上軟下硬地層盾構(gòu)法分區(qū)填倉常壓換刀施工

袁晏仁，徐長勝，王科偉，石 佳

(中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 401320）

隨著我國城市化的加速發(fā)展，盾構(gòu)法在城市地鐵隧道施工中的應(yīng)用也愈加廣泛，但由于盾構(gòu)本身的局限性，常規(guī)的開倉作業(yè)方式已難以應(yīng)對愈加復(fù)雜的地質(zhì)、水文情況。基于國內(nèi)的盾構(gòu)法施工經(jīng)驗(yàn)，刀盤、刀具在上軟下硬地層的沖擊破壞與異常磨損較為嚴(yán)重，存在常壓、帶壓更換刀具、修復(fù)刀盤、開挖面清障的施工需求。但在保壓效果差、基巖裂隙發(fā)育、承壓水豐富、土層自穩(wěn)性及抗?jié)B性差的上軟下硬地層，如何保證安全、效率地開倉作業(yè)仍是一個(gè)難題。本文提出一種化學(xué)漿液+水泥砂漿分區(qū)填倉常壓換刀技術(shù)，有效地解決了這一難題。

1 工程概況

徐州市城市軌道交通1號(hào)線某標(biāo)段區(qū)間隧道工程單線總長約724m，采用海瑞克?6 480土壓平衡盾構(gòu)施工。區(qū)間隧道埋深16.04～24.2m，主要穿越地層為全斷面粉砂層、上軟下硬地層和全斷面灰?guī)r地層，并穿越廢黃河斷裂帶，地下水豐富。

區(qū)間隧道自300環(huán)進(jìn)入上軟下硬地層，依次穿越上部粉砂、下部粘土層，上部粉砂、中部粘土、下部灰?guī)r地層，上部粘土、下部灰?guī)r地層，至406環(huán)，螺旋機(jī)噴涌嚴(yán)重，水量較大，推力、扭矩增大，速度降低至5mm/min左右。掘進(jìn)至408環(huán)時(shí)，邊緣滾刀刀具磨損檢測裝置報(bào)警，立即停機(jī)保壓、研討處理措施。

盾構(gòu)停機(jī)位置隧道埋深18.5m，根據(jù)地勘報(bào)告顯示隧道范圍內(nèi)下部4.2m為（12）4-3-2中風(fēng)化灰?guī)r，上部2m為⑤4-3粘土層，拱頂上部0.8m⑤4-3粘土層，4.9m②-6粉砂層（圖1）。

圖1 地質(zhì)斷面圖

②-6為粉砂性土，自穩(wěn)性差、氣密性差、滲水性強(qiáng)，與廢黃河存在水力聯(lián)系。⑤3-4硬塑粘土粘度較大、自穩(wěn)性較強(qiáng)，且為隔水層，工程性質(zhì)良好但隧道頂部黏土厚度不足1m。下伏基巖及穿越的基巖裂隙及巖溶發(fā)育，承壓裂隙水豐富，在前幾環(huán)掘進(jìn)過程中存在螺機(jī)嚴(yán)重涌水現(xiàn)象。同時(shí)考慮灰?guī)r巖面起伏、完整度好且強(qiáng)度較高（飽和單軸抗壓強(qiáng)度最大值為86.83MPa)，結(jié)合前幾環(huán)掘進(jìn)異常參數(shù)與磨損警報(bào)分析，可初步判斷刀盤、刀具存在嚴(yán)重磨損及沖擊破壞，并且刀座、刀箱也存在一定程度變形甚至破壞。

鑒于無法進(jìn)行地面加固，且地層裂隙發(fā)育、氣密性差、承壓水豐富，為確保掌子面穩(wěn)定、提供動(dòng)火作業(yè)施工條件、減小盾構(gòu)受困風(fēng)險(xiǎn)并縮短工期延誤，最終決定采取化學(xué)漿液+水泥砂漿分區(qū)填倉常壓換刀方案。

2 分區(qū)填倉開倉換刀技術(shù)

根據(jù)掌子面巖土分界情況，在土倉內(nèi)分區(qū)壓入化學(xué)漿液、水泥砂漿等固結(jié)材料，使刀盤前方和上方土體固結(jié)、封閉巖層裂隙，同時(shí)采取輔助措施封堵后方來水，形成一個(gè)長時(shí)間穩(wěn)定的開倉換刀環(huán)境，然后在常壓狀態(tài)下開挖固結(jié)填充料，并進(jìn)行刀具更換、刀盤修復(fù)等工作，該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）能有效解決上軟下硬地層土體自穩(wěn)性及抗?jié)B性差、保壓效果不理想、基巖裂隙發(fā)育及承壓水豐富等問題。

2）施工可操作性強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)低、工效高，能實(shí)現(xiàn)常壓條件的動(dòng)火作業(yè)，對刀具、刀盤進(jìn)行更專業(yè)化的修復(fù)工作。

3）無需進(jìn)行地面輔助措施，可以減少對地面交通的影響。

4）較常規(guī)填倉常壓開倉施工，盾構(gòu)受困風(fēng)險(xiǎn)小、填充料清理快捷、施工周期短、經(jīng)濟(jì)合理。

3 分區(qū)填倉常壓換刀關(guān)鍵技術(shù)

分區(qū)填倉常壓換刀施工流程為：施作封閉止水環(huán)→盾體及刀盤保護(hù)→分區(qū)填倉施工→土倉清理作業(yè)→刀盤、刀具檢查→刀具更換、刀盤修復(fù)作業(yè)→掘進(jìn)恢復(fù)準(zhǔn)備。

3.1 施作封閉止水環(huán)

1）向盾尾加注油脂，封閉盾尾，防止盾尾漏水、漏漿。

2）通過盾體徑向注漿孔注入水溶性聚氨酯形成封閉止水環(huán)，以隔絕前、后方來水、防止?jié){液裹住盾體。注入前需做好聚氨酯發(fā)泡試驗(yàn)及聚氨酯性能和配比試驗(yàn)，注入前和注入后需使用丙酮清洗管路。

3）對脫離盾尾后第4～6環(huán)管片整環(huán)注雙液漿，形成封閉止水環(huán)抑制隧道后方來水。注漿材料采用水泥漿+水玻璃，水泥漿∶水玻璃=1∶1，水泥漿水灰比為1∶1。

4）注漿需要控制注漿壓力和注漿量，防止?jié){液擊穿盾尾止?jié){板和盾尾刷。

5）盾尾管片封閉止水環(huán)施工完成后，打開注漿孔觀察止水情況，如果仍存在較大后方來水，可連續(xù)施作封閉止水環(huán)，并加注聚氨酯進(jìn)行封堵來水。

3.2 盾體及刀盤保護(hù)

1）通過盾尾同步注漿系統(tǒng)注入膨潤土泥漿，防止?jié){液凝結(jié)硬化抱死盾尾、堵塞同步注漿管路。

2）向盾尾密封系統(tǒng)加注油脂，防止盾尾漏漿、漏水。

3）通過盾體上的徑向注漿孔向盾殼周圍注入膨潤土泥漿或黃油，防止盾構(gòu)被漿液抱死，同時(shí)避免盾體因長時(shí)間停機(jī)而無法脫困。

4）根據(jù)盾構(gòu)的適配性，向刀盤密封系統(tǒng)注入適量的HBW/EP1/EP2油脂，防止刀盤主軸承密封受損。

3.3 碴土置換

1）通過膨潤土注入系統(tǒng)在中隔板3/9點(diǎn)位置的預(yù)留注漿孔注入高濃度膨潤土，泥漿按膨潤土∶水=1∶3的配比攪拌均勻，控制粘度在70～80S，同時(shí)可根據(jù)掌子面涌水情況適當(dāng)調(diào)整粘度增大至80～100S。

2）注入時(shí)打開頂部12點(diǎn)位的觀察孔，螺旋輸送機(jī)配合置換倉內(nèi)渣土，置換過程時(shí)需收集頂部排除的泥漿進(jìn)行粘度測試，粘度大于50S側(cè)可停止置換，否則繼續(xù)置換。置換保持倉內(nèi)壓力在2.0bar。

3）渣土置換完成后使用螺旋輸送機(jī)機(jī)排出土倉內(nèi)濃泥漿，然后再打開底部兩側(cè)球閥排出土倉底部剩余濃泥漿及積水。打開球閥前先給球閥接好延長軟管防止帶壓液體損壞盾構(gòu)配件、傷害作業(yè)人員。

3.4 分區(qū)填倉施工

1）開啟保壓系統(tǒng)保壓至理論土壓，保證掌子面的穩(wěn)定性，同時(shí)抑制巖層裂隙水滲透。

2）向泡沫口注入膨潤土泥漿，防止填倉漿液堵塞泡沫口。

3）收回螺機(jī)、關(guān)閉螺機(jī)前閘門（前閘門無法關(guān)閉時(shí)關(guān)閉螺機(jī)后閘門），打開兩側(cè)閘閥排出倉內(nèi)積水，待兩側(cè)閘閥冒氣后關(guān)閉閘閥。

4）根據(jù)巖土分界情況確定化學(xué)漿液需用量，預(yù)制水玻璃混合液（水玻璃∶水=1∶1）、磷酸混合液（磷酸∶水=1∶10），將水玻璃混合液注入膨潤土罐備用，將磷酸混合液注入盾構(gòu)砂漿罐備用(圖2)。

圖2 巖土分界情況及填倉分區(qū)計(jì)劃

5）分區(qū)填充水玻璃-磷酸混合液。①提前進(jìn)行水玻璃-磷酸混合液配合比試驗(yàn)，確保實(shí)際使用效果?？刂扑Ａ?磷酸混合后初凝時(shí)間在30～40s，形成強(qiáng)度較低、密封性較好的膠狀物體；②將膨潤土管路與同步注漿管路通過混合器接入土倉隔板3/9點(diǎn)位球閥，并打水路閥門進(jìn)行調(diào)試，確保管路及土倉隔板球閥通暢；③轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)整刀盤位置，為后續(xù)跟換刀具、修復(fù)刀盤提高更好的施工條件，在刀盤完成定位后進(jìn)行鎖定；④從3點(diǎn)位2個(gè)球閥同時(shí)分別注入磷酸混合液、水玻璃混合液，調(diào)整注入速率，保證磷酸混合液∶水玻璃混合液=1∶1注入；⑤根據(jù)土倉隔板上不同點(diǎn)位球閥檢查注入混合液的位置，直到混合液注入達(dá)到要求位置，如注入混合液高于保壓系統(tǒng)進(jìn)氣口位置，須提前關(guān)閉好保壓系統(tǒng)。

6）分區(qū)填充水泥砂漿。①提前進(jìn)行水泥砂漿配合比及性能試驗(yàn)，確保土層滲漏、固結(jié)密封效果；②使用同步注漿泵注入，在人倉12點(diǎn)位下部球閥連接好注漿管路，水泥砂漿配比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶砂∶水＝120∶380∶100∶200∶500；③注漿壓力控制在3.0～3.5bar，在注入前打開人倉上部12點(diǎn)位球閥，直到上部球閥排出砂漿后停止注漿；④監(jiān)控土倉1#傳感器，如壓力下降至2.0bar以下，向土倉壓入漿液至壓力達(dá)到3.5bar時(shí)停止壓漿。經(jīng)多次壓漿直到壓力穩(wěn)定保持在2.0bar時(shí)停止注漿，等待漿液凝固；⑤水泥砂漿注入完成后12h，從11點(diǎn)位球閥再次注入純水泥漿（水灰比1∶1）1m3左右，確保填倉效果，注漿壓力控制在3.0～3.5bar。

3.5 土倉清理、檢查換刀作業(yè)

分區(qū)填倉施工完成后，定期利用土倉壁上的預(yù)留孔對凝固填倉物進(jìn)行檢查，若能夠達(dá)到自穩(wěn)要求，施工人員即可根據(jù)作業(yè)需要開挖局部填倉物并進(jìn)入土倉，進(jìn)行刀具、刀盤的檢查、更換工作。倉內(nèi)氣體濃度應(yīng)滿足《盾構(gòu)法開倉及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》（CJJ217-2 014）。作業(yè)過程中通過小型的軸流風(fēng)機(jī)及消防水管壓注空氣至土倉內(nèi)底部，形成空氣循環(huán)，確保倉內(nèi)空氣供應(yīng)。

針對上軟下硬地層條件，上部土倉清理時(shí)注意保證刀盤開口及切口環(huán)完整，保證掌子面完整性，最大限度地保證常壓換刀環(huán)境的安全，并對面上部土層進(jìn)行支撐保護(hù)。清倉換刀過程中要注意掌子面的穩(wěn)定，如果填倉失敗，則重新進(jìn)行分區(qū)填倉步驟。

土倉清理作業(yè)由上往下分段進(jìn)行，每段碴土與泥餅清理完成后鑿除刀廂內(nèi)固結(jié)填倉料，然后進(jìn)行刀具、刀箱檢查與更換。如果清理過程中存在漏水應(yīng)及時(shí)進(jìn)行封堵或?qū)Я?，并在完成刀具更換后及時(shí)填充棉絮、紗布封堵空隙、抑制滲水，若倉內(nèi)水位較高，可以通過小型水泵排出積水。作業(yè)過程中同時(shí)檢查清理土倉內(nèi)的各類管路及壓力設(shè)備的完好。

換刀作業(yè)完成后，使用風(fēng)鎬從下往上破除阻礙部位，以保證后續(xù)掘進(jìn)恢復(fù)順利。倉內(nèi)作業(yè)完成后對土倉及刀盤前方進(jìn)行全面的檢查，避免工具、雜物遺漏在土倉內(nèi)。

3.6 掘進(jìn)恢復(fù)

1）重新恢復(fù)掘進(jìn)施工前，對盾構(gòu)配套設(shè)備、管路進(jìn)行檢修、維護(hù)，確定處于良好運(yùn)行狀態(tài)。

2）向盾體周圍注入膨潤土漿液，減少盾體的摩擦力。

3）恢復(fù)掘進(jìn)后，采用小推力、刀盤低轉(zhuǎn)速進(jìn)行掘進(jìn)，針對上軟下硬地層，控制貫入度為5～10mm/r。

3.7 地面監(jiān)測

分區(qū)填倉常壓換刀施工全過程中，需針對盾構(gòu)影響范圍，進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)加密，并根據(jù)沉降速率調(diào)整監(jiān)測頻率為1次/1h～1次/3h，同時(shí)安排專人進(jìn)行地面巡查，建立健全溝通機(jī)制和應(yīng)急反應(yīng)體系，確保突然情況發(fā)生時(shí)能快速反應(yīng)、迅速處置。

4 結(jié) 語

經(jīng)實(shí)際工程檢驗(yàn)，分區(qū)填倉常壓換刀施工技術(shù)，能有效解決上軟下硬地層保壓效果較差且不具備加固條件的換刀難題。同時(shí)施工所采用的化學(xué)漿液，能有效地封堵巖層裂隙、抑制來水，并大大地降低了清倉的工作難度，同時(shí)增強(qiáng)對刀盤、刀具的保護(hù)。本次成功的開倉施工經(jīng)驗(yàn)也為同類地層盾構(gòu)開倉提供了借鑒。

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