谈全断面砂层中土压盾构机带压换刀的技术与应用

鲁棣源

摘 要：土压平衡盾构机在全断面砂层掘进过程中存在着沉降难以控制、土压平衡掘进模式很难建立、掘进参数不协调以及设备磨损严重等技术问题，本文通过采用试验、理论和实践应用相结合的方法，对全断面砂层中土压盾构机带压换刀的技术和应用进行了分析和研究，并对施工过程中的经验进行总结。

关键词：全断面砂层；土压盾构机；带压换刀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.177

1 引言

近年来，我国在开展大规模的地铁工程的建设中，盾构法的施工技术因为有着绿色环保、安全可靠的特点，在地下工程中得到了突飞猛进的发展。国内外学者通过采用室内模拟试验、监测数据分析、工程应用研究及理论研究相结合等方法对土压平衡盾构机在全断面砂层中掘进的基本理论和关键技术进行深入研究，进一步提高了盾构法在施工过程中的适应性。

随着盾构法施工技术的不断发展，土压盾构机对地层的适应性也有了很大的提高，主要适用于软岩、含水的软土、硬岩和复合地层的地下工程盾构掘进施工。

2 土压盾构法

（1）土压盾构与泥水盾构。通过泥水平衡盾构土和压平衡盾构的对比： 技术方面，两种机型都可以适应这种地层； 从开挖面的稳定控制来看，泥水盾构比土压盾构具有更好的适应性，但如果使用正确的辅助方法和施工管理，土压盾构也可以适应；施工场地方面，泥水盾构在运输、废弃泥水处理、场地占用上有着很大的难度，而土压盾构不存在这方面的问题。

（2）土压盾构的施工原理。它的原理是在普通盾构机的基础上，将一个密闭的挡板放在盾构机中部，把需要开挖的土体与盾构开挖面隔离开来，形成一个封闭的舱体，此舱体叫土压力舱，它是用来切削刀盘的地方。还要在密封的挡板处放一个螺旋出土器装置，在千斤顶提供推力的情况下，当盾构机向前推进的时候，刀盘切削渣土并充满土压力舱，这时盾构开挖面上的水压力和土压力的总和与土舱内的土压力保持平衡。图1为土压盾构机原理图。

3 带压换刀技术

（1）简要概述。在掘进的过程中盾构机主要有三种刀具磨损的更换方式：第一种是在常压条件下地层经过加固或排水后直接敞开式换刀。第二种是在常压条件下直接敞开式换刀。第三种则是通过压入空气来稳定掌子面，在非常压的条件下更换刀具。

（2）帯压换刀技术的原理。带压换刀技术的工作原理：对刀盘前方的开挖面土层改良进行加固处理，并保证土仓和刀盘前方的周围地层满足气密性要求，然后利用空气压缩机对空气进行加压，最后注入土仓，慢慢置换掉土仓内的土体，用气压替代土压，在土仓内建立合理的气压来平衡刀盘前方的土、水压力，达到防止地下水渗入和稳定开挖面的目的，在一定的气压条件下，施工人员需要安全的进入到土仓内进行刀具更换和检查、维修保养等作业。

（3）帯压换刀的优势。带压换刀技术具有加固地层和降低地下水位的优点，这是常压换刀作业方法无法代替的，它的优势有：1）洞内进行加固，对周围环境影响小且不占用地面積；2）加固的效果比较好，地表的变形小；3）成本费用相对较低；4）可以频繁的实施换刀技术。

（4）带压换刀技术在施工中的困难。带压换刀与常压换刀相比，其困难有以下几点：1）换刀压力值的确定与计算比较麻烦；2）膨润土的配合比极其制备方法；3）换刀前后对掘进参数的设置以及施工技术控制；4）保压和加减压技术；5）工作人员的健康和安全保证；6）对地表沉降的控制

（5）带压换刀技术的工艺流程。带压换刀技术的施工工艺流程可总结如下：

刀具检查更换地点预测→确定带压换刀方案→盾构离换刀点最后五环周边加入膨润土浆→盾构离换刀点最后一环时开挖面注入膨润土浆→停止掘进刀盘继续转动5min使开挖面形成泥膜→刀盘停止转动，螺旋输送机开始出土并同时给土仓加压→对土仓气压观察半个小时→人员进入人闸逐步加压至与土仓压力平衡（气压稳定） →进入土仓进行换刀作业→换刀作业人员完成一个作业班次降压出舱→完成换刀作业→土仓重新建立土压平衡恢复掘进

4 带压换刀技术的应用

国内的大部分地铁建设单位和盾构施工单位都在积极的探索和研究带压换刀技术在不同地层条件下的应用，已经取得了一定的成果。（1）2005年6月广州地铁四号线在小谷围到新造区间左线江底土压盾构施工中应用了带压换刀技术；（2）广州地铁四号线的大学城专线区间采用了土压盾构施工，过江时由于刀具的磨损十分严重，先进行加固，后进行了带压换刀；（3）2006年12月宜昌长江穿越隧道工程开工时使用了德国的海瑞克泥水加压盾构机进行作业，带压进仓修复了磨损的刀盘并更换了刀盘主轴承；（4）2003年底，广州地铁三号线在天河客运站到华师站的区间，采用带压换刀技术破除了卡住刀盘的孤石；（5）在武汉长江隧道施工中中铁隧道集团采用土压盾构法，第一次自主实现了高水压带压换刀技术；（6）中铁隧道集团下的TBM公司根据广州地铁的土压盾构的施工经验，形成了“盾构带压进仓作业工法”。

5 结语

实践表明，在全断面砂层实现带压检查以及更换刀具等操作是一种可行的方法。带压换刀技术不仅避免了由于地表加固而造成的地面交通拥堵问题，还保证了既有建筑物和管线的安全以及隧道上方道路的畅通，同时也树立了城市的良好形象。而且，进仓人员的身体状况并没有不良的反应，换刀的效率很高。所以带压换刀技术是一种有效、经济、安全的换刀技术。

参考文献：

[1]侯磊.富水砂卵石地层土压平衡盾构带压换刀技术研究[J].西南交通大学，2009（04）：10-58.

[2]杨永强.土压平衡盾构全断面砂层施工关键技术[J].施工技术，2012（01）：69-74.

[3]张文萃.土压平衡式盾构穿越含砂土层渣土改良试验研究[J]. 西安建筑科技大学，2013（04）：10-11.