復雜環境下土壓平衡盾構被動填倉換刀施工技術

齊保棟，葛健祖，辜新宇

(中國水利水電第四工程局有限公司 盾構工程公司，湖北 武漢 430011)

當前盾構法施工技術被廣泛應用于各施工領域，已成為地鐵建設主力軍，但隨著城市建設各領域的快速發展以及城市地鐵建設進入全國大發展階段，因盾構區間地層、長度等不盡相同，刀具磨損、突遇不明物及積倉、結泥餅等異常情況往往需要開倉進行檢查；隨著經驗的積累和對地質條件、長度的判斷一般提前主動設置檢查換刀點，采用地面加固常壓換刀、圍巖穩定直接進行常壓換刀、帶壓換刀法、填倉常壓換刀法，其中填倉換刀技術通常應用于在常壓下盾構掌子面無法維持自身穩定的工況，它是通過向土倉內注入適量水泥漿液等加固掌子面，強度儲備充足后采用人工將倉內泥漿清理出來使倉內具有一定的空間，然后在常壓狀態下進行刀具更換的施工方法，必要是根據周邊環境、地質條件復雜程度及穩定性采用地面加固、降水配合進行開倉檢查。

針對目前填倉換刀技術的不斷應用，現對洛陽地鐵1號線麗青區間富水砂卵石地層被動換刀與以往類似工程所不同的袖閥管地面加固、地面深井降水、填倉前盾體保護、挖倉順序以及整個過程中所出現的問題和設備選型方面進行總結，以為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

洛陽地鐵1號線麗青區間長1072.938m，隧道埋深約17.3m。工程地質從上至下主要為雜填土、粉質粘土、細砂、卵石，細砂在隧道頂部，分布厚度約為3～5m，穩定性較差；開倉換刀點地下水水量較為豐富，水位位于隧道底部以上4.4m處，處于盾構區間中上部。盾構掘進區間許下穿的地下商城下方（地下商城全長210.6m），與地下商城凈距7.9m，地下商城與盾構隧道中間存在防空洞，埋深10～13m。

2 問題分析與方案確定

該區間采用1臺?6480海瑞克盾構施工，拼裝至612環（刀盤位于617環）時，因盾構推進速度較小，推力、扭矩較大，出現超挖現象，盾構無法繼續掘進。經過對掘進參數分析和渣土中出現的刀具掉落、砂巖塊及其他異常情況判斷，必須開倉檢查刀具、刀箱和刀盤磨損情況。

經過對地質條件、水文條件、周邊環境、建（構）筑物和管線綜合調查分析，為確保安全，采用在地面斜向施作袖閥管注漿加固和降水井、洞內采用填倉加固的施工方法進行開倉檢查。

3 施工前準備

3.1 周邊環境調查及處理

1）防空洞調查 根據防空洞前期調查情況，將防空洞內污水進行抽排，對防空洞分布位置進行測量，復核防空洞和停機位置實際位置關系，同時在防護洞內布設監測點，確保開倉期間施工安全。

2）管線探挖 根據管線分布圖紙，對換刀點位置帶壓燃氣管線、給水管線和雨污水管線進行人工探挖，確認管線具體位置（表1），尋找合適位置進行袖閥管和降水井布孔工作，并分別在地面和洞內進行水位觀測。

3）地質空洞探測 盾構停機后，為保證土倉壓力，向土倉內注入膨潤土。在土倉壓力穩定在0.6bar時注入量達到96m3，超設計量較多。為查明原因，采用地質鉆分別在周邊10m范圍內進行空洞探測工作，對發現的地下空洞進行預處理，防止開倉期間次生災害的發生，同時也起到了對停機位置地質補勘的作用。

3.2 技術準備

1）根據實際情況編制盾構填倉換刀作業專項的施工方案，報監理工程師審批完成，并在開倉前對參與作業人員進行施工安全技術交底，明確人員分工。

表1 周邊管線統計表

2）填倉用水泥漿液與膨潤土配合比需要進行反復、多次同條件實驗，確定最優配合比，確保水化熱不大于60℃（防止損壞主軸承密封），且強度不小于2MPa，水泥漿凝固期間同時監測隔板溫度，如溫度過高，可適當加入膨潤土降溫。

3）明確開倉條件：①打開人閘內出氣閘閥，觀察有無氣及水排出，若有氣排出，直至常壓，進行觀察30min，并未見有水及泥漿排出，則滿足開倉條件；②如果有水則在土倉隔板中部打開球閥，進行排水；如果此時水流不止，則不能夠開倉，需重新注漿。

4）開倉后用氣體探測儀或活體對倉內氣體進行檢測；對倉內通風、降溫，條件許可方可進倉。進倉后首先對土倉內填充漿液進行判定，需達到2MPa以上，同時檢測土倉內是否有有害氣體，以便采取相應的措施。

3.3 地面加固及降水準備

1）刀盤前方土體采用袖閥管注漿進行加固。注漿范圍為：水平方向2×12.2m，深度方向盾構隧道上3m、隧道下1.5m，約10.7m。由于受燃氣管線、雨污水管線及地下人防商城條件制約，袖閥管只能布設在隧道南側區域，共計打孔20孔，并且每個孔位角度不同，孔位角度范圍在13°～47°，孔深在24～31m之間不等。

2）經過水位計算，在加固區打設7口降水井（圖1）,降水井樁徑600mm，井壁直徑325mm,井間距5m，井深34m。潛水泵選用QS50-52/4-11，流量50m3/h、揚程52m、流速1.8m/s、功率11kW、出水管直徑DN100mm。

3.4 盾構保護準備

在盾構進行開倉換刀工作前，采取相應措施對盾構進行保護，防止盾構被“抱死”的情況發生。

圖1 加固范圍及降水井平面布置圖

1）盾構徑向孔向盾體外注入膨潤土及油類，防止盾體被填倉漿液及土體包裹，避免造成盾構復推困難，正式填倉開始前通過注漿孔在螺旋機內注入膨潤土，對螺旋機進行保護（圖2）。

圖2 盾體保護示意圖

2）從盾尾后3環往后，連續5環對管片壁后進行二次注漿（603環、604環、605環注水泥水玻璃雙液漿，606環、607環注入聚氨酯），注漿量以注漿壓力控制，形成止水環，保證盾體后方止水效果（圖3）。注漿時要密切關注管片狀態及注漿壓力（0.3～0.35MPa）。水泥漿與水玻璃溶液配合比按體積比1∶1、凝結時間按30s以內配制。

圖3 止水環施作示意圖

3）盾尾管片二次注漿前，應對盾尾同步注漿管注入膨潤土，防止二次注漿液堵塞盾尾同步注漿管。

3.5 監測準備

為了及時準確的了解地表沉降、周邊管線、地下商城、人防空洞沉降情況，在開倉里程地面、周邊管線及周邊建（構）筑物加密布置地表監測點。監測頻率為1次/2h。在整個填倉換刀期間安排監測人員進行巡視巡查工作，在推進后仍需進行監測，直到地表和建（構）筑物穩定為止。

4 主要施工技術

4.1 工藝流程

填倉換刀是常壓下掌子面不能自穩和不能采用氣壓換刀的情況下向土倉內注入水泥膨潤土漿液來封水、穩定掌子面，等強后采用人工將倉內泥漿清理出來使倉內具有一定的空間，然后在常壓狀態下進行刀具更換的施工方法。換刀期間重點做好盾體、螺旋機的保護措施。填倉換刀施工工藝流程如圖4所示。

圖4 填倉換刀施工工藝流程圖

4.2 填倉施工

1）轉動螺旋機進行土倉排土，待土倉內的渣土排出近一半時，從土倉隔板1點和11點部位（兩寸球閥）向土倉內注入水泥膨潤土混合漿，加入膨潤土的目的是使水泥凝結強度不會太高，降低人工破除難度。漿液配合比為水泥∶膨潤土∶水=1∶1∶2，打開土倉門隔板位置（12點位置，2寸球閥，壓氣作用時平衡閥）球閥排氣，至排氣孔排除水泥漿后關閉。

2）利用土倉隔板上面的球閥注入漿液。待土倉上半部分充滿漿液時，保持注漿壓力，讓漿液填充滿刀盤與掌子面間的間隙。

3）由于土倉能容納土方為30m3，通過計算排出的土方量來判斷土倉內的漿液的占比。在排出渣土27～28m3時，停止排土，同時反轉螺旋機使螺旋機內的渣土返回土倉內。這樣可以保證螺旋機內不被水泥漿液包裹。注漿壓力控制在2.5bar以上，直至土倉內填滿水泥漿液。在注漿的過程中土倉上部土壓要控制不大于1.5bar。在置換渣土回填漿液的過程中，土倉壁與刀盤面板的注入孔需要每隔10min注入水，保證注入孔不被水泥漿液堵死，保證后續施工設備性能可靠。

4）土倉渣土置換完成后，轉動刀盤，使土倉內未排出渣土與水泥漿充分攪拌均勻，開始進行小流量大壓力注漿，注漿壓力控制到2.6～2.8bar（注漿根據地面監測數據作為參考做出相應調整），避免壓力過高把地面隆起；另外使漿液充分充填掌子面及刀盤外周的裂隙，從而更好地達到止水及土體的穩定效果。最后注漿完成達到初凝后，將不再轉動刀盤。

4.3 開倉換刀施工

1）填倉結束后24h，打開往土倉門旁邊隔板上的球閥，使用鋼釬打入根據受阻力情況，檢驗泥漿凝結強度。當凝固強度達到一定強度后（一般為2MPa），打開倉門，人工用風鎬、鐵鍬破碎土倉內水泥膨潤土混合漿體，只清理需換刀位置，切口環及開口部位暫時不破除，待刀具更換完成后鑿除；在對滾刀刀箱進行鑿除時，需要注意不要破壞刀盤和掌子面之間的泥漿，導致掌子面長時間外露進而失穩。

2）換刀完成后，必須將土倉壁上的注漿孔、泡沫孔及土壓傳感器清理干凈，注漿孔清理完成后應注入泡沫進行檢查是否清理干凈，清理時應注意傳感器的保護，電氣工程師對土壓傳感器進行檢查，確認土壓傳感器是否完好。

3）刀具檢查更換完成后，人工破除刀盤開口及周邊結塊，破除順序從下向上。

4）刀盤更換完成后，清點倉內工具及材料并運出倉外，然后關閉倉門，建立氣壓穩定開挖面，先采用低轉速正反轉刀盤，確定刀盤能正常轉動后，繼續采用注入膨潤土保壓的方法，恢復正常掘進。

5 結論及建議

通過洛陽地鐵1號線麗青盾構區間連續長距離在全斷面砂卵石地層下穿建（構）筑物情況下被動換刀過程、區間掘進參數分析、設備性能、脫困常見問題等進行綜合分析，提出以下結論和建議。

1）本區間盾構掘進渣土改良全部采用泡沫進行改良，通過后序盾構掘進總結，建議布設膨潤土制作系統和輸入管路，同時建議盾構渣土改良系統在掘進應同時具備在土倉和刀盤面板同時加注泡沫、膨潤土、水的條件，具體應視地層含土、水、砂量等進行調配改良劑種類，對刀具、刀盤磨損和渣土改良能起到很好的作用；同時泡沫管路宜設置成單管單泵，出現問題較易處理。

2）針對開倉檢查中出現的刀具、刀箱、刀盤磨損嚴重的情況，焊接重型撕裂刀能夠很好解決刀箱制作周期長、倉內更換困難的問題。

3）本次開倉換刀地下水位控制標準調整為應不高于刀盤底0.5m，隨開倉隨順利完成，但這一標準在不同地層有待進一步驗證總結。

4）在停機保壓注入膨潤土和填倉漿液共計注入220m3，嚴重超過土倉容量，除應對卵石層孔隙率大增加擴散范圍和隧道上方砂層局部坍塌形成孔洞進行分析外，還應對地下建構筑、孔洞進行詳細調查，規避開倉期間的風險。

5）采用填倉換刀工法，應切實做好盾體保護措施和主軸承防護措施，規避盾構被“抱死”和損壞主軸承事件的發生。