土压盾构机在掘进过程中常压开仓换刀的技术研究

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

1 工程背景

福州轨交1号线07标段三叉街站—上藤站区间上、下行线路均自三叉街站北端头井出站后，沿六一南路一路向北，在下穿龙津河、大坪路后至上藤站南端头井，区间上行线长约892.95 m，下行线长约895.48 m。线路平面最小平曲线半径349.85 m，上、下行线路线纵断面均呈V字形，隧道顶部覆土6.71～14.14 m。本工程采用的是德国生产的海瑞克盾构机。

2 盾构掘进中遇大孤石情形介绍

2013年8月5日下午，盾构于三叉街站—上藤站区间隧道上行线推进183环时，盾构刀盘突然出现跳停的情况，此时盾构机向前掘进困难。根据我公司对障碍物以往处理的经验，为防止刀具的进一步损耗，决定停止盾构推进，并对障碍物进行排摸。

上行线盾构掘进遇障碍物区段位于六一南路车辆过道上，其地面正上方为绿化带。盾构左侧存在1 根Φ700 mm污水管线（距离约3.7 m），右侧存在1 根Φ1 200 mm的污水管线，两侧房屋距离盾构所处地面位置约15 m。

经项目部的技术人员研究决定采用探孔探摸的方法来确定大孤石石块的大小、位置和数量，在盾构机切口前方一定区域范围共打设探孔21 个，基本确定大孤石的范围。大孤石按其埋深与相对位置可划分为3 块：第1块埋深范围约为7.3～9.9 m，第2块埋深范围为10.1～17.1 m，第3块的埋深范围为12.5～13.8 m（图1）。

图1 大孤石示意

3 常压下的换刀技术

3.1 问题处理方案的确定

3.2 常压下换刀技术的难点及针对性措施

3.2.1 难点分析

盾构掘进过程中开挖面稳定靠土仓压力维持，开仓后，盾构机切口土仓内的压力全部卸掉，而开挖面土体有一定的自然土压力，如不采取措施，将造成开挖面坍塌。再者，由于地下水的水位较高，盾构机位置在水位面以下，而且残积砾质黏土为承压含水层，如不采取措施，开仓后将造成泥水喷涌。

3.2.2 针对性措施[1]

（a）针对开挖面坍塌，采用在距离刀盘30 cm处施做Φ1.5 m的咬合桩砂浆墙来阻挡开挖面的坍塌。

（b）针对开仓后将造成泥水喷涌，采用在刀盘和咬合桩砂浆墙之间施做Φ0.8 m的高压旋喷桩止水。

（c）在盾构机刀盘两侧和盾构及前面布置3 口备用降水井，如开仓后渗水较多，立即启动降水井进行降水，以保持土仓内换刀作业面的干燥[2]。

3.3 换刀前咬合桩墙及高压旋喷桩止水的施工

3.3.1 咬合桩墙

（a）全回转清障施工：由于目前障碍物部分与盾构机刀盘贴合紧密，为保证咬合桩跳打要求，先采用全回转钻机在盾构机刀盘前方清除部分障碍物，清除范围为刀盘前方1.8 m内的现有岩石障碍物，共需打孔8 口，孔径1 500 mm，搭接900 mm（图2）。

图2 清障处理示意

（b）全回转水泥砂浆墙施工：全回转清障施工完成后，采用全回转钻机成孔在盾构机刀盘前方施工1 道水泥砂浆咬合桩墙施工，咬合桩孔径1 500 mm，搭接600 mm，孔深20 m，孔边界距离刀盘前方30 cm。每根桩成孔后对钻孔进行灌注，灌注范围为隧道上方4 m，隧道以下1.3 m，地面至隧道上方4 m的土体应均匀拌合水泥后回填。根据咬合桩编号，其施工顺序为：1→3→2→5→4→7→6→8。

3.3.2 高压旋喷桩施工

待咬合桩桩墙施工完成后进行，采用800 mm@600 mm高压旋喷桩止水施工。本工艺是成熟施工工艺，此处不再叙述。

3.4 常压换刀施工

3.4.1 换刀流程

开始→开挖面稳定性初步判断→仓内气体检测→开仓→进一步观察开挖面的稳定性→刀具检查→刀具更换→检查验收→关仓→完成

3.4.2 土仓清理

换刀前，应先将刀盘转至理想位置。换单刃刀时，利用螺旋机将土舱内土体清除至盾构中心向上540 mm，换双刃刀时，土舱内土体清除至盾构中心向下810 mm。

3.4.3 气体检测和通风排气

舱门打开后，安全人员利用气体检测器在舱门口处进行气体检测，确定可能存在的有害气体，之后选用盾构机空压机通过通风管对舱前空间通风排气约30 min。

利用盾构机原有人仓保压系统为排气管路，盾构机主机内和后续台车全部使用原有的管路，排气管出口设置在末节台车后5 m处，远离灯具和高压电缆接头。利用通风软管向土仓内送风，同时打开原保压系统管路阀门，将压出气体排至预定区域，气体通过洞内压入新鲜空气的稀释，随洞内空气排出洞外（图3）。

图3 舱前通风示意

3.4.4 换刀步骤及施工要点[3-9]

（a）当刀盘转至预定位置时，通过螺旋机出土将土位降至指定位置（图4中粗线表示），然后通过人行仓输送木板至土仓内铺设于土体之上，便于施工人员立于木板上进行换刀施工。

（b）开仓前后在仓门附近焊接几处吊点，利用手拉葫芦来输送刀具，结合人工推送来进行刀具的卸、装。

（c）刀具运输：换刀前将当天拟换置的滚刀通过行车及电瓶车运输至第1节台车前方，放置整齐。在刀具运输过程以及旧刀具运出地面过程中，避免刀具突然断裂，导致刀具跌落。选择合理的吊装方法和合适的吊点位置，以避免刀具的突然脱落和拉坏设备。

图4 出土示意

（d）掘进班组在接受换刀工作后，必须明确所需更换刀具的编号及换刀步骤。一般情况下，换刀时须拆1 把装1 把，且须由外往内更换，特殊情况时听从土木工程师的安排（图5）。

图5 刀盘刀具编号

（e）对每个刀位进行编号，每次换1 把刀。将刀盘内1 把刮刀拆除后，利用双梁将对应滚刀吊运至舱门前，利用手拉葫芦接力将滚刀吊至舱门内拟安装位置，安装到位后用气动扳手进行反复坚固，直至达到要求扭矩。

（f）在进入土仓作业时应注意土仓内的通风和排水，确保换刀作业人员的安全。

（g）为了安全以及作业方便，首先将换刀用的站人平台运进土仓并安装在仓壁上，然后在3点钟位置进行滚刀的拆卸和安装；在3点钟和9点钟上方位置进行刮刀的拆卸和安装。

（h）为了装刀工作的顺利进行，拆下的螺栓、垫圈、螺母、压块等必须集中放置在铁皮工具箱里。

（i）拆换刀具过程中，一定要绑好刀具及抽水水泵，避免刀具及水泵掉入泥水中。万一掉入泥水中，一定要及时将其捞出，避免伤害盾构机。在未完成打捞工作前，严禁转动刀盘，严禁继续换刀。换刀时掉下的任何物件均同此规定。

（j）换刀过程中应密切注意刀盘前面及顶部的砂浆墙的稳定性，如发现有砂浆墙往下掉或涌水等异常情况出现，土仓内的人员应立即撤离现场，关闭仓门，并向土仓内注高浓度的膨润土保持土仓压力，等待下一步进行处理。

（k）如换刀过程中需要使用乙炔+氧气切割或烧焊，必须办理动火证，准备好灭火措施，烧焊过程中必须向土仓内通气，以保证土仓内有新鲜空气，操作时必须注意人员的安全。

4 结语

福州轨交1号线07合同段三叉街站—上藤站区间上行线盾构机，在采取了一系列技术措施后顺利进行了换刀，周边的地表沉降在允许范围内（10 mm），没有造成周边的管线和房屋的损坏，换刀持续了36 h左右，换刀后盾构机开始掘进，顺利穿过了大孤石区段，对以后出现类似的问题的处理有借鉴意义。