环境。

盾体上一般沿环向方向预留注脂孔，为全面隔断地下水通道，每个注脂孔均需注入聚氨酯以形成封闭的密封环。

（2）化学浆液改良砂层渗透性

单纯依靠泥浆细小颗粒难以有效填充砂层空隙，可对砂层中的空隙进行化学浆液的有效填充。

①化学浆液范围

化学浆液的注入只在刀盘上方和前方距掌子面一定距离的范围内的立体空间内进行，与聚氨酯隔离体结合成一密闭空间。

②注浆孔布设

平面上布设间距为1m，以确保孔与孔之间能够良好搭接成一个整体。

③注浆方式

化学浆液主要通过压力作用扩散，采用压力式注浆可实现多次反复注浆和补强注浆，采用袖阀管注浆方式可实现重复注浆。

④浆液材料选择

选择能够速凝的浆液——丙烯酰胺浆液，它是以有机化合物丙烯酰胺为主剂，配合其他药剂制成的液体，其粘滞性与水接近，且凝结前基本维持不变，以水溶性状态注入土中，发生聚合反应后形成具有弹性的、不溶于水的聚合物。

在施工前，应根据注浆管路和渗透路径的长短设定浆液胶凝时间，防止浆液过早凝固而堵塞管路或凝固时间过长被流动的地下水稀释、冲刷而影响效果。

⑤浆液的注入量控制

根据地层孔隙率确定地质改良范围V，浆液注入量取（150%～200%）V，当地层孔隙率不明，注入量取（10%～30%）V。

2、递变压力下采用优质泥浆制造泥膜技术

制造泥膜时泥浆压力应高于外界水土压力，可通过提高泥膜两侧压力差，使泥浆恢复渗透作用，使泥膜增厚成为可能。

（1）泥浆质量控制

泥膜制造要求使用高质量泥浆，主要是指较大密度和粘度的泥浆，大密度泥浆中含有的颗粒较多，当泥浆在压力作用下向外界渗透时，更容易形成泥膜；而大粘度泥浆悬浮颗粒较多，可防止泥浆沉淀离析。要求泥浆密度>1.2g/cm3，粘度>30S（漏斗粘度），粘度分级控制，从30S～60S递增。必要时在泥浆中加入雷膨（质量比0.5%～1%）改善泥浆质量。

（2）泥浆压力递变控制

一般情况下，初始制造泥膜压力P为P0+20KPa，其中P0为外界水土压力。

在大埋深（H≥2D，H为隧道埋深，D为盾构机直径）条件下，压力梯度分5级递增，每梯度压力增加20KPa，保压2h。在保压过程中，需保证泥浆供给持续及压力稳定；在压力递增过程中，需加强地面监测，防止压力过大击穿地层或造成地表隆起。

3、反复气-浆置换制造泥膜技术

在高渗透性砂层中进行气压开舱，要求泥膜厚度≥30mm以抵挡高气压，单次泥浆压力式制造的泥膜达到一定厚度后，需采取气-浆反复置换的方法加厚加强泥膜。

气-浆反复置换造泥膜原理：泥膜达到一定厚度后，改用气压替代泥浆。在气压作用下，泥膜中的水分和地下水不断被挤走，泥膜失水一方面使地层处于一种类固结状态，另一方面形成新的渗透通道，然后再次加入泥浆，泥浆沿新的渗透通道继续渗透，在反复多次气-浆置换后，最终达到加厚泥膜的目的。

（1）气压设置

采用压缩空气置换泥浆前，先将土舱内泥浆压力缓慢降至初始泥浆压力（泥浆供应不间断），然后采用同等压力的气压置换舱内泥浆，置换完成后，把舱内气压缓慢提升20～30 KPa。

（2）置换频率

置换频率根据漏气情况确定，漏气量随时间成正比，当Q漏气量>40m3/h时（根据供气流量计算），采用泥浆置换压缩空气造泥膜；Q漏气量≤40m3/h时，在4h内采用泥浆置换压缩空气造泥膜。

（3）稳定气压

在气压置换泥浆及气压保压过程中，需确保气压稳定（波动控制在±10 KPa），可通过气压自动调节系统控制或设备自带的操舱系统人工控制。

4、泥膜修复技术

三、技术创新

（1）通过往砂层中注入化学浆液、在盾体周围注入聚氨酯等多项技术措施，可有效降低高渗透性砂层渗透性；

（2）制造泥膜时通过压力递变，可有效实现对渗透通道的封堵，增加单次制造泥膜厚度；

（3）通过泥浆-压缩空气的多次反复置换及泥膜制造，可使泥膜在固结状态下不断增厚，从而制造大厚度优质泥膜；

（4）通过制定泥膜修复准则，定时修复泥膜，可确保泥膜的完好性；

（5）通过对砂层渗透系数的分析，选择不同的技术组合形式达到采用最低成本制造优质泥膜的目的。

四、结语

经过周密的施工准备和科学合理的现场组织，GZH-12标采用该技术实现了在高渗透性砂层中制造出优质泥膜的目标，解决了盾构机在高渗透性砂层中开舱换刀的被动性。该技术具有施工方便、效果可靠、节约成本、缩短工期等优点，在现代城市建设中具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 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。

[2] 贺飞，王磊，陆毅，刘泉维.大直径泥水盾构高压进仓泥浆配比工艺及其使用装置.[申请（专利）号]CN200910018520.4[公告号]CN101648413。