盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬帶壓換刀施工技術(shù)

林永星

中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018

1 工程概況

徐州市城市軌道交通2號(hào)線(xiàn)一期工程08標(biāo)共包含2站2區(qū)間，2站分別是【姚莊站】、【七里溝站】，采用明挖法和半蓋挖法施工；2區(qū)間分別是【七里溝站～姚莊站區(qū)間】、【姚莊站～文博園站區(qū)間】，均采用盾構(gòu)法施工。

姚莊站～文博園站區(qū)間，線(xiàn)路由姚莊站引出后，沿御景路南側(cè)綠化帶內(nèi)布設(shè)，之后以R=450的曲線(xiàn)向南偏轉(zhuǎn)，與采空區(qū)巷道邊界距離約2.53米，與擬建萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)用地邊線(xiàn)距離約0.2米，為避讓擬建迎賓大道快速化立交橋樁，再以R=450的曲線(xiàn)向北偏轉(zhuǎn)，區(qū)間與橋樁最近距離約3.49米，最后以R=550的曲線(xiàn)向南偏轉(zhuǎn)到達(dá)文博園站[1]。

2 地層特點(diǎn)分析

隧道結(jié)構(gòu)頂板隨隧道起伏穿過(guò)的土層依次為：黏土5-3-4層、中風(fēng)化灰?guī)r10-1-3層、全風(fēng)化頁(yè)巖10-7A-1層。

隧道邊墻隨隧道起伏穿過(guò)的土層依次位于：黏土5-3-4層、全風(fēng)化頁(yè)巖10-7A-1層、全風(fēng)化頁(yè)巖10-7B-1層、中風(fēng)化灰?guī)r10-1-3層、強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖10-7B-2層。

姚文區(qū)間右線(xiàn)此次換刀位置284環(huán), 結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料顯示此地層從上到下依次是全風(fēng)化頁(yè)巖10-7A-1層、全風(fēng)化頁(yè)巖10-7B-1層、中風(fēng)化灰?guī)r10-1-3層的上軟下硬地層。

3 盾構(gòu)換刀常用施工的施工方法及方案比選

3.1 常壓換刀

常壓換刀是在不加氣壓的情況下，利用土體的自身穩(wěn)定性平衡倉(cāng)外的水土壓力，然后人員在常壓下進(jìn)入土倉(cāng)進(jìn)行刀具的更換作業(yè)。主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）安全性高。由于施工處于一個(gè)常壓過(guò)程中，常壓換刀施工相比帶壓換刀其安全性較高。

（2）工期短。常壓換刀更換一把刀具時(shí)間約為2小時(shí)，整個(gè)換刀施工在3天左右完成，相比于其他換刀方法，換刀效率明顯提高。

（3）施工成本低。相比帶壓換刀、填倉(cāng)換刀，其人工等費(fèi)用會(huì)節(jié)省很多。缺點(diǎn)：常壓換刀限制條件較為嚴(yán)格，對(duì)地層穩(wěn)定性要求較高，需要地層自穩(wěn)性較強(qiáng)，或在地層自穩(wěn)性強(qiáng)度不足時(shí)需對(duì)其進(jìn)行預(yù)加固。

3.2 帶壓換刀

帶壓換刀是利用盾構(gòu)機(jī)自帶的兩臺(tái)空壓機(jī)或輔助壓氣設(shè)備，對(duì)土倉(cāng)進(jìn)行加氣壓，將土倉(cāng)內(nèi)的水、土用空氣進(jìn)行置換，用氣壓代替原來(lái)的水土壓，建立土倉(cāng)內(nèi)氣壓和倉(cāng)外水土壓力平衡，然后人員進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)帶壓作業(yè)，進(jìn)行刀具的更換。

優(yōu)點(diǎn)：適用于地層穩(wěn)定性差、掌子面不穩(wěn)定地層，帶壓換刀可以有效地保持掌子面穩(wěn)定及避免地表塌陷。

缺點(diǎn)：作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高、作業(yè)成本較高、耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng)。

3.3 填倉(cāng)換刀

填倉(cāng)換刀是利用前盾隔板注入孔，向土倉(cāng)內(nèi)注入水泥漿，用水泥漿替換原狀土將土倉(cāng)填充飽滿(mǎn)，待漿液固結(jié)后，人工挖除漿塊，從而進(jìn)行換刀作業(yè)。

優(yōu)點(diǎn)：①適用性廣泛，適合穩(wěn)定性較差的地層以及常壓帶壓均不能滿(mǎn)足的情況；②安全性較高。

缺點(diǎn)：①填倉(cāng)時(shí)間較長(zhǎng)；②清倉(cāng)時(shí)間較長(zhǎng)；③換刀效率低；④易造成泡沫管路堵需清理⑤可能造成水泥漿包裹盾體的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，姚文區(qū)間地層屬于上軟下硬，若采用常壓換刀需地面進(jìn)行加固，由于場(chǎng)地限制，水電都未鋪設(shè)到位，需加固的位置頂部均有架空高壓線(xiàn)，加固型不能采用加固效果較好的三軸攪拌樁（高度不夠），只能采用旋噴樁，但旋噴樁效果在5-3-4黏土中加固效果不太理想，并且加固成本較高等因素，不宜采用常壓換刀方法。填倉(cāng)換刀工期較長(zhǎng)且操作復(fù)雜，故姚文區(qū)間換刀方案最終選擇帶壓換刀。

4 姚文區(qū)間帶壓換刀施工流程

4.1 管片施做止水環(huán)

根據(jù)水文資料顯示，姚文區(qū)間含水豐富，短時(shí)間匯水能力較強(qiáng)，但水壓不高。需在盾體后方注雙液漿做止水環(huán)。按照水泥：水=1：1（質(zhì)量比），水泥漿：水玻璃=1:1（體積比）的比例注雙液漿，漿液的初凝時(shí)間在45s左右。在2號(hào)臺(tái)車(chē)、1號(hào)臺(tái)車(chē)間、連接橋三處施做止水環(huán)，確保盾體后部水不向刀盤(pán)涌入。然后通過(guò)盾體徑向孔向盾體外注入20m3左右高濃度膨潤(rùn)土漿液，起到止水及加固盾體上方土體的作用。

4.2 掌子面做泥膜

向土倉(cāng)內(nèi)注入高濃度膨潤(rùn)土。加膨潤(rùn)土過(guò)程中如果土倉(cāng)壓力過(guò)高，適當(dāng)出土，再加膨潤(rùn)土?？刂仆羵}(cāng)壓力在2.0bar以?xún)?nèi)，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)，使膨潤(rùn)土充分進(jìn)入刀盤(pán)周?chē)貙?，形成氣壓保護(hù)膜。

4.3 加壓試驗(yàn)

（1）人艙加壓試驗(yàn)。人艙是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分，是將人從大氣壓力環(huán)境下傳送到一個(gè)高壓環(huán)境下的設(shè)備，是工作人員進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)進(jìn)行維修的通道，同時(shí)也是工作人員休息的場(chǎng)所。為保證人員安全，正常施工前，首先對(duì)空壓機(jī)、人艙內(nèi)的設(shè)備等進(jìn)行檢查，配備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)以保證供電的連續(xù)性，然后需對(duì)人艙進(jìn)行無(wú)人加壓試驗(yàn)，檢查人艙的氣密性，以確保工人在施工過(guò)程中出現(xiàn)不必要的狀況。

（2）土倉(cāng)保壓試驗(yàn)。開(kāi)倉(cāng)前應(yīng)進(jìn)行泥膜制造及保壓試驗(yàn)，確保土倉(cāng)密閉性后才能確定采用氣壓開(kāi)倉(cāng)方案。首次泥膜制造完成后，開(kāi)啟保壓系統(tǒng)，用空氣緩慢置換出土倉(cāng)內(nèi)的泥漿，將土倉(cāng)內(nèi)泥漿排至半倉(cāng)左右，保持工作壓為控制值+0.1bar持續(xù)4小時(shí)，由一臺(tái)空壓機(jī)給保壓系統(tǒng)供氣，通過(guò)觀(guān)察倉(cāng)內(nèi)氣壓的變化情況，監(jiān)視空壓機(jī)的供氣情況，同時(shí)在地面進(jìn)行沉降觀(guān)測(cè)，檢查地面是否有氣體泄漏，以判定切口面是否穩(wěn)定，從而確定是否具備氣壓開(kāi)倉(cāng)條件。保壓試驗(yàn)過(guò)程中詳細(xì)記錄空壓機(jī)和保壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。土倉(cāng)保壓試驗(yàn)成功完成后，按泥膜制造流程再造一次泥膜。

4.5 開(kāi)倉(cāng)清理及檢查刀具

姚文區(qū)間始發(fā)段為黏土，依次經(jīng)過(guò)全風(fēng)化頁(yè)巖、中風(fēng)化灰?guī)r，由于地層的軟硬不均，極易出現(xiàn)刀盤(pán)結(jié)泥餅的現(xiàn)象，開(kāi)倉(cāng)換刀時(shí)需對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行清理，清理完畢后對(duì)刀具進(jìn)行全面的檢查以及量取其磨損量，按照磨損量進(jìn)行確定需要更換的刀具。

4.6 更換刀具

當(dāng)確定更換的刀具后，進(jìn)行更換，由于換刀是在1.3 bar的壓力下施工，所以每倉(cāng)施工工作時(shí)間為5小時(shí)左右（包含加壓以及減壓過(guò)程），對(duì)更換刀具速度有很大的影響。

4.7 關(guān)倉(cāng)推進(jìn)

帶壓換刀會(huì)對(duì)掌子面造成一定的影響，更換刀具完成，在恢復(fù)正常掘進(jìn)時(shí)，需對(duì)停機(jī)換刀時(shí)刀盤(pán)位置進(jìn)行補(bǔ)漿處理，防止后期出現(xiàn)沉降等現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

地鐵盾構(gòu)工程現(xiàn)階段正蓬勃發(fā)展，由于各地方地質(zhì)、水文等情況不同，在施工過(guò)程中需要更換刀具時(shí)，要根據(jù)地質(zhì)、水文以及地面環(huán)境等來(lái)綜合考慮換刀方法，才能有效避免安全事故的發(fā)生。

[1] 胡勝利,喬世珊.土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)—盾構(gòu)機(jī)系列講座之二[J].建筑機(jī)械,2000,(1):24-26