復雜地層中的泥漿護壁帶壓換刀技術探討

吉 冰 冰

(宏潤建設集團股份有限公司，上海 200235)

對于復雜地質條件下的盾構掘進，刀具更換往往不可避免[1]。由于盾構在軟土地層和巖石地層的刀具切削原理和配置形式不同，對于不同地質，尤其復合地質刀盤刀具的適應性配置與磨損刀具的安全更換一直是當前大型盾構施工中遇到的技術難題[2]。翟世鴻針對南京緯三路過江通道工程帶壓進艙作業期間開挖面失穩坍塌問題進行了研究[3]。繆忠尚依托深圳地鐵2號線東延線2222標段工程，針對的設備情況，總結了NFM土壓平衡盾構機開艙前的準備工作和帶壓開艙換刀作業的整個實施流程及相關技術要點[4]。本文在目前研究基礎上，依托南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區間隧道下穿玄武湖工程，詳細介紹一種泥漿護壁帶壓換刀技術，為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區間位于南京市玄武區，隧道埋深達到26 m，盾構施工要長距離下穿玄武湖，并且需要在湖底進行帶壓換刀，區間隧道線路如圖1所示。

1.2 帶壓換刀必要性

盾構長距離在玄武湖底硬巖段掘進，刀具易磨損，但掌子面地層穩定性差、不具備常壓開倉條件，需在湖底進行帶壓開倉換刀，更換磨損超限刀具，以加快硬巖段掘進速度。由于換刀位置處于玄武湖下方，距離湖底九華山隧道較近，鑒于掌子面穩定性較差，為確保氣壓換刀的安全可靠，進而采用水泥砂漿泥膜護壁法換刀。本工程區間共進行3次帶壓換刀，換刀環號分別為右線的1 037和1 145兩環以及左線的1 012環，換刀地點位于玄武湖底，此處土層為粉質粘土、混合土層以及強風化角泥巖，此土體特點為自穩定性差、透水性強，三處環號處的水泥砂漿護壁工期分別為15 h,12 h和11 h，更換刀具的數量分別為16把滾刀、6把滾刀和27把滾刀，氣壓換刀作業時間分別為13 d,5 d和18 d。

2 換刀工藝

以右線隧道1145環帶壓換刀為例，盾構隧道覆土26 m，盾構位于玄武湖下方掘進約120環后將順利通過中風化角泥巖，開始進入全斷面軟土層中掘進，為加快盾構推進進度，提高推進效率，需將1號～4號中心滾刀和9號～12號滾刀更換為齒刀，并清除刀盤泥餅，疏通被堵的泡沫管，計劃在盾構即將進入全斷面軟土地層之際停機換刀。為保證換刀安全和保護新更換的齒刀，選擇掌子面中部地質由巖層轉變為非巖層時停機換刀，因此計劃盾構機在1 145環停機(掌子面里程1 151環)，掌子面上部1/3為③-2b2粉質粘土夾粉土層、中部1/3為③-4e1混合土層，下部1/3為Th-2j強風化角泥巖層，盾構停機前幾環渣樣中巖石含量約為10%，其他為灰黃色粘土狀。掌子面穩定，地下水含量少，渣土干。

2.1 施工難點

湖底水土壓力高，湖底最大水土壓力達到4.5 bar～5.0 bar，會造成刀盤密封、鉸接密封和盾尾刷失效；水系發育，尤其在復合地層和粉細砂層中，會發生閘門密封失效，滲漏或嚴重噴涌；湖底段長達1.37 km，若水力貫通，進一步加劇水土壓力和螺旋機噴涌；此外，氣壓保壓困難，換刀施工難度大，為克服這些施工難點采取泥漿護壁帶壓換刀工藝。

2.2 具體施工措施

2.2.1帶壓換刀壓力估算

首先，通過朗肯土壓力理論公式計算得出土體靜止土壓力為2.38 bar；其次，利用停機前的盾構推進參數，進行開倉壓力估算。在1 120環～1 145環推進過程中，推力1 700 t～2 000 t、接觸壓力300 t～500 t、扭矩2.5 MN·m～3.0 MN·m、速度15 mm/min～25 mm/min、出土量60 m3、渣樣為粘土含少量碎石、中心土壓2.0 bar～2.3 bar等等，未出現超挖現象。據此本次開倉壓力定為2.5 bar。

2.2.2氣壓換刀設備的選擇與配備

本項目氣壓換刀裝置的供氣設備選擇為3臺空壓機，其中2臺為電動機，1臺為采油機，電動機功率為75 kW。為了保證氣壓穩定，將3臺放置于地面上的空壓機氣體通過過濾系統過濾后接入SAMSON系統向倉內補充氣壓，同時從盾構車架上空壓機另接一路管路進入SAMSON系統，用以地面設備或管路故障時為倉內緊急補氣，確保換刀施工安全。氣壓換刀設備總配備圖如圖2所示。其他設備、材料準備如表1所示。

2.2.3換刀過程中的泥漿護壁法

表1 其他設備材料

為了有效的阻止地下水的影響，防止氣壓換刀時氣體的泄露，在換刀過程中需要采用水泥砂漿來置換盾構土倉內的土體，并在刀盤前端位置處形成密實的水泥砂漿“墻體”。具體的操作步驟如下：

1)施工準備。

推進1 044環最后一箱土時，將刀盤伸至120 mm；拼完1 044環，將1號土壓力穩定在3.0 bar。

2)保證密封性。

a.盾體周邊地層密封性：為防止氣體從盾體周邊泄露，將3 m3～4 m3的膨潤土從盾構機中盾的注漿孔注入盾構機內，注漿終壓設定為3 bar。膨潤土壓注過程中，應使盾殼與土體之間的空隙充滿，這樣能夠確保氣體不向盾尾流竄，同時還能防止盾體的護壁泥漿固結。

b.盾尾密封性：為增強盾尾處密封性，在盾尾處預留孔(共計6個)壓注聚氨酯，每孔注入量約20 kg；同時向盾尾后1環～3環管片外部壓注聚氨酯施作“止水環”，有效隔水。

c.止水環箍:為了防止盾尾位置處的地下水流竄，需要在盾尾后的4環～6環管片外部注入雙液漿。漿液的配合比為：水灰比為1.5，水泥漿與水玻璃體積比為3∶1。漿液的注入方式為逐環壓入。漿液的初凝時間控制為25 s～45 s。

3)土體置換。

a.連接注漿管路：注漿管路位于土倉壓力墻的3點和9點位置處(鐘表盤)。

b.向土倉內分階段注漿，置換渣土。第一階段：置換注漿時，盾構刀盤需縮回8 cm，1號土倉內的壓力需保持在3.0 bar～3.6 bar，置換過程中堅持“等量替換、土壓不變”的置換原則。此階段，盾構刀盤需要間隔轉動，轉速為0.5 r/min，主要采用螺旋機進行出渣。注漿停止的標準是：螺旋機初步攪出漿液。注漿量為20 m3。漿液配比如表2所示。第二階段：保持土倉1號壓力在3.6 bar～4.0 bar之間進行置換注漿，每30 min轉動刀盤10 min(轉速為0.5 r/min)，適量出渣，注漿量為12 m3，漿液配比如表3所示。

表2 第一階段漿液配比表

2.2.4保壓試驗

1)人艙準備。

表3 第二階段漿液配比表

a.清理人艙，保持整潔；

b.檢查人艙內各壓力表、溫度表、電話機、管路等，將損壞的物件全部更換；

c.關閉艙門，打開SAMSON保壓系統供氣，檢查人艙的密封性和保壓系統的工作狀態是否良好。

2)土倉保壓試驗。

在作業人員進入倉前進行無人保壓試驗：

a.降低土倉上部壓力至2.5 bar～2.7 bar。

土體置換完畢后，需等待1 h，若沒有發現異常問題，可以在保證不轉動盾構刀盤的情況，僅利用螺旋機進行出渣，從而將土倉壓力降低到2.5 bar～2.7 bar。

b.保持土倉上部壓力為2.5 bar～2.7 bar時出渣。

將SAMSON系統的液體球閥關閉，并利用其供氣管道向土倉內施加氣體，用于保持土倉的上部壓力穩定在2.5 bar～2.7 bar不變。在此基礎上，保持盾構刀盤不動，將土倉內的渣土高度降低至土倉門底部的球閥位置以下。總出渣量約為10 m3～12 m3。

3)保壓條件下觀察保壓系統運行及工作環境狀況。

SAMSON系統的補氣壓力控制在2.5 bar，在此情況下，等待3 h，觀察保壓系統的運行和工作狀態，同時注意地層的密閉性狀況和土壓力的變化情況。若無異常，可繼續出渣。

4)分步繼續出渣至指定位置。

在保壓系統無異常的情況下，可繼續利用螺旋機出渣至2點和10點的位置(鐘表盤)，出渣量約為10 m3。然后，觀察等待1 h，若一切正常可判斷地層保壓成功。此時可根據土倉內的情況，進一步壓氣進倉，繼續降低渣土渣位至3點和9點的位置(鐘表盤)，大約出渣量為13 m3～14 m3。

2.2.5進倉換刀

1)換刀作業時，堅持“三人一組進倉、組長進倉帶班、操倉人員及醫生24小時艙門值班”的工作原則。作業人員的體感狀況及掌子面土體情況是判斷換刀人員能否繼續帶壓工作的標準，若出現作業人員身感不適或掌子面土體有剝落現象等立即關閉土倉門減壓出倉。2)倉內水位上漲時，安排專員在操倉人員指導下，打開位于土倉面板上相應位置處的球閥進行排水，在排水過程中，應保證倉內氣壓的平衡，若發現漏氣現象，需立即關閉球閥。3)每一組換刀人員帶壓工作的時長應小于2 h，然后根據帶壓作業時長來進行減壓時間的控制。

3 結語

本文依托南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區間隧道長距離下穿玄武湖工程，詳細介紹了全斷面穿越巖層、半土半巖地層和砂土時泥漿護壁帶壓換刀技術操作流程和注意事項，為類似工程提供了參考。