復雜地層下人工挖孔開倉換刀施工的關鍵技術研究

羅旭

摘 要：某城市地鐵地下區間施工時，盾構機穿越上軟下硬復合地層的過程中出現了部分刀具損壞嚴重導致開挖直徑不足而被迫停機的情況，需要進行開倉換刀作業。結合實際情況，施工單位通過比對，最終采取了人工挖孔+常壓開倉的施工方案，較好地解決了換刀問題，可為以后類似工程解決這些施工難題提供參考。

關鍵詞：盾構工程;換刀;人工挖孔;常壓開倉

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0098-05

Abstract： During the construction of underground section of subway in a city， some cutting tools of shield machine were damaged seriously when it crossed the composite stratum of upper soft and lower hard. As a result， the excavation diameter was insufficient and the machine was forced to stop. It was necessary to open the silo and change the tool. Considering the influence of practical problems， By comparison， the construction unit adopt the key construction technology of manual digging and atmospheric pressure silo opening， the problem of tool change is well solved， and set up a reference case for future similar projects to solve these construction problems.

Keywords： shield engineering;change the knife;manual digging;atmospheric pressure silo opening

在地鐵盾構工程復合地層掘進過程中，砂卵石等強度較高的巖層會嚴重磨損盾構機的刀具。為保證盾構掘進工作正常進行，需要頻繁更換刀具[1-2]。而盾構施工過程中的開倉換刀作業危險系數較高，如何采取相應措施實現安全開倉是一個難題[3-4]。如果地層自穩能力較強，可在常壓下直接開倉進行換刀操作;如果盾構機在軟硬不均的地層中掘進時需要換刀，則會面臨諸多困難[5-6]。本文以某城市地鐵左線盾構工程開倉換刀經過為依托，在梳理工程實際難題的基礎上，重點闡述人工挖孔+常壓開倉的關鍵施工技術，為以后遇到類似問題提供參考。

1 工程概況

某盾構區間左線全長897.617 m，洞徑6.000 m，區間設有一座聯絡通道。該區間地質從上至下依次為素填土層、粉質黏土層、卵石層、礫砂層和灰巖層，隧道范圍內大部分為礫砂層和灰巖層。

根據鉆探觀測到的水位結果，該區間基巖水屬于微承壓水，承壓水頭為3～6 m，承壓水位埋深為5.60～12.00 m，局部不具承壓性。

本工程使用的是土壓平衡盾構機。盾構機刀盤共配置滾刀35把，其中邊緣滾刀7把，正面滾刀20把，中心滾刀8把，最大開挖直徑為6.280 m。考慮到砂石地層的影響，將原設計的8把保徑刀增加到12把，開挖直徑6.260 m。此外，超挖刀最大開挖直徑6.380 m。

按施工計劃要求，施工單位在聯絡通道位置（274環，每環1.5 m）進行了一次全面的常規開倉檢查，并更換了磨損的刀具。

2 地質情況

盾構機左線在384環～389環的推進過程中，垂直姿態開始出現上浮。389環掘進完成時的垂直姿態為前端191 mm、后端198 mm（規范要求不超過100 mm），單環垂直變化量約為26 mm。過程中盾構司機及時進行了糾偏，但上浮趨勢無明顯改善。根據384環～389環推進過程中出現的推力增大、刀盤震動以及土倉內異響明顯等情況，初步判斷盾構機部分刀具損壞，其中邊滾刀的損壞使得刀盤無法切削進板巖，盾構機姿態上飄，需要再次更換刀具。

本次盾構機停機所處位置為市政道路下方，線路上方北側為4 m×4 m大小的箱涵;線路南側為已建小區，距離左線隧道邊線約35 m;線路北側為待建項目基坑;線路南側為公園;線路東側為河流，水量較豐富。具體環境如圖1所示。盾構機停機處地層從上到下依次為素填土層、粉質黏土層、卵石層、礫砂層和強風化灰巖層，地質縱斷面圖如圖2所示，其中盾構機處于礫砂層中。

3 盾構帶壓開倉作業

停機位置隧道斷面內大部分為砂卵石地層，地質條件相對較差，加劇了換刀的危險性。為降低本次壓氣換刀的風險，提高換刀的成功率，經研究選擇帶壓開倉方式進行換刀作業。

3.1 換刀流程

對刀盤前方、盾體周圍地層注入漿液形成泥膜，保證刀盤前方周圍地層和土倉滿足氣密性要求的條件;通過在土倉內建立合理的氣壓來平衡刀盤前方的水、土壓力，達到穩定掌子面和防止地下水滲入的目的;作業人員在土倉內進行安全檢查、維修保養和刀具更換等作業，具體流程見圖3。

3.2 刀具檢查及更換

根據實際情況，此處進行了兩個階段的帶壓開倉換刀。

3.2.1 第一階段。帶壓開倉換刀采用注入膨潤土的方法建立泥膜，共計完成7次帶壓開倉作業，換刀6把。從開倉的情況來看，刀具磨損情況比預計嚴重（見圖4），同時印證了推斷的準確性。但是，在帶壓開倉過程后期，掌子面左上部有膨潤土土渣掉落形成了空洞，且有水流入，已不能安全進行換刀操作。

3.2.2 第二階段。帶壓開倉換刀時，考慮到第一次采用注入膨潤土建立泥膜未達到預期效果，施工單位改用衡盾泥建立泥膜開倉，共完成12次作業，換刀11把。但是，由于盾構機無法后退，掌子面與泥膜之間未形成一定厚度的泥墻結構。因此，在刀箱清泥的過程中泥膜出現了破裂，導致壓力不穩定，無法繼續進行保壓換刀作業，其中剩余計劃的34B#刀具未完成。考慮到換刀工作基本完成和停機時間不宜過長，施工單位計劃進行試掘進與復推，到達一定位置后再次安排檢查。

3.3 復推情況

由于前期盾構姿態超限，經設計調線調坡做了下壓20 cm的處理。在復推掘進過程中發現盾構機速度變慢，同時存在姿態來回波動較大、姿態不穩定等問題。另外，螺旋輸送機后閘門無法緊閉且伴隨有螺機噴涌現象;刀盤轉動至一定位置時會出現異響和震動，且響聲較大。在396環位置出現了土量超方、地面脫空等問題，導致盾構機再次停機。

經過現場渣樣分析及地勘圖對照，結合盾構機目前狀態，施工單位認為隧道范圍內可能存在底部基巖突起的情況，且高于地勘圖標明的強度。同時，由于換刀不完全，致使部分新換刀具受力過大而崩壞，見圖5。可見，盾構機的破巖能力不足，最終導致盾構機姿態繼續上飄，推進速度慢且對地層的擾動導致了地面出現脫空，已無法再次進行帶壓開倉換刀，需要實施新的換刀方案。

4 人工挖孔輔助常壓換刀作業

4.1 換刀流程

經過多次研究，根據現場實際情況，決定采用人工挖孔輔助常壓換刀方案，即在盾構機刀盤前方位置使用人工挖孔輔助常壓開倉的方式對刀盤外部刀具進行檢查及更換。究其原因：①此處地下水位較高，且掌子面大部分為卵石層和礫砂層，透水性較好，不具備洞內常壓換刀條件;②掌子面前方超方量較大，脫空層延伸至地面，已不具備帶壓進倉換刀條件;③通過補勘顯示刀盤前方還有基巖突起地層，若要最大限度地保證盾構機安全順利地通過前方基巖突起段，必須對刀盤外圈的耐磨層進行修復并加強刀具的破巖能力，而要完成此操作需要在刀盤前方作業。目前，人工挖孔輔助常壓換刀已經是較為成熟的一種換刀方式，成功案例較多。

4.1.1 人工挖孔輔助。用于盾構檢修的人工挖孔樁直接實施于盾構刀盤位置，樁徑2 m，開挖深度至盾構機中心。根據地質和水文條件，孔樁采用倒掛井壁法施工，內齒式護壁。孔樁在盾構機以上結構為圓形護壁結構，下部為半圓形護壁。在孔樁護壁結構施工完成后，在孔樁下部護壁結構內整體安裝鋼護筒。孔樁與盾構機平面位置關系和剖面圖，分別如圖6和圖7所示。

4.1.2 刀具優化方案。考慮到之前的施工過程和更換刀具后出現的問題，必須對刀具進行優化處理：①在邊緣刮刀迎渣面的大圓環處焊接貝殼刀，保證開挖直徑的同時，保護邊緣刮刀外側合金;②安裝邊緣滾刀（32#、33#）時，要在刀座部位加裝適當厚度的墊片，增大開挖軌跡線的半徑，確保開挖直徑足夠;③在邊滾刀刀座4個邊角加裝保護塊，在滾刀端蓋處增加耐磨設計;④根據刀具檢查的實際情況確定是否恢復超挖刀，并對超挖刀具進行改進，升級為窄刃刀;⑤對破損的刀具進行常規更換。

4.2 刀具檢查及更換

在孔樁開挖完成后，對刀盤進行檢查時發現，刀盤外圈的耐磨塊磨損較為嚴重，最大磨損量約為3 cm，因此需要更換刀盤耐磨環。另外，邊滾刀和正面滾刀磨損嚴重，甚至出現崩刃情況，大部分刀具已不具備破巖能力。此次人工挖孔樁內換刀作業共計完成刀具更換24把，加裝貝殼刀16把，更換合金耐磨塊16塊。

4.3 關鍵技術說明

4.3.1 地層加固。為保證盾構換刀過程的安全，采取地面注漿的方式對松散地層進行加固處理，處理效果滿足要求。

4.3.2 降水井施工。為防止地下水對盾構刀具更換造成阻礙，避免帶水作業，在地面布設降水井。初次擬定降水井的數量為6口，見圖8。但是，挖孔至18 m深時，樁底水位停止下降，無法繼續開挖，因此施工單位決定增設4口降水井，使地下水位下降至21 m處。

4.3.3 上部結構施工。上部為內徑2 m的圓形護壁結構的下人通道，孔中心與刀盤面距離為400 mm，井深約15.8 m，開挖至盾體上方10 cm高度。

①超前探孔。孔樁施工前在盾構停機位置布置探孔點，采用地質鉆機對停機區域孔樁周圍進行探孔，避免地層中含有孔洞。

②測量放線、施作井圈。測定樁位確定好樁位中心，以樁位中心為圓心，以樁身半徑加護壁厚度為半徑，畫出上部護壁結構的圓周。孔樁中心距刀盤刀具平面中心500 mm。

③孔樁開挖。挖孔樁使用鐵鍬或風鎬等工具人工開挖土方，每次開挖深度為1 m，開挖面上口從井圈內向下挖，下口護壁外形呈“八”字形。開挖的渣土采用自制提土筒裝卸和提升機運輸。

④通風照明。隨挖孔深度的下降，設置孔內照明系統。孔內照明使用36 V安全礦燈。在孔內設置通風管，根據孔深、不同的地層等情況，通過鼓風機向井下送風。每次施工前的通風時間不低于15 min，每次下孔前必須使用專用探測儀器檢查孔內氣體。

⑤井內降水。孔樁開挖至一定深度后，樁內會出現積水情況。應在樁底開挖積水坑，坑內放入潛水泵，將積水抽至地面排水溝。

⑥支模澆筑護壁。本處采用兩套模板重復周轉使用，每挖完一節（1 m）立即澆筑混凝土確保孔壁的穩定性。每節拆模時間不小于24 h，以確保混凝土完全凝固。另外，每節護壁都要利用吊線墜檢查是否出現井位偏差。

⑦位置校核。掏底挖出刀盤頂，測量刀盤面與孔樁中心的距離及與刀盤中心的橫向偏差，確定盾構是否需要推進以及需要推進的距離，同時轉動刀盤至檢修需要的角度。

4.3.4 下部結構施工。下部孔樁深4.2 m，采用半圓形倒掛井壁，遠離刀盤側為半圓井壁，靠近刀盤側采用1 cm厚木板直接緊貼刀具及土倉內土體。下部孔樁豎筋采用Φ10@200玻璃纖維筋，不設螺旋筋。挖孔過程中做好定位工作，下部孔樁開挖到底后，在孔樁內安裝鋼護筒，如圖9和圖10所示。

①鋼護筒的安裝。在孔樁開挖完成且周邊注漿加固穩定井壁后，采用吊裝設備吊整體鋼護筒至井底。鋼護筒采用直徑1 950 mm、壁厚10 mm、頂部1 m為整圓，下部4.5 m為切割成開口的半圓形，鋼護筒筒身采用Φ20@500螺紋鋼進行加肋處理。鋼護筒下沉至井底后進行固定，鋼護筒開口處距刀具10 cm。鋼護筒上部1 m在圓形井壁結構內，采用鐵楔子固定;下部在半圓形井壁結構內，對鋼護筒與半圓井壁間進行注漿填充;鋼護筒外側涂抹脫模劑，以便于后期的拆除工作;鋼護筒開口處用方鋼焊接作撐桿，鋼護筒底焊接半圓形鋼板封底。

②井內降水。在積水坑內放入潛水泵將積水抽至地面排水溝。

4.3.5 作業檢查。刀具更換完成后進行全面檢查，確保沒有遺漏。

4.3.6 人孔回填。檢修完成后，從下往上拆除鋼護筒底板鋼板、開口處對撐及鋼板，最后拆除上部鋼楔子。在地面采用千斤頂整體拉動鋼護筒，護筒松動后再采用吊裝設備將鋼護筒整體吊出。考慮到盾構機土壓平衡的需要，回填時先使用沙袋回填至盾構機頂部以上2 m，待刀盤通過后回填M10水泥砂漿至地面下0.5 m。回填完成后恢復道路基層和瀝青路面，盾構恢復掘進。

4.4 風險控制

此處風險主要指人工挖孔過程中可能會出現的風險：開孔定位偏差過大，不能達到操作面;鋼護筒的定位不準;挖孔過程中發生坍塌;降水不到位、抽水不及時等，導致不能滿足作業條件;孔中存在有毒氣體等。

4.5 復推情況

由于盾構長時間停機且刀盤頂部已經與地面貫通，復推時應為常壓模式。在能推動的情況下，盡量采用低推速、小推力、刀盤低轉速等方式來保護新換的刀具。隨著盾構機的推進，逐步建立倉壓，最終實現盾構的順利復推。

5 結語

盾構機在經過人工挖孔樁輔助常壓換刀作業后順利進行了復推并完成了效果驗收，但本次問題的處理歷經近半年，耗費了大量人力和物力。通過對本次施工過程進行總結，可以得到以下經驗。

①盾構在復合地層掘進前選擇合適的刀具至關重要。砂卵石及強度較高的巖層會導致盾構機的刀具磨損嚴重甚至發生崩裂，因此應選擇耐磨且硬度不高的刀具。

②盾構掘進過程中如遇到姿態不可控的情況，在姿態糾正過程中應進行緩慢糾偏，每環管片糾偏量不超過5 mm，防止盾構機形成拱背狀態，也防止管片在急糾偏過程中出現破損、錯臺等質量問題。

③做好盾構區間的超前補勘非常重要，特別是對于比較復雜的地質條件。

④在開倉換刀前應制定好完善的刀具更換方案，提前準備好各類盾構刀具，避免因材料、工具不到位而耽誤時間。開倉完成后需清點好各類工具并帶出倉外，防止工具遺留在倉內影響掘進工作。

⑤在泥漿配置過程中應嚴格按照配比精確把控各種材料的用量，使配置好的衡盾泥能夠達到理想效果，有利于后期保壓工作的順利進行。

⑥在帶壓開倉過程中關注空壓機的運轉情況，及時對地面進行巡視及監測，檢查地面是否存在漏氣情況。如出現土倉突然失壓或者泥膜破裂等現象，維修人員應立即減壓出倉。

該施工單位在經過帶壓開倉、人工挖孔樁輔助常壓換刀后，順利完成了刀盤修復及刀具更換工作。實際施工過程中使用的人工挖孔樁輔助常壓開倉換刀方法以及相關的技術措施，為類似的復雜地層下盾構隧道開倉換刀工程積累了豐富的施工經驗。

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