地鐵盾構(gòu)工程建設(shè)中砂卵石地層土壓盾構(gòu)的開倉(cāng)換刀施工技術(shù)

王宏

[摘 ? ?要]大量案例與研究證明，在砂卵石地層中盾構(gòu)機(jī)的刀具耗損速度過快，而為確保在該類地層中施工的穩(wěn)定進(jìn)行，盾構(gòu)機(jī)不可避免需頻繁替補(bǔ)刀具。成都17號(hào)地鐵線北端盾構(gòu)隧道工程所穿越地層以富水砂卵石地層居多，工程采取常壓進(jìn)倉(cāng)方式替換刀具。文章以探究此工程的開倉(cāng)換刀加固方式為核心，提供在相似地質(zhì)內(nèi)施工欲設(shè)計(jì)常壓開倉(cāng)換刀加固方案。

[關(guān)鍵詞]地鐵工程;砂卵石;開倉(cāng);加固

[中圖分類號(hào)]TM73 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）05–00–03

Construction Technology of Opening Warehouse Changing Shield of Sand

Pebble Formation in the Construction of Subway Shield Engineering

Wang Hong

[Abstract]A large number of cases and studies have proved that the tool loss speed of shield machine in sand pebble stratum is too fast， and in order to ensure the stable construction in such strata， shield machine inevitably needs to replace tools frequently.In the case of shield tunnel project at the north end of Chengdu Metro Line 17， the stratum crossed through is mostly water-rich sand pebble stratum， and the project adopts the constant pressure inlet method to replace the tool.This paper will take the core of exploring the warehouse opening knife reinforcement method of this project， in order to desige the constant pressure warehouse opening knife reinforcement scheme in similar geology.

[Keywords]subway engineering; sand pebble; open warehouse; reinforcement

在近乎所有的成都地區(qū)砂卵石地層的掘進(jìn)工程中，開倉(cāng)換刀的作業(yè)平均每掘進(jìn)300 ～500 m就需進(jìn)行一次，究其原因，盾構(gòu)的刀具在對(duì)大粒徑卵石及孤石地層進(jìn)行削碎作業(yè)時(shí)，其損耗速度極快。為避免進(jìn)一步的刀盤磨損與伴隨而來的相關(guān)參數(shù)異常的情況，頻繁進(jìn)行換刀維持刀具耐久必不可少，如何確保換刀作業(yè)的安全性已關(guān)乎盾構(gòu)法在砂卵石地層施工成敗。

1 成都地鐵工程概況

此工程線路全長(zhǎng)為49.6 km，19座車站，工程為一、二期施工，本文對(duì)一期進(jìn)行探究。一期工程設(shè)計(jì)線長(zhǎng)25.8 km，細(xì)節(jié)如下：5.5 km高架段、0.5 km過渡段與19.8 km的地下段，線路上共有9座站，包括2座高架站與7座地下站，據(jù)量測(cè)9站間距平均為3.159 km，明光站至九江北站間為最大站距6.721 km，白佛橋站至機(jī)投橋站為最小站距1.398 km。線路所處地域具有良好的穩(wěn)定性及比較單一的巖性，主要以雜填土、素填土與黏性土為上覆巖土層，以卵石層為下部巖層，具有不低于50 m厚度的第四系土層，地下水埋深范圍4.00～9.60 m。

2 常壓開倉(cāng)換刀的風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)應(yīng)解決方法

2.1 開倉(cāng)換刀的風(fēng)險(xiǎn)

工程中，常壓開倉(cāng)普遍存在的風(fēng)險(xiǎn)如下：

（1）地表沉降與掌子面坍塌。進(jìn)行倉(cāng)壓開倉(cāng)祖業(yè)時(shí)，掌子面有幾率因開倉(cāng)變得不穩(wěn)定，地表出現(xiàn)沉降過深，掌子面發(fā)生坍塌，都會(huì)使進(jìn)倉(cāng)工作人員的生命受到威脅。

（2）土倉(cāng)涌水。開倉(cāng)換刀作業(yè)中，若出現(xiàn)降水井?dāng)嚯娛鹿剩瑢?huì)導(dǎo)致大量水涌入土倉(cāng)內(nèi)[1]。

2.2 解決方法

（1）為使掌子面穩(wěn)定，以預(yù)防地表沉降與掌子面坍塌風(fēng)險(xiǎn)，需使用地面隔離樁穩(wěn)定掌子面;

（2）為避免地下水涌入土倉(cāng)內(nèi)，需在刀盤最終停機(jī)位置處提前配置好適宜數(shù)目的降水井，并確保每個(gè)水泵都可備有應(yīng)急電源（發(fā)電機(jī)），開倉(cāng)作業(yè)嚴(yán)格遵循在水位低于刀盤0.5 m后進(jìn)行。

3 選擇與實(shí)施砂卵石地層所需常壓開倉(cāng)換刀加固方法

3.1 加固地表

對(duì)掌子面加固作業(yè)需選擇旋挖鉆或沖擊鉆對(duì)隔離樁進(jìn)行施工，沿單條施工隧道的中心線朝兩端共計(jì)設(shè)置7根隔離樁，細(xì)節(jié)如下：4根Φ1.2 m素樁、3根內(nèi)徑為1.2 m的Φ1.8 m空心鋼筋混凝土樁，確保樁底深入隧道底大于1 m，與距離聯(lián)絡(luò)通道開挖邊緣不低于1 m。具體細(xì)節(jié)可在保障修復(fù)作業(yè)時(shí)緊急逃生通道暢通與2根或以上的成樁空心樁且中心位置有空心樁成樁下，根據(jù)換刀點(diǎn)地質(zhì)條件及地面狀況對(duì)旋挖鉆或沖擊鉆施工的影響進(jìn)行空心樁的數(shù)目調(diào)整。

3.2 開倉(cāng)前的降水環(huán)節(jié)

基于研究與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，在不對(duì)砂卵石地層進(jìn)行擾動(dòng)狀態(tài)下，采取降水后，其所具備的良好骨架效對(duì)土體穩(wěn)定性具有保持功效。成都地鐵工程中所需穿越地層多為中密卵石層與密實(shí)卵石層，均具有水量大、滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)，滲透系數(shù)可達(dá)22 m/d，其地下水的水位在9～11 m較淺范圍?；诠こ虒?duì)于砂卵石地層降水施工豐厚的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)涌水量細(xì)致測(cè)算，降水井的配置點(diǎn)將與隧道中線兩端相聚6 m，數(shù)量2～5口，由φ300鋼筋混凝土管作為管井，確保管道達(dá)到盾構(gòu)機(jī)拱底下10 m，配備根長(zhǎng)2.5 m，總長(zhǎng)10～12.5 m的濾水管，提前7d以上進(jìn)行降水作業(yè)，把控降水井單井含砂量處于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)：粗砂含量不高于1/5萬;中砂含量不高于1/2萬;細(xì)砂含量不高于1/1萬。

4 開倉(cāng)換刀作業(yè)

4.1 管片背后降水與注漿

為確保砂漿置換的成功，預(yù)防成管背后來水涌入土倉(cāng)，基于砂卵石地層滲透系數(shù)大、水量多等特點(diǎn)，在管片背后采用整環(huán)雙液注漿使其形成止水環(huán)，以阻斷管片背后的來水[2]。二次注漿需選取在盾尾4環(huán)后，連續(xù)5環(huán)進(jìn)行。抽降水作業(yè)前，需完成管片后的同步和二次注漿工作，而在保證注漿料達(dá)到適宜強(qiáng)度后，進(jìn)行抽降水作業(yè)。

4.1.1 工程二次注漿配合比

工程中采取水玻璃+純水泥漿方法進(jìn)行二次注漿，漿液配比與相關(guān)細(xì)節(jié)參數(shù)：0.8～1.0的水泥漿水灰比;1∶1.5的水玻璃與水稀釋比;1∶1的水泥漿與水玻璃注入體積比。

4.1.2 二次注漿的施工要點(diǎn)

注漿前的準(zhǔn)備：選取適宜注漿孔位，配置好單向注漿逆止閥，將孔位后的保護(hù)層利用電錘進(jìn)行鉆穿，連接上三通、水泥漿與水玻璃管。進(jìn)行注漿作業(yè)時(shí)，水玻璃需在純水泥漿液注入1 min后再通過開啟閥門注入，終孔前需提高水玻璃濃度，當(dāng)注漿壓力達(dá)到4.0 bar時(shí)便可予以終孔?？椎淖⑷氤尚柙谧{完成后5～10min內(nèi)開啟注漿頭并疏通來檢驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重滲透現(xiàn)象，需進(jìn)行補(bǔ)注操作，直至觀察不到滲水現(xiàn)象[3]。在拆卸注漿頭，對(duì)注漿孔用雙快水泥砂漿實(shí)施封堵，將塑料螺堵蓋好后再進(jìn)行下一個(gè)空位重復(fù)注漿操作。

4.2 開倉(cāng)門的要點(diǎn)

（1）將減壓球閥開啟（若閥芯出現(xiàn)堵塞利用鐵絲疏通），平衡土倉(cāng)內(nèi)外氣壓后，擰下螺栓，松開壓板。為保證施工安全，在松下螺絲過程中，需時(shí)刻關(guān)注倉(cāng)內(nèi)壓力變化，若發(fā)覺異常，需立即擰好螺絲撤離。

（2）當(dāng)倉(cāng)門開啟，需評(píng)估刀盤前土體穩(wěn)定性與現(xiàn)場(chǎng)地下水情況，給予施工是否滿足進(jìn)行刀盤檢查條件的判定，若條件適宜，即刻對(duì)刀盤進(jìn)行查驗(yàn);若條件不適宜，為預(yù)防土體可能出現(xiàn)的坍塌威脅，需將木板朝前上方利用大錘敲入刀盤與土倉(cāng)間空隙，并每隔10 cm對(duì)刀盤進(jìn)土口敲入木支撐。

4.3 刀盤維護(hù)要點(diǎn)

4.3.1 刀盤磨損部位的修復(fù)

（1）刀盤外周磨損需進(jìn)行清理與打磨，而面板損耗區(qū)域需測(cè)量繪制其截面尺寸，如圖1示，為便于后續(xù)焊接操作，測(cè)出外圈所有位置量A、B尺寸后，基于結(jié)果使用碳刨與打磨不規(guī)則范圍，焊接時(shí)確保圓環(huán)保護(hù)刀距保徑刀區(qū)域的底端滿足70 mm高差以上。

（2）確保所有面板均規(guī)范焊接到5把保徑刀，保徑刀具體規(guī)范：距面板邊緣約210 mm、距中心約522 mm

（3）對(duì)于保徑刀間隙中溝槽磨損的修補(bǔ)，采用由寬90 mm的HARDOX板進(jìn)行冷軋制備的圓弧補(bǔ)板補(bǔ)滿。

4.3.2 切除擋板

對(duì)刀盤外周12處擋板中部分擋板進(jìn)行氣割切除，并碳刨下側(cè)筋板與刀盤外圈板使兩板分離。完工后，再對(duì)擋板切口與刀盤外圈板內(nèi)側(cè)碳刨處進(jìn)行打磨，使其平整（可用寬10 mm與高5 mm的耐磨網(wǎng)格堆疊在余下磨損面板部分上）。

4.3.3 延伸刮刀

刮刀安置在刀盤周邊刮刀與外圈板間隙，依圖安置事先已加工好的刮刀地板于輻條上，保證刮刀底部與前端刮刀孔心齊平后，進(jìn)行焊接，當(dāng)?shù)装灏仓煤霉蔚逗?，立即緊固螺栓，打緊扭矩，在螺栓孔內(nèi)注入螺紋密封膠。

4.4 刀具的替換

4.4.1 刀具替換的標(biāo)準(zhǔn)

在異常情況下進(jìn)行滾刀的替換，諸如：刀圈發(fā)生偏磨、漏油與脫離、擋圈發(fā)生斷裂或掉落、裂紋、挪位等;在正常損耗下滾刀替換需滿足：刀盤最外3把滾刀損耗超過10 mm，其余邊緣滾刀損耗不低于15 mm，正面滾刀損耗高于20 mm且中心滾刀損耗量超過25 mm。刮刀或齒刀的替換需滿足其合金齒缺損和耐磨層磨損完。

4.4.2 運(yùn)送刀具

為確保輸送過程安全性，運(yùn)輸所使用的吊具、鋼絲繩、木板等需嚴(yán)格檢測(cè)質(zhì)量，新刀具運(yùn)輸（由地面下井至進(jìn)入土倉(cāng)抵達(dá)換刀點(diǎn)）或舊刀具運(yùn)出地面的全過程需避免碰撞，吊點(diǎn)嚴(yán)禁設(shè)置在推進(jìn)油缸與鉸接油缸活塞桿處。為防止刀具于運(yùn)輸中不慎掉落砸壞油缸，運(yùn)輸前需將油缸回收。

4.4.3 刀具替換流程

基于現(xiàn)場(chǎng)狀況，在土倉(cāng)壁三點(diǎn)或九點(diǎn)位焊接上一個(gè)∠45的角鋼，以角鋼上搭置2塊尺寸為1 500 mm×200 mm×40 mm的木板作為換刀的平臺(tái)。

將刀盤選擇至三點(diǎn)或九點(diǎn)位（換刀位），并使用風(fēng)鎬鑿出位置與所換刀位置一致及容積和刀體積大致相同的刀坑。

所需替換的刀具轉(zhuǎn)入已鑿好的刀坑。

下面以滾刀作為范例，闡述替換流程，事先使用夾具將滾刀夾好。圖2為滾刀結(jié)構(gòu)示意圖。

（1）利用導(dǎo)鏈子將滾刀掛好。

（2）將自鎖螺帽放松。

（3）將球面墊圈、球窩與可調(diào)節(jié)壓塊移開。

（4）將楔形塊移開后，利用裝配桿撬出滾刀，必要時(shí)，握好楔形塊螺桿。

（5）從刀箱中拉出滾刀。

（6）移開滾刀。

（7）換刀點(diǎn)備好新滾刀。

（8）將滾刀底座清理潔凈并查看是否發(fā)生變形，無誤后進(jìn)行新滾刀的安裝。

（9）將楔形塊安裝。

（10）將球面墊圈、球窩與可調(diào)節(jié)壓塊恢復(fù)原位擰好。

（11）將保護(hù)蓋帽與螺母擰緊。

4.4.4 關(guān)于土倉(cāng)門關(guān)閉的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

（1）為確保換刀工作的完整性，在換刀結(jié)束后，對(duì)所替換刀具由機(jī)電部人員依照刀盤修復(fù)表的要求欄予以檢驗(yàn)，確保萬無一失。

（2）換刀負(fù)責(zé)人需在換刀結(jié)束后清點(diǎn)所領(lǐng)取的全部換刀工具，以防殘留于土倉(cāng)內(nèi)。

完成上述檢驗(yàn)步驟后，即可將土倉(cāng)門關(guān)閉。

4.5 對(duì)刀具進(jìn)行的改造

在不改變刀具最初設(shè)計(jì)理念的條件下，對(duì)刀具的加強(qiáng)與改造舉措需以保護(hù)刀盤外圓弧及降低其掘進(jìn)中異常損耗為核心。

4.5.1 對(duì)刀具的切割

使用替換下來的切刀采用線切割技藝制備成2孔切刀，如下圖3依照中線進(jìn)行初長(zhǎng)374.2 mm的外圓保護(hù)刀的切割工作。

4.5.2 增強(qiáng)刀盤外圓弧區(qū)域的相關(guān)舉措

（1）增強(qiáng)面板區(qū)域的舉措：在面板區(qū)域安置圓環(huán)保護(hù)刀，對(duì)其中較易磨損部位增加圓環(huán)保護(hù)刀。

（2）增強(qiáng)輻條區(qū)域的舉措：對(duì)于NO3與NO7輻條，需沿刀盤輻條圓周方向?qū)A環(huán)保護(hù)刀進(jìn)行布置;對(duì)于NO5、NO9和NO11處輻條，需沿圓周方向安裝兩把刀箱保護(hù)刀。

（3）延伸邊刮刀的舉措;安裝好事先已加工的刮刀座板于刀盤周邊刮刀和外圈板95 mm間隙上并予以焊接，隨后以100%MT檢測(cè)焊縫是否合格，在合格后利用螺栓將刮刀安裝并固定，最后注入螺紋密封膠于螺紋孔中。

（4）割除小檔板的舉措：對(duì)伸出面板的小檔板切除150 mm。

5 結(jié)語

在具備諸如多卵石、大粒徑、高強(qiáng)度等特點(diǎn)的砂卵石地層里進(jìn)行盾構(gòu)法施工實(shí)非易事，但與此同時(shí)這也是一種考驗(yàn)施工技藝與能力的挑戰(zhàn)。以成都地鐵17號(hào)線工程為案例，先介紹了砂卵石地層常遇的開倉(cāng)換刀難點(diǎn)及問題，并闡明其解決之道，之后對(duì)地表加固與降水開倉(cāng)措施進(jìn)行分析，展開了對(duì)開倉(cāng)換刀技術(shù)要點(diǎn)的探究。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐鵬.土壓平衡式盾構(gòu)穿越全斷面砂層渣土改良技術(shù)研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020（3）：32-33.

[2] 周洋，李艷.富水圓礫地層土壓平衡盾構(gòu)密閉始發(fā)技術(shù)研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020（17）：51-54.

[3] 占立浩.富水粉砂層地質(zhì)條件下地鐵3層換乘站土壓平衡盾構(gòu)接收施工技術(shù)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2021（4）：123-124.