富水上軟下硬地層土壓平衡開倉換刀施工技術研究

龍建平LONG Jian-ping

（中國水利水電第七工程局有限公司，成都 611730）

1 工程概況

1.1 工程概況

福州地鐵6 號線3 標段工程濱海新城站～壺井站區間（簡稱濱～壺區間）盾構右線掘進至543 環時，刀具磨損嚴重，需進行換刀處理。盾構機停機位置上方有建筑結構一座（拆除部分結構），鄰近河流。區間隧道處于富水上軟下硬地層，位置隧道埋深12.4m，地下水系發育，開倉換刀施工難度極大。盾構機停機位置環境圖、盾構機與周邊房屋、河流平面關系圖如圖1、圖2。

圖1 盾構機停機位置環境圖

圖2 盾構機與周邊房屋、河流平面關系圖

1.2 盾構近期掘進參數分析

2018 年10 月19 日進行右線第一次開倉換刀，位于微風化全斷面基巖層，更換刀具單刃滾刀26 把，雙刃滾刀3 把，合計29 把。盾構掘進上軟下硬地層11m，全斷面基巖掘進13m，合計24m。

2018 年10 月29 日進行右線第二次開倉換刀，位于上軟下硬基巖層加固區內，更換刀具單刃滾刀10 把，雙刃滾刀1 把，合計11 把。盾構掘進全斷面基巖掘進12m，上軟下硬地層16m，合計28m。

2018 年11 月10 日上午7：00，區間右線拼裝至545環時，距離第二次開倉換刀位置31m，參數發生變化，盾構總推力、刀盤扭矩、渣土溫度呈遞增趨勢，掘進速度呈遞減趨勢。其中，盾構總推力最大值為1501T，刀盤扭矩最大值為2643kN·m，渣土溫度最大值為55℃。且在掘進時參數變動較大，初步判斷刀具磨損嚴重，具體統計見圖3～圖5。

圖3 推進速度

圖4 總推力

圖5 渣土溫度

2 工程地質及水文地質條件

區間隧道穿越地層為雜填土、含泥中細砂、淤泥質土、中粗砂、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖；盾構穿越地層埋深15.0～21.1m，主要為中、微風化花崗巖，濱～壺區間右線局部地質縱斷面圖如圖6 所示。盾構機在掘進過程中遇到的微風化花崗巖強度較高，巖石強度最大到達123MPa，對刀盤刀具造成磨損及損壞。

圖6 停機位置隧道地質橫剖面圖

區間地下水按賦存方式分為地表水、地下水、第四系松散巖類孔隙水和巖裂隙水，范圍內及周邊分布有河涌、魚塘，砂層較發育，地表水與地下水存在水力聯系。

3 開倉換刀整體思路

本次盾構機換刀擬采用填倉（砂漿）+深孔注漿（地表）加固后常壓開倉換刀，在地表深孔注漿加固前，先進行防止包裹、砂漿置換土倉渣土；再施作盾尾止水環，上述工作完成后，再進行地表注漿加固，采用后退式注漿，加固漿液為AB 液（水玻璃+磷酸）和AC 液（水泥+水玻璃）；最后常壓開倉換刀，帶壓清理刀盤開口，工序見圖7。

圖7 盾體徑向孔注膨潤土工藝流程圖

深孔注漿加固和土倉內砂漿置換填倉的原因如下：

3.1 地表深孔注漿

是通過地面加固，使刀盤周圍土體固化穩定，增強掌子面穩定[1]。地面注漿采用WSS 加固，漿液為A 液和B 液（或C 液），兩種漿液充分混合，固定的流量和壓力，使土層孔隙充滿漿液后凝固。

3.2 砂漿填倉目的

隔離土倉與掌子面，在刀盤前方形成一道保護層，同時，通過刀盤旋轉及土倉壓力將砂漿填充至松軟土層，到達穩定掌子面的目的[2]。

4 開倉前準備工作

本次開倉作業地面采用地表深孔注漿加固方式+砂漿填倉進行地層加固處理。

4.1 盾殼外注膨潤土保護

通過每個徑向孔注入膨潤土填充盾體外部空隙，防止盾體被裹住，膨潤土粘度應大于60s。注入時，左右兩側需注入飽滿，每孔注入量控制在1.0～1.4m3左右，在砂漿填充土倉及地表深孔注漿加固期間需間歇性往盾殼注入膨潤土，注入壓力略高土倉壓力。

4.2 砂漿填充土倉

砂漿填充土倉步驟如下：

①盾體內通過隔板上時鐘11 點位及2 點位的球閥，對土倉內充填砂漿，土倉壓力上升至2.2bar，同時用螺旋機同步置換排土，壓力波動在0.2bar 以內，砂漿骨料配比為：水泥∶膨潤土∶粉煤灰∶砂=51kg∶121kg∶181kg∶611kg，換填砂漿填用量約為理論值的1.4 倍，填充時刀盤以0.5～0.8r/min速調轉動。

②穩定30min 后，再通過隔板上時鐘11 點位及2 點位的球閥，繼續填充，多注入少排出，至頂部壓力到3.2bar，螺旋機略微排土，但壓力不低于2.2bar，填充時刀盤同①。配合比為：水泥∶膨潤土∶粉煤灰∶砂=81kg∶121kg∶180kg∶610kg，以31 分鐘內壓力降低在0.2bar 內為結束標志。

③第二步完成后，將盾構倒退30mm，反轉螺旋機，6r/min。若壓力下降，及時從8～10 點位注入漿液，使底部土壓至3.2bar，穩壓2 個小時停止注漿。配合比為：水泥∶膨潤土∶粉煤灰∶砂=100kg∶120kg∶180kg∶610kg。

④砂漿填充之前應將鉸接縮至100mm 左右，便于后退及脫困。

⑤上述三種砂漿配比需進行現場試驗，嚴格控制砂漿固結后強度，7 天強度應小于0.8MPa，避免后期固住盾體風險。

4.3 止水環箍

為防止水從管片滲透至掌子面，必須止水環箍，同時起到施工中的止水效果[3]。

①制作止水環箍，需要將同步注漿管充滿粘稠的膨潤土。

②在倒數第3～5 環通過吊裝孔注入雙液漿，每個孔位都得注。注飽滿后，開孔檢查，直至無水漿泄漏為止。

③雙液漿配比需現場試驗后確定。

④注入時，隨時觀察土壓變化請客，并且刀盤低速轉動，防止固結。

4.4 地表深孔注漿加固施工

地表加固區采用鉆注一體機，漿液使用無收縮雙液漿。加固范圍為5m（刀盤前2.0m、后3.0m），中心線兩側各6.0m。前方使用AC 液，深度為盾殼上方3.0m，下部直至中風化花崗巖。后方盾殼上方0.5m 用AB 液，盾殼上方0.5至3m 用AC 液，盾殼兩邊第一排孔使用AB 液，盾殼頂部以上0.5～3m 使用AC 液。先行施工盾體及兩側范圍內的AB 液注漿孔，再施工刀盤前方的AC 液注漿孔，同時注漿應遵循先施工外圈注漿孔，后施工內圈注漿孔。

4.4.1 定孔位

地表注漿孔布置如圖8 所示。

圖8 地表深孔注漿加固范圍平面及布孔圖/m

4.4.2 制漿

WSS 工法漿液初步配比如表1，具體配比根據現場試驗確定。必要時加入快凝材料確保效果。

表1 WSS 漿液配比表

4.4.3 壓漿

①為了達到止水加固的目的，各種漿液的范圍如圖9所示。刀盤前方加固示意圖祥見圖10。

圖9 盾體上方漿液的深度范圍示意圖

圖10 刀盤前方加固深度范圍/m

先注盾體上方孔位及靠近盾體兩側孔位，再注外排孔位，最后注其他孔位，壓力按大于理論水壓的0.5bar。

②注漿參數：初步擬定注漿參數見表2，施工中注漿參數應根據現場情況試樁進行適當調整、優化。

表2 注漿參數表

4.4.4 提升鉆桿

采用后退式分段注漿，每段長0.5m，每段在0.6m3左右。待底部達到要求后慢速提升鉆桿繼續下段注漿。

4.5 填倉、加固質量的檢查

開倉前首先打開隔板上的上部球閥，伸入80cm 長的硬物檢查是否漏水，根據砸入的情況判斷凝固的情。開倉前還應對土體氣密性檢查，若開挖倉壓力穩壓2 小時無變化或無較大波動，表明開挖面地層加固密實，具備帶壓進倉條件。

5 開倉換刀

5.1 開倉清理

本次換刀擬采用常壓開倉換刀，開倉門后，觀察倉內土體情況，掌子面穩定，則進行土倉清理。

清倉出來的雜物采用人工搬至皮帶運走。開口及切口環處換完刀后清理。將抽風機接到球閥的外側，進行土倉內的通風[4]。

5.2 刀具更換

在清倉過程中，每清理出來一把，對磨損情況進行分析，及時判斷其他刀具情況及下一步采取的措施[5]。清理出來一把就更換一把，不好更換的最后更換。每更換一把就用紗布或快凝水泥封堵間隙。

5.3 帶壓清理刀盤開口處

進倉前需進行保壓試驗，帶壓進倉清理刀盤開口流程圖如圖11。

圖11 帶壓進倉清理刀盤開口流程圖

帶壓時專人觀察掌子面，從下往上清理，渣土留在土倉，人出倉后排出。

5.4 刀盤脫困

刀盤脫困主要以下幾個步驟：

①清理完畢后，關閉倉門，直接轉刀盤。

②如第一步未轉動刀盤，收回所有推進油缸2～3cm，手動拉鉸接油缸，同時啟動刀盤，正向反向反復試驗，可實現刀盤脫困。

6 結束語

福州地鐵6 號線濱～壺區間盾構右線換刀施工，采用盾構機防包裹保護、水泥砂漿置換土倉渣土填倉，施作盾尾止水環，再進行地表深孔注漿加固，確保了開挖倉掌子面穩定。常壓換刀過程中未發生土體坍塌現場，周邊建筑物、地表、河流監測正常，且相對以往帶壓換刀工效更高。這一系列的措施可以為類似富水上軟下硬地層土壓平衡盾構常壓開倉換刀的技術難題提供借鑒作用。