砂土狀強風化巖地層盾構機帶壓開倉換刀施工技術研究

王成宗（中鐵十七局集團上海軌道交通工程有限公司，上海 200333）

1 概 述

1.1 工程概況

無錫至江陰城際軌道交通工程PPP項目汽車客運站—江陰高鐵站區間左線總長1 426.576 m，管片外徑為6.7 m，左線采用一段曲線，曲線半徑為815 m。區間縱斷面為“V”型節能坡，線路出汽車客運站以24‰坡度下降，然后以緩坡5.14‰上升，最后再以17.065‰坡度上坡至江陰高鐵站。隧道埋深為10.01 m～19.15 m。本工程采用中交天和盾構機擔當掘進任務，盾構機掘進至砂土狀風化巖層時，需將原16把刀盤中心可更換撕裂刀和28把正面及邊緣可更換撕裂刀拆下，安裝上16把中心滾刀和28把正面及邊緣滾刀。

1.2 工程地質與水文地質

汽車客運站—江陰高鐵站區間主要穿越②2砂質粉土、②3淤泥質粉質黏土、②4粉質黏土、③黏土、⑥1-1砂質粉土夾粉砂層、⑥2黏土、?2強風化石英砂巖、?3中風化石英砂巖。左線隧道JXDK7+123.6287～JXDK8+307.055位于黏土地層，在里程JXDK8+307.055～JXDK8+562.800位于強風化巖地層，穿過強風化巖地層后到達高鐵站完成接收，強風化巖層長度約256 m，約占區間總長18%。

根據地質勘察，區間微承壓水主要賦存于⑥1-1砂質粉土夾粉砂層中，具微承壓性。場地內無承壓水，無須降水。

2 盾構機帶壓開倉換刀的必要性分析

2.1 盾構機刀具磨損分析

汽車客運站－江陰高鐵站區間前972環均以粉土、黏土地層為主，還含有一定程度的磨礪性較強的粉砂。在該類型區間推進，最大的風險來自刀盤中心泡沫口堵塞以后，渣土改良效果減弱，導致刀盤中心產生結泥餅現象，極大影響盾構推進效率。考慮軟土地層中易結泥餅，如前期安裝滾刀，因滾刀軸承采用H924045/10型號，該軸承理論徑向荷載為14.4 t，理論軸向荷載為16.7 t，軟土地層中不滿足中心滾刀承載力需求，刀具上會產生結泥餅，以致磨偏。前期刀具按照軟土刀具配置，盾構機掘進至972環位置后，開挖斷面下半部存在中風化砂巖，推進速度慢，刀盤扭矩大、推力大。安裝的撕裂刀存在部分刀頭被磨掉的現象，無法滿足掘進需要。

2.2 帶壓換刀的必要性

汽車客運站－江陰高鐵站區間左線位于979環時，隧道埋深約13.4 m。勘察后發現，盾構掘進掌子面土層上部為⑥2黏土，開挖面內為?2強風化石英砂巖，部分夾渣砂土狀強風化巖，下部為?3中風化石英砂巖。由于掌子面中間部位強風化巖部分夾渣，局部土質自穩性差，如選擇常壓換刀，則掌子面沒有支撐，坍塌風險高。為保證盾構機安全換刀，選擇帶壓換刀。

3 帶壓換刀主要施工技術控制點

帶壓換刀施工主要流程如圖1所示。

圖1 帶壓換刀施工主要流程圖

3.1 換刀地點的選擇

本次換刀地點通過1次地質詳勘和1次地質補勘驗證，確定選取對應里程為左JXDK8+307.055，對應左線環數為979環，地面周邊為空地，該范圍內換刀位置盾構掘進掌子面土層上部為⑥2黏土，開挖面內為?2強風化石英砂巖，部分夾渣砂土狀強風化巖，下部為?3中風化石英砂巖。

3.1.1 地質詳勘

根據隧道平縱斷面圖，初步分析風化巖層位置，進行地質初選。盾構機到達里程JXDK8+299.855之前，邀請勘察單位對初選地址進行詳勘，隧道周邊選取6個位置進行了地勘，編號BK1～BK6。地勘完成后及時對探孔回灌水泥漿。在BK6位置土層從上到下依次為③粉質黏土、⑥2黏土、?2強風化石英砂巖、?3中風化石英砂巖。

3.1.2 地質補勘驗證

根據盾構掘進情況，判斷盾構機刀盤已進入巖石層。為更進一步準確了解目前盾構機所處位置地層情況，在盾構機刀盤前方50 cm處，采用旋挖鉆機取孔2個，進行補勘（如圖2所示）。

圖2 停機位置補勘平面圖

旋挖鉆取芯結果與詳勘結果吻合。經過驗證，換刀位置土層隔水性好，無須降水井施工。考慮換刀位置土層開挖斷面有部分砂土狀強風化巖，為確保施工安全，選擇帶壓換刀施工。

3.2 盾構停機前準備

3.2.1 同步注漿

停機前需對注漿管路進行檢查，確保注漿管路暢通。盾構機理論同步注漿量為3.5 m3/環，保證盾構機帶壓換刀的嚴密性，填充系數取1.8，每環實際注入6.5 m3。停機前注漿需要連續不斷，使漿液充分填充管片與土體之間的縫隙，來確保盾構機前方的氣密性。

3.2.2 盾體徑向注漿

為了加強盾構機刀盤前方密封性，需穩定建壓。利用中盾注漿孔，向外殼注入克泥效漿液，利用克泥效漿液的不透水性包裹盾構機，阻止周圍的水土流入刀盤前方，注漿時嚴格控制注漿壓力，避免克泥效漿液流入刀盤。

3.2.3 鉸 接

由于滾刀長度比撕裂刀長4 cm，停機時掌子面土體緊貼刀具，如直接更換成滾刀，在滾刀安裝時，理論上刀具嵌入掌子面約4 cm，換刀時就需要人工向巖土中鑿進，增加換刀作業風險。因此在盾構機停機前10環時，開啟5 cm行程的主動鉸接，當到達預定停機點時，縮回鉸接，為滾刀安裝提供作業空間。

3.3 環箍施工

在盾構機停機后，對倒數第4～5環管片注入雙液漿，形成環箍，加強脫出盾尾管片外部土體的密封性，阻止管片后方的水通過通道滲入至盾構機刀盤前方，雙液漿配比采用水灰比∶水玻璃=1∶1。環箍施工完成后，對環箍前方管片吊裝孔鉆孔，鉆孔深度50 cm，鉆孔后無水流出，說明環箍施工情況良好，起到了有效止水效果。

3.4 壓力確定

盾構機所受土壓力示意圖如圖3所示。

圖3 地層土壓力計算模型

式中：Pe——隧道拱頂的豎向壓力；

P1——拱頂水平土壓力；

P2——拱底水平土壓力；

Pe0——地面荷載；

Pe1——上覆土重；

Pf——盾構機底部的均布壓力；

h——上覆土厚度；

L——盾構機長度；

D——盾構機直徑；

G——盾構機自重。

換刀期間作業人員工作點位為0～3點或9～12點，換邊緣滾刀只需把土倉內渣土排出3/4，換中心滾刀時只需把土倉內渣土排出1/2即可。刀盤中心位置土壓取值略大于理論計算值的上、下限之間。

3.5 克泥效輔助保壓

為保證盾構機帶壓換刀順利進行，采用克泥效泥膜護壁輔助保壓措施。陸續采用加泥系統，通過土倉上的加水孔注入克泥效漿液置換土倉內渣土，注入過程中保證倉內壓力基本穩定。通過3 d的渣土置換和土倉內持續保壓，完成泥膜建模。泥膜建模期間，土倉壓力保持在1.8 bar。

3.5.1 克泥效液制備克泥效液由A液和B液混合制備而成，先用克泥效和水，以重量1∶2比例混合獲得克泥效液，然后克泥效液和水玻璃按照20∶1的比例進行混合，獲得克泥效混合液后注入土倉。

3.5.2 克泥效注入及置換

采用注漿泵和攪拌箱進行克泥效配置，使用1臺37 kW的注漿泵負責克泥效注入，一臺7 kW注漿泵負責水玻璃注入。2種漿液通過三通管路混合后，通過刀盤注入孔注入土倉內。在克泥效制作過程中，對水、A組分和B組分的用量嚴格按配比控制，每次拌漿2 m3，通過流量計進行控制。一邊向土倉內注入克泥效漿液，一邊通過螺旋機排出渣土，注入時刀盤保持低速轉動。注入過程中保證倉內壓力基本穩定，克泥效全部注完，繼續保持刀盤勻速轉動一定時間，確保刀盤前方泥膜有效建成。

在克泥效置換渣土過程中，一般設置壓力應略高于工作壓力。保壓時間為120 min，再對頂部、3點、9點部位進行放漿取樣驗證，確保克泥效泥膜建模完成。

3.6 氣密性試驗

泥膜建模完成后，進行了排土換氣作業，將土倉內渣土排出約1/4，邊排出邊加壓，排土期間保證土倉氣壓表壓力為1.8～1.9 bar。啟動螺旋機閘門，通過螺旋機出土將克泥效帶出。當艙內克泥效上半部分排出后，進行保壓試驗，2 h壓力降至85%以上為合格。當保壓試驗成功后，工作人員按照進倉流程，進行帶壓作業。

3.7 帶壓開倉換刀

3.7.1 人倉加壓減壓技術

人員進入人倉，人倉加至與土倉相一致的壓力，打開人倉與土倉連接的閘門，工作人員進入土倉后，封閉閘門，開始換刀作業。帶壓換刀加減壓原理圖如圖4所示。

圖4 帶壓換刀加減壓原理圖

人員進入人倉后，人倉加壓，緩慢地提高人倉的壓力，加壓速率控制在0.05 MPa/10 min～0.1 MPa/10 min。本工程設定土倉壓力為P1=1.8 bar，加壓速度按1 bar/10 min控制，共需20 min。

人倉加壓至P2=1.8 bar后，人倉內作業人員打開閥門與土倉相連接，進行壓力平衡。當壓力平衡后，作業人員進入土倉作業，一般開倉前先進行30 min活體試驗，試驗成功后，打開艙門線觀察掌子面土體情況，是否有滲漏水坍塌風險。

按照作業人員的身體承受能力，每組工作時間規定為3 h，工作完成后進去人倉減壓出倉，更換下一組作業人員。人員進入人倉，關閉與土倉連接閘門。用“人倉放氣”球閥將人倉內的壓力降至與外部壓力一致時，作業人員出倉。帶壓工作加減壓表如表1所示。

表1 帶壓工作加減壓表

3.7.2 換刀施工

本次需要更換的刀具分別為：將16把刀盤中心可更換撕裂刀和28把正面及邊緣可更換撕裂刀拆下，安裝上16把中心滾刀和28把正面及邊緣滾刀。

當檢查完刀盤、刀具后，從外圈向中心刀依次更換刀具，先換正面刮刀，再換周邊刮刀，最后換中心刮刀；在土倉頂部設置吊點，用1.5 t的葫蘆吊住舊刀，作業人員拆除舊刀螺栓，再通過手動葫蘆將舊刀轉運出倉。利用相反的順序更換新刀，將新刀通過螺栓緊固。

3.8 質量檢查與恢復推進

當新刀全部更換完成，工作人員將攜帶的工具全部清除出倉，仔細確認無誤后關閉土倉門，質檢工程師要對所有的刀具安裝質量進行檢查。檢查無誤后，通過注漿管道對土倉注入膨潤土，一邊注入膨潤土，一邊排除倉內空氣，過程中保持壓力平衡穩定。土倉內重新建立土壓平衡后，啟動刀盤與推進系統恢復盾構掘進。

換刀共計歷時7 d，3班組24 h作業，地面沉降變化最大點位DBZ970-5，變化速率為－1.15 mm/d，累計沉降－17.08 mm。

采用克泥效輔助保壓措施、掌子面建立泥膜以及分級加壓措施，有效地保證了掌子面的土體穩定，降低了盾構機開倉換刀的風險。在盾構施工過程中，應用克泥效填倉保壓技術可成功處理盾構機帶壓換刀安全技術問題，提高了盾構機在復雜地層中掘進的可行性。

5 結 語

準確選擇換刀點，地面沉降控制在合理范圍內，減少了對周邊建筑物的影響；采用克泥效輔助保壓措施、掌子面建立泥膜以及分級加壓措施，有效地保證了掌子面的土體穩定，降低了盾構機開倉換刀的風險。在盾構施工過程中，遇到無法采用常規方式進行刀盤檢查或需進行刀具更換等作業的施工難題時，應用本技術可成功處理，提高了盾構機對復雜地層的適應性。

4 施工效果

為了確保盾構機開倉安全，及時準確地了解地面沉降情況，本次在盾構機刀盤上方布置了32個監測點（如圖5所示），每天進行3次監測，方便及時準確地掌握施工情況。

圖5 開倉位置地面監測點布置圖