砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖地層盾構(gòu)機(jī)帶壓開倉換刀施工技術(shù)研究

王成宗（中鐵十七局集團(tuán)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(xiàng)目汽車客運(yùn)站—江陰高鐵站區(qū)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(qū)間縱斷面為“V”型節(jié)能坡，線路出汽車客運(yùn)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(gòu)機(jī)擔(dān)當(dāng)掘進(jìn)任務(wù)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至砂土狀風(fēng)化巖層時(shí)，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(zhì)與水文地質(zhì)

汽車客運(yùn)站—江陰高鐵站區(qū)間主要穿越②2砂質(zhì)粉土、②3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②4粉質(zhì)黏土、③黏土、⑥1-1砂質(zhì)粉土夾粉砂層、⑥2黏土、?2強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖、?3中風(fēng)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(qiáng)風(fēng)化巖地層，穿過強(qiáng)風(fēng)化巖地層后到達(dá)高鐵站完成接收，強(qiáng)風(fēng)化巖層長度約256 m，約占區(qū)間總長18%。

根據(jù)地質(zhì)勘察，區(qū)間微承壓水主要賦存于⑥1-1砂質(zhì)粉土夾粉砂層中，具微承壓性。場地內(nèi)無承壓水，無須降水。

2 盾構(gòu)機(jī)帶壓開倉換刀的必要性分析

2.1 盾構(gòu)機(jī)刀具磨損分析

汽車客運(yùn)站－江陰高鐵站區(qū)間前972環(huán)均以粉土、黏土地層為主，還含有一定程度的磨礪性較強(qiáng)的粉砂。在該類型區(qū)間推進(jìn)，最大的風(fēng)險(xiǎn)來自刀盤中心泡沫口堵塞以后，渣土改良效果減弱，導(dǎo)致刀盤中心產(chǎn)生結(jié)泥餅現(xiàn)象，極大影響盾構(gòu)推進(jìn)效率?？紤]軟土地層中易結(jié)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(chǎn)生結(jié)泥餅，以致磨偏。前期刀具按照軟土刀具配置，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至972環(huán)位置后，開挖斷面下半部存在中風(fēng)化砂巖，推進(jìn)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(xiàn)象，無法滿足掘進(jìn)需要。

2.2 帶壓換刀的必要性

汽車客運(yùn)站－江陰高鐵站區(qū)間左線位于979環(huán)時(shí)，隧道埋深約13.4 m?？辈旌蟀l(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面土層上部為⑥2黏土，開挖面內(nèi)為?2強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖，部分夾渣砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖，下部為?3中風(fēng)化石英砂巖。由于掌子面中間部位強(qiáng)風(fēng)化巖部分夾渣，局部土質(zhì)自穩(wěn)性差，如選擇常壓換刀，則掌子面沒有支撐，坍塌風(fēng)險(xiǎn)高。為保證盾構(gòu)機(jī)安全換刀，選擇帶壓換刀。

3 帶壓換刀主要施工技術(shù)控制點(diǎn)

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(diǎn)的選擇

本次換刀地點(diǎn)通過1次地質(zhì)詳勘和1次地質(zhì)補(bǔ)勘驗(yàn)證，確定選取對應(yīng)里程為左JXDK8+307.055，對應(yīng)左線環(huán)數(shù)為979環(huán)，地面周邊為空地，該范圍內(nèi)換刀位置盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面土層上部為⑥2黏土，開挖面內(nèi)為?2強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖，部分夾渣砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖，下部為?3中風(fēng)化石英砂巖。

3.1.1 地質(zhì)詳勘

根據(jù)隧道平縱斷面圖，初步分析風(fēng)化巖層位置，進(jìn)行地質(zhì)初選。盾構(gòu)機(jī)到達(dá)里程JXDK8+299.855之前，邀請勘察單位對初選地址進(jìn)行詳勘，隧道周邊選取6個(gè)位置進(jìn)行了地勘，編號BK1～BK6。地勘完成后及時(shí)對探孔回灌水泥漿。在BK6位置土層從上到下依次為③粉質(zhì)黏土、⑥2黏土、?2強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖、?3中風(fēng)化石英砂巖。

3.1.2 地質(zhì)補(bǔ)勘驗(yàn)證

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)情況，判斷盾構(gòu)機(jī)刀盤已進(jìn)入巖石層。為更進(jìn)一步準(zhǔn)確了解目前盾構(gòu)機(jī)所處位置地層情況，在盾構(gòu)機(jī)刀盤前方50 cm處，采用旋挖鉆機(jī)取孔2個(gè)，進(jìn)行補(bǔ)勘（如圖2所示）。

圖2 停機(jī)位置補(bǔ)勘平面圖

旋挖鉆取芯結(jié)果與詳勘結(jié)果吻合。經(jīng)過驗(yàn)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(qiáng)風(fēng)化巖，為確保施工安全，選擇帶壓換刀施工。

3.2 盾構(gòu)停機(jī)前準(zhǔn)備

3.2.1 同步注漿

停機(jī)前需對注漿管路進(jìn)行檢查，確保注漿管路暢通。盾構(gòu)機(jī)理論同步注漿量為3.5 m3/環(huán)，保證盾構(gòu)機(jī)帶壓換刀的嚴(yán)密性，填充系數(shù)取1.8，每環(huán)實(shí)際注入6.5 m3。停機(jī)前注漿需要連續(xù)不斷，使?jié){液充分填充管片與土體之間的縫隙，來確保盾構(gòu)機(jī)前方的氣密性。

3.2.2 盾體徑向注漿

為了加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)刀盤前方密封性，需穩(wěn)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(gòu)機(jī)，阻止周圍的水土流入刀盤前方，注漿時(shí)嚴(yán)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(jī)時(shí)掌子面土體緊貼刀具，如直接更換成滾刀，在滾刀安裝時(shí)，理論上刀具嵌入掌子面約4 cm，換刀時(shí)就需要人工向巖土中鑿進(jìn)，增加換刀作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。因此在盾構(gòu)機(jī)停機(jī)前10環(huán)時(shí)，開啟5 cm行程的主動鉸接，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定停機(jī)點(diǎn)時(shí)，縮回鉸接，為滾刀安裝提供作業(yè)空間。

3.3 環(huán)箍施工

在盾構(gòu)機(jī)停機(jī)后，對倒數(shù)第4～5環(huán)管片注入雙液漿，形成環(huán)箍，加強(qiáng)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(gòu)機(jī)刀盤前方，雙液漿配比采用水灰比∶水玻璃=1∶1。環(huán)箍施工完成后，對環(huán)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(huán)箍施工情況良好，起到了有效止水效果。

3.4 壓力確定

盾構(gòu)機(jī)所受土壓力示意圖如圖3所示。

圖3 地層土壓力計(jì)算模型

式中：Pe——隧道拱頂?shù)呢Q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(gòu)機(jī)底部的均布壓力；

h——上覆土厚度；

L——盾構(gòu)機(jī)長度；

D——盾構(gòu)機(jī)直徑；

G——盾構(gòu)機(jī)自重。

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

3.5 克泥效輔助保壓

為保證盾構(gòu)機(jī)帶壓換刀順利進(jìn)行，采用克泥效泥膜護(hù)壁輔助保壓措施。陸續(xù)采用加泥系統(tǒng)，通過土倉上的加水孔注入克泥效漿液置換土倉內(nèi)渣土，注入過程中保證倉內(nèi)壓力基本穩(wěn)定。通過3 d的渣土置換和土倉內(nèi)持續(xù)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(jìn)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(jìn)行克泥效配置，使用1臺37 kW的注漿泵負(fù)責(zé)克泥效注入，一臺7 kW注漿泵負(fù)責(zé)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(nèi)。在克泥效制作過程中，對水、A組分和B組分的用量嚴(yán)格按配比控制，每次拌漿2 m3，通過流量計(jì)進(jìn)行控制。一邊向土倉內(nèi)注入克泥效漿液，一邊通過螺旋機(jī)排出渣土，注入時(shí)刀盤保持低速轉(zhuǎn)動。注入過程中保證倉內(nèi)壓力基本穩(wěn)定，克泥效全部注完，繼續(xù)保持刀盤勻速轉(zhuǎn)動一定時(shí)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(shè)置壓力應(yīng)略高于工作壓力。保壓時(shí)間為120 min，再對頂部、3點(diǎn)、9點(diǎn)部位進(jìn)行放漿取樣驗(yàn)證，確?？四嘈嗄そＭ瓿?。

3.6 氣密性試驗(yàn)

泥膜建模完成后，進(jìn)行了排土換氣作業(yè)，將土倉內(nèi)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(jī)閘門，通過螺旋機(jī)出土將克泥效帶出。當(dāng)艙內(nèi)克泥效上半部分排出后，進(jìn)行保壓試驗(yàn)，2 h壓力降至85%以上為合格。當(dāng)保壓試驗(yàn)成功后，工作人員按照進(jìn)倉流程，進(jìn)行帶壓作業(yè)。

3.7 帶壓開倉換刀

3.7.1 人倉加壓減壓技術(shù)

人員進(jìn)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(jìn)入土倉后，封閉閘門，開始換刀作業(yè)。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(jìn)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(shè)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(nèi)作業(yè)人員打開閥門與土倉相連接，進(jìn)行壓力平衡。當(dāng)壓力平衡后，作業(yè)人員進(jìn)入土倉作業(yè)，一般開倉前先進(jìn)行30 min活體試驗(yàn)，試驗(yàn)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(fēng)險(xiǎn)。

按照作業(yè)人員的身體承受能力，每組工作時(shí)間規(guī)定為3 h，工作完成后進(jìn)去人倉減壓出倉，更換下一組作業(yè)人員。人員進(jìn)入人倉，關(guān)閉與土倉連接閘門。用“人倉放氣”球閥將人倉內(nèi)的壓力降至與外部壓力一致時(shí)，作業(yè)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(dāng)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(shè)置吊點(diǎn)，用1.5 t的葫蘆吊住舊刀，作業(yè)人員拆除舊刀螺栓，再通過手動葫蘆將舊刀轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhì)量檢查與恢復(fù)推進(jìn)

當(dāng)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(xì)確認(rèn)無誤后關(guān)閉土倉門，質(zhì)檢工程師要對所有的刀具安裝質(zhì)量進(jìn)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(nèi)空氣，過程中保持壓力平衡穩(wěn)定。土倉內(nèi)重新建立土壓平衡后，啟動刀盤與推進(jìn)系統(tǒng)恢復(fù)盾構(gòu)掘進(jìn)。

換刀共計(jì)歷時(shí)7 d，3班組24 h作業(yè)，地面沉降變化最大點(diǎn)位DBZ970-5，變化速率為－1.15 mm/d，累計(jì)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(wěn)定，降低了盾構(gòu)機(jī)開倉換刀的風(fēng)險(xiǎn)。在盾構(gòu)施工過程中，應(yīng)用克泥效填倉保壓技術(shù)可成功處理盾構(gòu)機(jī)帶壓換刀安全技術(shù)問題，提高了盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層中掘進(jìn)的可行性。

5 結(jié) 語

準(zhǔn)確選擇換刀點(diǎn)，地面沉降控制在合理范圍內(nèi)，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(wěn)定，降低了盾構(gòu)機(jī)開倉換刀的風(fēng)險(xiǎn)。在盾構(gòu)施工過程中，遇到無法采用常規(guī)方式進(jìn)行刀盤檢查或需進(jìn)行刀具更換等作業(yè)的施工難題時(shí)，應(yīng)用本技術(shù)可成功處理，提高了盾構(gòu)機(jī)對復(fù)雜地層的適應(yīng)性。

4 施工效果

為了確保盾構(gòu)機(jī)開倉安全，及時(shí)準(zhǔn)確地了解地面沉降情況，本次在盾構(gòu)機(jī)刀盤上方布置了32個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（如圖5所示），每天進(jìn)行3次監(jiān)測，方便及時(shí)準(zhǔn)確地掌握施工情況。

圖5 開倉位置地面監(jiān)測點(diǎn)布置圖