淺談淺覆土砂層泥水盾構帶壓換刀技術

賀婷 廣東省廣州市地下鐵道總公司

淺談淺覆土砂層泥水盾構帶壓換刀技術

賀婷 廣東省廣州市地下鐵道總公司

以珠江新城旅客自動輸送系統體育中心站～林和西站盾構區間為工程背景，介紹了泥水盾構在淺埋覆土砂層施工過程中換刀，采用帶壓換刀施工工藝及優點，可供今后類似工程參考借鑒。

泥水盾構；淺埋覆土；砂層；帶壓換刀

近年來，隨道城市地鐵建設的迅速發展，建設地鐵的城市越來越多，而由于安全性要求提高，地鐵區間要求采用盾構施工。但在復雜的地質情況下，盾構刀盤的選擇極其重要，并且在特殊情況下更換刀盤的情況逐漸增多。如何保證安全、快速的更換刀盤是盾構施工的難點。本文結合珠江新城旅客自動輸送系統體育中心站～林和西站盾構區間施工中采用帶壓換刀，介紹了盾構區間淺埋覆土砂層施工中采用帶壓換刀施工工藝。

1 工程概況

體育中心站～林和西站盾構區間右線隧道為廣州市軌道交通珠江新城旅客自動輸送系統，位于廣州市天河區天河體育中心下方。

2007年6 月25 日掘進至292環處時，盾構機覆土7.3m，地面為廣州市體育中心混凝土道路，盾構掘進出現推進速度慢，推力小，扭矩小，易跳閘，易卡刀盤等現象，初步討論確定為刀盤受損。

為了確切診斷盾構機問題所在，需檢查刀盤，考慮盾構機上部土體不穩定，刀盤前方土體上部有含水量較大的〈3～2〉中粗砂層和穩定性較差的〈4～1〉粉質粘土層，且盾構機覆土僅為7.3m，開倉存在上部土體坍塌的危險，為了確保工程安全實施，在經過研究分析與準備后，采用在淺埋覆土砂層地段的帶壓換刀方案。

2 淺覆土砂層泥水盾構帶壓換刀

圖1 盾構機保壓試驗流程圖

2.1 保壓階段：通過保壓試驗分析是否能帶壓檢查刀具。

2.1.1 調配高質量泥漿

經檢測原泥漿平均密度1.18g/cm3，泥漿平均粘度20s，為確保開挖面的穩定，采用高濃度泥漿，計算出需要加入的材料數量，往泥漿池加入了4.7噸膨潤土和6包（50kg/包）CMC（羧甲基纖維素鈉），攪拌均勻后測得泥漿平均密度1.32g/cm3，泥漿平均粘度32s。

2.1.2 確定泥漿壓力

此處開挖面地層含有滲透性地層，土壓力按主動土壓力計算，采取水土分算的方式。根據勘察報告，計算得出開挖面處水土壓力為106kpa。為確保開挖面的穩定，提高了泥漿壓力，使壓力至少高于工作面水土壓力30kpa，最終確定泥漿壓力為150kpa。同時提高泥漿的保壓時間，泥漿保壓70min，確保形成均勻無缺損的泥膜。

2.1.3 確定氣壓

通過氣壓把土倉中的泥漿壓出倉形成空氣倉，壓力的設置要能平衡開挖面水土壓力，又要避免擊穿不良地層，同時考慮人在此壓力環境下帶壓換刀的舒適感，考慮上述原因，工作艙壓力設定高于開挖面水土壓力10～20kpa，設定為120kpa。

2.1.4 保壓試驗

2007年7 月18 日晚上開始進行保壓試驗，保壓試驗目的是通過空壓機運行情況、氣體泄漏情況、保壓期土倉氣壓的曲線變化情況、保壓完畢后洗倉的渣土情況和地面監測情況等，分析掌子面是否穩定、倉內氣壓能否保持穩定等。保壓試驗具體操作方案如圖1。

通過對保壓試驗結果進行分析后認為：（1）掌子面基本穩定；（2）雖然保壓試驗過程中倉內氣體有一定的泄漏，但空壓機仍能及時補充空氣，可以保持倉內氣壓的穩定，在準備充分和科學操作的情況下具備帶壓開倉檢查刀具的條件。

2.2 帶壓檢查階段：通過帶壓檢查刀具情況分析是否需要帶壓換刀。

2.2.1 壓氣作業前準備工作

結合開倉施工的具體情況，充分考慮到施工安全方面及施工作業質量保證方面的問題，在開倉前針對施工過程中的操作注意事項組織進倉人員進行了培訓學習，并做好了設備、工具和物資檢查、準備工作，后勤的保障準備等。

2.2.2 開倉檢查

第一次開倉先由有經驗的工程師進入鑒定倉內的工作狀況，包括掌子面地質條件，泥餅結成情況，刀具磨損情況，土倉清理情況等。開倉檢查情況如下：土倉內無水，土倉內較干凈沒有結泥餅，掌子面頂部是砂層且有泥膜封堵，無滲水現象。

2.3 淺埋覆土砂層帶壓換刀

針對開倉檢查刀具情況，決定把全部的13把先行刀換成雙刃滾刀，同時采取盾尾漏氣封堵、刀盤開口封堵等到一系列技術措施來保證換刀的安全。

2.3.1 開倉換刀前準備工作

2.3.2 盾構機刀盤后退

由于滾刀突出刀盤面比刮刀高3.5cm，刀盤往后退以保證滾刀的安裝空間，同時防止滾刀安裝好之后，刀盤轉動過程滾刀不會破壞掌子面泥膜，因此在換刀之前把刀盤往后退5～10cm。

圖2 封堵漏氣通道后效果圖

2.3.3 盾體與圍巖之間的漏氣通道封堵

為了防止漏氣，在盾構機周邊由盾體內向盾體外注入聚氨酯，注入盾尾油脂，并補充注漿，封堵盾體與圍巖之間的漏氣通道后效果如圖2。

從進倉檢查情況來看，掌子面比較穩定，工況良好，氣壓能夠保證穩定，不會造成大規模的坍塌，增加背板可以降低安全風險，具備開倉條件，決定第二次進倉換刀。換刀過程中，氣壓換刀與泥漿保壓循環分12小時循環進行，白天開倉換刀12小時（每4小時一班），晚上12小時泥漿保壓以確保泥膜均勻不皸裂以提高開挖面的穩定性。

開倉先由有經驗的工程師和電工進入，接通防爆照明燈，并在人閘、氣倉和土倉撒冰塊降溫，然后用鍬、鏟對切口環進行清理，并進一步了檢查土體穩定情況，確定無危險做好支護之后，開始進行換刀。為最大限度減少刀盤旋轉次數以減少對開挖面的影響，制訂出換刀次序，刀盤向左轉動依次更換刀具。

3 帶壓作業換刀與其他方法換刀的比較（針對本次工程情況分析）

4 小結

本次右線共換刀15把， 15把貝殼刀全部更換為雙刃滾刀，從2007年8月4日～8月7日，共有32人次安全進入土艙內作業53.2小時，實現泥水盾構在軟弱淺覆土砂層中的帶壓開艙作業。在實施過程中，氣壓設置控制為120kPa，氣壓穩定，能平衡水土壓力，地面監測未發現有擊穿地層漏氣的現象，地面沉降值在-8.1～+2.3之間，未對廣州市體育中心內環境造成影響。

帶壓換刀需做到以下幾點：

4.1 總的來說，淺覆土砂層帶壓作業最重要的一點就是要能穩住氣倉壓力，保住壓力，確保不良地層下開挖面的穩定。

4.2 調配高質量的泥漿，確保泥膜均勻密實，保證泥膜的質量，以防止泥膜擊穿，保住氣壓。

4.3 設置合適的氣壓，氣壓不是設置越高越好，淺覆土帶壓換刀氣壓的設置以高于開挖面的水土壓力10~20mpa為宜，氣壓的設置要確保開挖面的穩定同時又要確保帶壓工作人員的健康舒適安全。

4.4 查找帶壓過程中泄氣通道并確保艙內氣體的補充。泄氣通道可能是地質鉆孔，也可能是砂層的透氣性，也可能是盾體與圍巖之間的通道，采取措施盡量封堵泄氣通道并同時不斷補充氣體保住氣壓。封堵地質鉆孔；通過盾體由內向外注聚氨酯、補充盾尾油脂和管片的注漿來封堵；配備足夠的空壓機補充氣體，并配備柴油機確保特殊情況。

4.5 合理選擇換刀的順序，盡量減少刀盤的轉動，刀盤的轉動破壞泥膜，減少對砂層的擾動，確保開挖面的穩定。

4.6 淺覆土砂層下換刀，開挖面有可能坍塌，使換刀工作非常危險，在此過程中必須時刻密切注意開挖面及地面的變化。

4.7 開倉前細化方案，注意做好以下工作：

（1）保證換刀及后勤人員的配備；

（2）盡可能在土倉進氣口安裝流量表觀測倉內供氣 情況的變化，以及時反映倉內氣體泄漏情況，確保人員安全；

（3）每次換刀必須有管理人員先進倉進行工況檢查掌子面穩定、背板安裝等情況；

（4）交接班時交接人員必須對倉內情況進行詳細描述（掌子面、換刀等情況）；

（5）時刻保持逃生通道暢通。

就泥水盾構淺覆土砂層帶壓換刀而言，目前還有些問題值得進一步的探索和研究，主要是：保壓是帶壓進倉的關鍵，在其它地層如漏氣嚴重且泥皮效果不理想情況下如何采取更有效辦法保壓需進一實驗。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.05.014