江底富水砂层泥水盾构带压换刀关键技术研究

邓小杰

摘 要：富水砂层对刀具进行检查更换主要有三种方法：一是对前方土体进行加固后在常压下进仓；二是直接从地面竖井到刀盘前方进仓；第三种是将气压保持在开挖面稳定状态时进仓。厚桔区间结合工程实际情况，选择第三种方式进行带压换刀，可以安全高效的完成作业。本文结合江底穿越期间的带压换刀工程实例，包括注浆止水，建立泥膜，进仓作业等过程，对带压换刀技术进行研究。对换刀过程中存在的隐患，进行分析，提出有效解决措施。

关键词：富水砂层；泥水盾构；带压进仓；江底；换刀技术

引言

国内大直径泥水盾构带压换刀成功实例已经有南京纬三路过江通道，狮子洋隧道等，而小直径盾构带压换刀技术尚不成熟。近年来，我国城市地铁建设发展迅猛，全国各地掀起了地铁建设的热潮，随之带来的就是地铁施工工艺的飞速发展以及安全性要求的提高，地铁区间普遍采用盾构施工。而复杂地质条件情况下的施工，换刀成为了其中的重要工序，如何安全、高效、经济的换刀成了施工中的难点，本文以福州地铁2号线厚庭站～桔园洲站区间为例，介绍江底富水砂层带压换刀施工工艺供参考。

1工程概况

福州地铁2号线厚庭站～桔园洲站区间，区间右线长 2666.895m，左线长 2668.959m，穿乌龙江长1500m。区间隧道采用φ6480mm 泥水盾构掘进施工。厚庭至桔园洲区间沿科技东路向东行进下穿乌龙江大堤，厚庭村、过乌龙江之后，下穿三环快速路、沿金祥路向东侧穿星海湾花园小区、香江红海园小区、金山桔园小区，最后到达金祥路桔园洲站。

纵断面及地层情况如图1所示，拟停机位置自上而下分别为粗中砂（稍密）和粗中砂（中密），刀盘顶部覆土厚度18.41m，高水位+5.5m对应地下水深度26.85m（刀盘中心），低水位+1.9m对应地下水深度23.25m（刀盘中心），高水位盾构机中心水压0.263MPa，低水位盾构机中心水压0.228MPa。

2帶压进仓工程背景

根据前期地质详勘情况，厚庭站-桔园洲站区间出厚庭站后沿科技东路向东行进并下穿乌龙江，之后到达金山片区，沿线地层岩性以中粗砂及卵石层为主，其所占比例为83.5%。盾构在江底进行长距离掘进，尤其通过砂卵石地层时，石英含量高，卵石强度高，对盾构机的刀盘及刀具已经产生一定的磨损，随后盾构机需穿越中间风井的两道玻璃纤维筋地连墙以及近20米长的C20砼，若盾构机刀盘周边刀具磨损，盾构将无法顺利进入风井混凝土，江底的渗透系数35～55m/d，根据区间地质情况、穿越风井情况，结合厚桔区间过江段风险评估专家意见和施工经验，为确保盾构能够顺利穿越风井，安全完成剩余区间施工，在到达风井前，对盾构刀盘周边刀具进行检查和更换是必要的。

根据风井现场实际施工情况，需要滚刀才能安全高效通过风井，故此次带压换刀主要更换撕裂刀为滚刀，并更换查刀时发现的磨损严重的刮刀。

3施工工艺流程

3.1注浆止水

换刀位置土层为粗中砂地层，渗透系数较大，有较大风险。

在到达预定开仓位置前，提前5环提高同步注浆量10%，填充密实土层与盾壳之间的间隙，阻断管片与盾壳之间的水流通道。

停机之后，对脱出盾尾的后5环管片进行配比10：1（体积比）的水泥～水玻璃双液浆注入，填补同步注浆不密实区域，形成止水环带，避免地下水沿管片外壁与开挖空间之间的间隙进入开挖面。注浆压力0.4～0.5Mpa，单孔注浆量0.6m?～0.8m?。浆液注入顺序按照环号由大往小，距离盾尾较近的两环考虑适当减少注浆量，避免注浆量过大浆液反渗进尾刷和同步注浆管路。

在二次注浆完成后，再次在盾构机径向注浆孔向外注入聚氨酯，形成整环止水带。盾构机在A环和D环各均布了8个带球阀的注脂孔，进行止水带的注脂施工，见表1。

二次注浆及注聚氨酯时从下至上对称依次注入，可根据上部孔位判断下部孔位注入情况。

3.2掌子面泥膜的建立

3.2.1渗透泥膜建立

调制比重1.10～1.20g/cm?，粘度50S～60S（马氏漏斗）的膨润土浆液。置换管路中泥浆，再置换泥水仓中泥浆。

静止刀盘，增大切口压力（一般为大于静止压力0.02 MPa），用调制好的浆液循环配合静压形成泥膜。每循环1小时静压3小时，循环静压24小时，以保证成膜质量。循环期间液位、气压无异常波动，制膜完成。

3.2.2泥皮泥膜建立

渗透完成后，使用粘度120S～150S，比重1.20～1.30g/cm?的浆液在开挖面形成一层致密的泥皮，阻隔地下水进入，形成密封空气环境。

泥膜建好之后，进行空仓试压，确保泥膜完整。静压时气泡仓液位下降不大于10mm/h，且整个循环静压过程中无明显液位、气压异常波动，制膜完成。

3.3气密性实验

（1）计算停机位置切口泥水压力。根据土力学相关计算理论，采用水土分算原则进行水土压力的计算。

（2）降液位。将泥水仓内泥浆采用压缩空气置换，采用压缩空气支撑开挖面。

（3）在降液位过程中，观察空压机流量与空压机出口压力波动曲线，若空压机出口压力曲线异常波动，则停止降液位并迅速回升液位。

（4）观察三到五个小时，若无明显液位波动，说明气密性良好。

3.4带压进仓作业

第一次开仓由经验丰富的专业工程师进行仓内情况的鉴定，对掌子面地质情况，泥膜建立情况，查看刀盘及刀具的磨损情况，对是否能进仓工作作出判断。

进仓前准备工作：

（1）进仓作业前检查隧道内通风系统、供电系统、空压机的运行是否正常。

（2）医护人员与专业操仓人员配备齐全，突发情况及时作出反应。

（3）检查仪表及其他配件情况。endprint

在所有准备工作及应急保障工作具备后，开始带压进仓作业，作业期间注意观察掌子面稳定性。

4风险与应对措施

4.1仓门漏浆

作业人员关闭仓门后进入主人仓开始减压时，气垫仓液位异常波动，主人仓与泥水仓之间的仓门有气体与泥浆渗入，危及作业人员生命安全。

紧急处理措施

（1）将泥水仓液位降低至仓门以下；

（2）降低泥水仓切口水压；

（3）对人仓加压至与掌子面平衡；

（4）排出主人仓内泥浆；

（5）人员转移至副仓减压。

漏浆原因分析：带压作业人员换刀完成进入主人仓时，仓门螺栓未拧紧或密封垫损坏便开始升泥水仓液位。当人仓内压力降低，泥水仓压力上升，因压力差导致泥水仓气体和泥浆渗入主人仓。

4.2泥膜破损

泥膜破损原因分析：因换刀作业开挖面长时间暴露在空气中，会造成开挖面泥膜失水收缩开裂以及部分位置的泥膜脱落，导致泥膜密闭性能不佳甚至开挖面不稳定。

处理措施：

回升液位。在确认旁通循环稳定后打开通往泥水仓的阀，通过调节进排泥流量差来小流量持续补浆。同时持续开启上部排气阀，确保泥水仓气体能够及时排出，不会击穿开挖面逸散至土体中。液位回升完毕后，用具有一定指标浓度的泥浆通过一定次数的循环静压来修复泥膜。

5结语

通过福州地铁2号线带压换刀作业总结以下要点：

（1）掌子面泥膜的建立。由于砂、卵石地层渗透系数高达到35～55m/d，地层孔隙较大，建立泥膜尤为重要，需建立渗透性泥膜和泥皮型泥膜保证作业安全需要。

（2）选择合适的支护压力。支护压力设定不当，会导致地下水涌出，开挖面坍塌、江底河床沉陷、开挖面失稳等重大事故，按照水土分算计算理论压力后，将实际设定稍高于理论值，保障安全。

（3）仓门的密封性能。仓门密封出现问题会给作业人员带来极大风险，必须保持仓门密封的良好，要确定仓门密封好后进行下一步工作。

（4）换刀位置选取及刀具的运输。尽量选取3点钟及9点钟方向换刀，节省人员体力，高效换刀。

（5）當盾构机需要穿越强度大于50MPa的构筑物时，需要更换滚刀才能顺利通过。

本文针对福州地区富水砂层及穿越乌龙江实际情况，总结江底富水砂层带压换刀工程要点，可供类似工程作参考。

参考文献

[1]吴忠善，杨钊，杨擎.超大直径泥水盾构带压进仓换刀技术研究与应用[J].隧道建设.2014（07）.

[2]黄学军，孟海峰泥水盾构带压进仓气密性分析[J].西部探矿工程. 2011（07）.

[3]崔天麟，李建华，任磊.富水砂卵石地层大直径泥水盾构带压换刀技术[J].都市快轨交通，2013，26（03）.

[4]卢翔.大直径泥水盾构在软硬不均地层中带压换刀的方法[J].城市建筑，2013，（24）.

[5]程明亮，何峰，吕传田.大埋深富水砂卵石地层泥水盾构带压换刀及动火焊接技术[J].中国工程科学，2010，12（12）.endprint