不良地質(zhì)條件下填倉法盾構(gòu)常壓開倉換刀技術(shù)要點(diǎn)研究

陳 斌，康志富

（廣東建科建設(shè)咨詢有限公司 廣州510500）

0 引言

盾構(gòu)施工由于其機(jī)械化程度高、工作效率高、施工對(duì)周邊環(huán)境影響小、安全性高等優(yōu)點(diǎn)在地鐵區(qū)間施工中應(yīng)用廣泛。盾構(gòu)在穿越不良地質(zhì)地段（如上軟下硬地段、砂層、全斷面硬巖、地質(zhì)斷裂帶等）時(shí)，盾構(gòu)刀具的磨損程度較為嚴(yán)重，需要頻繁的開倉檢查刀具及對(duì)磨損嚴(yán)重及損壞的刀具進(jìn)行更換。盾構(gòu)開倉［1-2］換刀的方式通常分為常壓開倉及氣壓開倉2 種形式，在穩(wěn)定性較好的地層或采取加固且效果良好時(shí)通常選擇常壓換刀，此種方式施工效率及安全性均較高，對(duì)地層穩(wěn)定性差且加固效果［3-5］難以保證的情況下通常采用氣壓開倉方式，氣壓開倉方式相對(duì)常壓開倉施工效率差、技術(shù)難度及施工風(fēng)險(xiǎn)較高。

當(dāng)采用氣壓開倉作業(yè)時(shí)，如遇動(dòng)火的情形，其安全風(fēng)險(xiǎn)加大，往往采用填倉法常壓開倉作為補(bǔ)充，本文以廣州市軌道交通7 號(hào)線某區(qū)間為實(shí)例，對(duì)填倉法常壓開倉的工藝流程及技術(shù)及安全管控重點(diǎn)等進(jìn)行研究、分析及總結(jié)，形成盾構(gòu)常壓填倉換刀的流程及技術(shù)要點(diǎn)。

1 填倉法常壓開倉施工程序

填倉法常壓開倉應(yīng)編制專項(xiàng)施工方案并通過專家評(píng)審及由參建相關(guān)各方審批后實(shí)施，其施工具體程序如下：填倉施工準(zhǔn)備工作?填倉施工前調(diào)解驗(yàn)收?填倉作業(yè)施工?倉內(nèi)砂漿鑿除作業(yè)?倉內(nèi)換刀作業(yè)?盾構(gòu)機(jī)清倉及脫困?盾構(gòu)恢復(fù)正常掘進(jìn)。

2 填倉法施工準(zhǔn)備工作技術(shù)要點(diǎn)

填倉法開倉準(zhǔn)備工作［6］對(duì)施工安全管控至關(guān)重要，參建各方需要對(duì)填倉施工前的準(zhǔn)備工作按計(jì)劃逐一檢查落實(shí)，具體檢查及管控要點(diǎn)如下：

2.1 地面加固及效果驗(yàn)證

盾構(gòu)機(jī)上方地面允許的情況下對(duì)盾構(gòu)開倉區(qū)域的影響區(qū)域土體進(jìn)行預(yù)加固處理，待加固體齡期及強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后對(duì)加固效果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 填倉材料配合比控制

根據(jù)地質(zhì)及水文特點(diǎn)設(shè)定填倉砂漿的質(zhì)量要求及技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)填倉砂漿進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)及組織現(xiàn)場(chǎng)試配，保證填倉砂漿質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 施作止水環(huán)

自脫出盾尾的第3 環(huán)管片開始進(jìn)行二次注漿，漿液通常采用雙液漿，注漿部位在3/9 點(diǎn)位以上并保證管片兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行，注漿壓力不超過0.5 MPa，注漿配比采用水泥∶水∶水玻璃=0.8∶1∶0.2，凝結(jié)時(shí)間控制在15～20 s。注漿過程采用信息化控制技術(shù)并實(shí)時(shí)調(diào)整注漿量，止水環(huán)的施作能保證盾體后方的止水效果良好，注漿過程應(yīng)根據(jù)管片狀態(tài)及時(shí)對(duì)注漿壓力進(jìn)行調(diào)整。

2.4 采取盾構(gòu)脫困保護(hù)措施

盾構(gòu)脫困的預(yù)控措施是盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)的重點(diǎn)，可利用盾構(gòu)體預(yù)留徑向注漿孔向盾殼周邊及盾體前方注入滿足一定指標(biāo)要求的膨潤土漿液的方式，保證盾殼不被填倉漿液抱死，保證盾構(gòu)開倉換刀完成后順利恢復(fù)掘進(jìn)。漿液配比（重量比）按膨潤土∶水=1∶3的比例拌制。膨潤土注入完成后，需通過盾體預(yù)留的徑向孔對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查和確認(rèn)。

2.5 地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)及監(jiān)測(cè)

在填倉法施工作業(yè)期間必須按報(bào)批的專項(xiàng)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)，刀盤上方布設(shè)3 個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在填倉法施工前應(yīng)采取監(jiān)測(cè)初始值燕及時(shí)開展監(jiān)測(cè)工作。監(jiān)測(cè)頻率一般為為2 次/1 d，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（沉降值或變形速率）達(dá)警戒值時(shí)需加大監(jiān)測(cè)頻率。

同時(shí)在填倉作業(yè)至盾構(gòu)復(fù)推全過程需安排專職安全人員進(jìn)行地面巡視檢查，在盾構(gòu)復(fù)推后仍需持續(xù)監(jiān)測(cè)直到地面沉降數(shù)值小于2 mm/d為止。

2.6 其他安全措施

開倉區(qū)域地面進(jìn)行警戒及圍蔽并安排專人值守，利用盾構(gòu)設(shè)備的主動(dòng)鉸接使刀盤回退5～10 cm，以保證填倉時(shí)砂漿充滿刀盤前方的間隙，并向土倉內(nèi)加注膨潤土。

3 填倉前的安全條件驗(yàn)收及技術(shù)保證措施

在填倉作業(yè)前，建設(shè)、施工及監(jiān)理方應(yīng)對(duì)填倉前的安全條件進(jìn)行檢查驗(yàn)收，并采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施，以保證施工安全，填倉法開倉條件檢查如圖1所示。

圖1 填倉法開倉條件檢查Fig.1 Inspection of Opening Conditions of Filling Method

⑴參建各方的管理人員如項(xiàng)目經(jīng)理、施工安全及技術(shù)負(fù)責(zé)人、總監(jiān)理工程師等相關(guān)安全質(zhì)量管理人員應(yīng)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管控。

⑵對(duì)施工管理及操作人員進(jìn)行安全技術(shù)交底并經(jīng)被交底人簽字確認(rèn)，對(duì)參加換刀的操作人員進(jìn)行安全教育培訓(xùn)并進(jìn)行體檢。

⑶填倉前對(duì)刀盤前方的工作面的安全情況進(jìn)行檢查和確認(rèn)，對(duì)地層穩(wěn)定性進(jìn)行分析和預(yù)判，對(duì)填倉過程中安排專職管理及安全人員全程監(jiān)控。

⑷對(duì)盾構(gòu)設(shè)備及配合施工的機(jī)具進(jìn)行認(rèn)真檢查，保證各相關(guān)機(jī)具設(shè)備狀態(tài)良好。

⑸填倉前向刀盤主軸承注入足量的HBW密封油脂，保證填倉過程中充填漿液的壓力不損壞刀盤密封。

⑹確認(rèn)應(yīng)急物資按應(yīng)急預(yù)案要求就位，且狀態(tài)良好。

⑺檢查地面指揮人員與填倉作業(yè)人員通訊是否暢通，檢查視頻監(jiān)控是否接到盾構(gòu)機(jī)處，方便地面指揮人員及時(shí)掌握填倉情況并進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控指揮。

4 填倉作業(yè)技術(shù)要點(diǎn)

4.1 填倉砂漿的拌制

采用商品砂漿或利用現(xiàn)場(chǎng)砂漿攪拌站，提供滿足設(shè)計(jì)配合比的填倉砂漿，采用電瓶車將砂漿運(yùn)輸?shù)轿徊㈦娖寇噧?chǔ)備的漿液輸送至漿箱內(nèi)。

4.2 清空土倉渣土

對(duì)倉內(nèi)渣土進(jìn)行外排，排土?xí)r需同時(shí)開啟倉內(nèi)保壓系統(tǒng)對(duì)土倉進(jìn)行壓保，保證土倉壓力在安全范圍（一般應(yīng)略高于盾機(jī)上部水土壓力），排土過程中地面儲(chǔ)漿罐備漿準(zhǔn)備隨時(shí)土倉回注，排土后需保留螺旋機(jī)內(nèi)渣土并保證筒壁內(nèi)渣土充滿，隨后關(guān)閉螺旋機(jī)后閘門，操作螺旋機(jī)正轉(zhuǎn)，使渣土壓縮密實(shí)以利于土倉保壓。

4.3 土倉內(nèi)砂漿填充

通過盾構(gòu)機(jī)土倉前壁球閥向土倉內(nèi)部灌注砂漿，灌漿過程應(yīng)保持連續(xù)，漿液灌入同時(shí)，便將電瓶車儲(chǔ)備的漿液輸送至漿箱內(nèi)，保證注漿連續(xù)，填倉過程應(yīng)遵守“等量替換、土壓不變”的灌漿原則，即灌注砂漿過程中同步調(diào)節(jié)倉壓，使倉壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)安全范圍內(nèi)，注漿過程中以適當(dāng)速度持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，填倉注漿到后期平衡閥有漿液流出進(jìn)，關(guān)閉盾構(gòu)氣壓系統(tǒng)，繼續(xù)灌漿保壓至一定壓力。

在填倉灌漿過程中應(yīng)隨時(shí)利用土倉壁上的不同位置的球閥檢查渣土置換效果。當(dāng)置換方量及土倉壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，再次通過土倉壁上球閥及盾構(gòu)體的徑向注漿孔對(duì)砂漿灌注情況進(jìn)行檢查，方法為采用空心管在球閥處插入土倉內(nèi)取砂漿樣進(jìn)行分析，若砂漿置換未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則需繼續(xù)進(jìn)行填充作業(yè)，若確定倉內(nèi)砂漿填充飽滿充分，則可終止砂漿灌注。

在整個(gè)填倉過程中，每隔30 min，以1 r/min 速度反轉(zhuǎn)螺旋機(jī)5 min，預(yù)防填倉砂漿回流包裹螺旋機(jī)的葉片，此過程需持續(xù)至灌漿完成后24 h。

4.4 填倉效果檢查及驗(yàn)證

填倉砂漿達(dá)到齡期及設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)方能進(jìn)行開倉作業(yè)。砂漿灌注完成后24 h后，開始逐步打開盾構(gòu)土倉壁后的球閥，檢查倉內(nèi)漿液凝固情況。填倉效果檢查按以下方法進(jìn)行：

⑴開倉前首先要檢查土倉內(nèi)漿液的凝固情況，可通過打開土倉壁上半部的球閥，用直徑10 mm 的鋼筋向土倉內(nèi)砸入，根據(jù)鋼筋的砸入難易初步判斷砂漿凝固情況；然后打開人閘倉門近處的球閥，觀察是否有水流出，同樣采用上述方法檢查土倉內(nèi)砂漿的凝固情況；如2種情況均滿足要求，則可開啟倉門進(jìn)行后續(xù)工作，否則，關(guān)閉球閥等待2 h 再次檢查，直至具備開倉條件。

⑵對(duì)前盾側(cè)壁注漿情況進(jìn)行檢查，先打開盾體上兩側(cè)的球閥觀察是否有水流出，再通采用打入鋼筋的方式，檢查前盾側(cè)壁注入漿液的凝固情況。如條件滿足，則表明前盾側(cè)壁加固效果良好。

⑶對(duì)盾構(gòu)刀盤前方砂漿填注效果進(jìn)行檢查，經(jīng)上兩步的安全確認(rèn)后，可打開人閘倉門進(jìn)行土倉內(nèi)砂漿的清理，清理至刀盤開口部位后，使用風(fēng)鉆向刀盤前方打探測(cè)孔，觀察前方滲水情況及檢查砂漿固結(jié)情況，如土體固結(jié)良好且無滲水時(shí)，則清倉工作可以繼續(xù)。

4.5 清倉及拆除更換刀具

滿足開倉條件且施工機(jī)具準(zhǔn)備到位后，打開倉門，從倉門位置開始清倉，開倉前應(yīng)委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行有毒有害氣體檢測(cè)并達(dá)標(biāo)，且整個(gè)清倉及換刀［7-9］過程應(yīng)持續(xù)檢測(cè)有毒有害氣體，清倉過程中嚴(yán)禁轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，清倉順序?yàn)橄惹謇韨}門上部及周邊砂漿體，然后向下清理至中心刀位置。

除砂漿過程盡量不要出現(xiàn)過鑿，否則應(yīng)立即對(duì)過鑿部位采用快硬水泥封堵。土倉內(nèi)砂泥處理完全后，再按計(jì)劃進(jìn)行刀具的更換，刀具更換時(shí)，應(yīng)先逐一清理及鑿除刀廂內(nèi)漿液，再進(jìn)行刀具更換工作。每完成更換一把刀具，均要及時(shí)用棉紗對(duì)刀具周邊空隙進(jìn)行封堵。

清倉時(shí)切口環(huán)縫隙、開口處、土倉上部20 cm砂漿應(yīng)保留不做清理，同時(shí)作好照明、通風(fēng)、氣體檢測(cè)及相應(yīng)安全防護(hù)［10］工作，以保證清倉及換刀工作的安全。

4.6 清倉、脫困及恢復(fù)掘進(jìn)

刀具安裝情況檢查正常后，開始對(duì)土倉內(nèi)、刀具縫隙、刀盤開口位置的砂漿進(jìn)行鑿除清理，鑿除時(shí)需注意鑿除順序，應(yīng)按照自上而下的順序，作好操作平臺(tái)的搭設(shè)。鑿除作業(yè)完成后向盾構(gòu)土倉內(nèi)注入膨潤土建立土壓進(jìn)行脫困，恢復(fù)掘進(jìn)。

5 工程實(shí)例及應(yīng)用效果分析

5.1 工程實(shí)例地質(zhì)及水文條件

廣州市軌道交通7 號(hào)線某區(qū)間，區(qū)間沿線地層變化較均勻，主要穿越砂質(zhì)粘性土〈5H－2〉、全風(fēng)化花崗巖〈6H〉、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖〈7H〉地層，上覆地層主要為砂質(zhì)粘性土〈5H-2〉、粉質(zhì)粘性土〈4N-2〉、中粗砂層〈3-2〉。停機(jī)刀盤位置地層為，下部微風(fēng)化花崗巖層〈9H〉，上部砂質(zhì)粘性土〈5H-2〉隧道埋深11.35 m。區(qū)間孤石發(fā)育，盾構(gòu)掘進(jìn)施工困難，對(duì)周邊環(huán)境影響較大，詳勘中間成果孤石揭露率25%，開倉區(qū)域地質(zhì)情況如圖2所示。

圖2 開倉區(qū)域地質(zhì)情況Fig.2 Geological Conditions of Opening Area

區(qū)間地下水埋深較淺，勘察資料顯示初見水位埋深約為1.4～3.2 m，對(duì)應(yīng)水頭標(biāo)高約為9.6～11.4 m；勘察期間測(cè)得的穩(wěn)定水位埋深約為1.5～3.3 m，對(duì)應(yīng)水頭標(biāo)高為9.7～11.5 m。穩(wěn)定水位的含水地層主要為粉細(xì)砂層〈3-1〉、中粗砂層〈3-2〉和礫砂層〈3-3〉。

5.2 填倉砂漿質(zhì)量要求

填倉砂漿質(zhì)量要求為試配強(qiáng)度等級(jí)為M2.5，初凝時(shí)間約5 h，3 d 強(qiáng)度0.5 MPa，7 d 強(qiáng)度1.0 MPa，漿液稠度12.5 m。配合比經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多次實(shí)驗(yàn)比對(duì)，最終確定的填倉砂漿配合比用量如表1所示。

表1 填倉砂漿配合比用量Tab.1 Scale of Mixture Ratio of Grain Filling Mortar

5.3 掌子面超前注漿加固

根據(jù)撐子面地質(zhì)水文情況分析，為保證倉內(nèi)作業(yè)安全及掌子面穩(wěn)定，利用中盾的超前注漿孔向盾構(gòu)刀盤前方上半部土體進(jìn)行超前注漿，漿液一般采用雙液漿，漿液配比為水泥漿∶水玻璃體積比=1∶1，注漿壓力控制在0.5～0.6 MPa。

5.4 填倉施工

2020年12月6日開始填倉注漿作業(yè)，填倉作業(yè)分7 次置換土倉內(nèi)的渣土，根據(jù)土倉內(nèi)的壓力情況每次置換3～5 m3，共灌注砂漿33 m3。填倉注漿作業(yè)用時(shí)1 d，等強(qiáng)時(shí)間為6 d。

填倉灌漿過程中同步調(diào)節(jié)倉壓，保持倉壓穩(wěn)定在1.35±0.05 bar范圍內(nèi)，注漿過程中以0.8 r/min勻速持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，注漿時(shí)安排人員隨時(shí)觀注土倉門口平衡閥，一旦有漿液流出，即時(shí)關(guān)閉盾構(gòu)氣壓系統(tǒng)，繼續(xù)灌漿使倉內(nèi)壓力達(dá)到1.4 bar。填倉法開倉效果如圖3所示。

圖3 填倉法開倉效果Fig.3 Effect of Opening Operation by Filling Method

5.5 土倉內(nèi)砂漿鑿除施工

砂漿鑿除采用人工加風(fēng)鎬的方式，從人倉口開始至中心刀底部，進(jìn)尺100 cm，深度至中心刀底部，深度約4.0 m，寬度約2.5 m，鑿除方量約15 m3。清倉部位如圖4所示。

圖4 鑿倉清理示意圖Fig.4 Chisel Warehouse Cleaning Schematic Diagram

5.6 刀具拆除及更換

磨損刀具、刀箱采用氣刨形式進(jìn)行拆除，2020 年12 月18～24 日完成刀具的拆除作業(yè)，共計(jì)拆除中心刀5把（編號(hào)為1-3、2-4、5-7、6-8、9-11）、刀箱4個(gè)（編號(hào)為5-7、1-3、2-4、6-8），倉內(nèi)刀箱焊接及更換下的刀具如圖5所示。

圖5 倉內(nèi)刀箱焊接及更換下的刀具Fig.5 Tool Drawing under Welding and Replacement of Tool Box in Warehouse

2020 年12 月30 日至2021 年1 月5 日，完成刀箱定位、安裝及刀盤修復(fù)作業(yè)。

2021 年1 月7 日完成5 把中心刀的安裝，本次換刀工作完成，并于當(dāng)日開始盾構(gòu)順利復(fù)推掘進(jìn)。

6 結(jié)論

本文結(jié)合盾構(gòu)施工工程實(shí)例，對(duì)不良地質(zhì)條件下填倉法盾構(gòu)常壓開倉換刀盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行分析和研究，總結(jié)了填倉法作業(yè)的安全及技術(shù)管控要點(diǎn)，成果在工程實(shí)際中應(yīng)用效果良好。研究表明當(dāng)在地質(zhì)條件不良且通過地面加固難以保證盾構(gòu)開倉安全的情況，采用填倉法常壓開倉進(jìn)行倉內(nèi)動(dòng)火作業(yè)適用、安全和可行。