上软下硬地层盾构法分区填仓常压换刀施工

2018-05-24袁晏仁徐长胜王科伟

建筑机械化 2018年2期

袁晏仁，徐长胜，王科伟，石佳

(中建隧道建设有限公司，重庆 401320）

随着我国城市化的加速发展，盾构法在城市地铁隧道施工中的应用也愈加广泛，但由于盾构本身的局限性，常规的开仓作业方式已难以应对愈加复杂的地质、水文情况。基于国内的盾构法施工经验，刀盘、刀具在上软下硬地层的冲击破坏与异常磨损较为严重，存在常压、带压更换刀具、修复刀盘、开挖面清障的施工需求。但在保压效果差、基岩裂隙发育、承压水丰富、土层自稳性及抗渗性差的上软下硬地层，如何保证安全、效率地开仓作业仍是一个难题。本文提出一种化学浆液+水泥砂浆分区填仓常压换刀技术，有效地解决了这一难题。

1 工程概况

徐州市城市轨道交通1号线某标段区间隧道工程单线总长约724m，采用海瑞克∅6 480土压平衡盾构施工。区间隧道埋深16.04～24.2m，主要穿越地层为全断面粉砂层、上软下硬地层和全断面灰岩地层，并穿越废黄河断裂带，地下水丰富。

区间隧道自300环进入上软下硬地层，依次穿越上部粉砂、下部粘土层，上部粉砂、中部粘土、下部灰岩地层，上部粘土、下部灰岩地层，至406环，螺旋机喷涌严重，水量较大，推力、扭矩增大，速度降低至5mm/min左右。掘进至408环时，边缘滚刀刀具磨损检测装置报警，立即停机保压、研讨处理措施。

盾构停机位置隧道埋深18.5m，根据地勘报告显示隧道范围内下部4.2m为（12）4-3-2中风化灰岩，上部2m为⑤4-3粘土层，拱顶上部0.8m⑤4-3粘土层，4.9m②-6粉砂层（图1）。

图1 地质断面图

②-6为粉砂性土，自稳性差、气密性差、渗水性强，与废黄河存在水力联系。⑤3-4硬塑粘土粘度较大、自稳性较强，且为隔水层，工程性质良好但隧道顶部黏土厚度不足1m。下伏基岩及穿越的基岩裂隙及岩溶发育，承压裂隙水丰富，在前几环掘进过程中存在螺机严重涌水现象。同时考虑灰岩岩面起伏、完整度好且强度较高（饱和单轴抗压强度最大值为86.83MPa)，结合前几环掘进异常参数与磨损警报分析，可初步判断刀盘、刀具存在严重磨损及冲击破坏，并且刀座、刀箱也存在一定程度变形甚至破坏。

鉴于无法进行地面加固，且地层裂隙发育、气密性差、承压水丰富，为确保掌子面稳定、提供动火作业施工条件、减小盾构受困风险并缩短工期延误，最终决定采取化学浆液+水泥砂浆分区填仓常压换刀方案。

2 分区填仓开仓换刀技术

根据掌子面岩土分界情况，在土仓内分区压入化学浆液、水泥砂浆等固结材料，使刀盘前方和上方土体固结、封闭岩层裂隙，同时采取辅助措施封堵后方来水，形成一个长时间稳定的开仓换刀环境，然后在常压状态下开挖固结填充料，并进行刀具更换、刀盘修复等工作，该方案具有以下优点。

1）能有效解决上软下硬地层土体自稳性及抗渗性差、保压效果不理想、基岩裂隙发育及承压水丰富等问题。

2）施工可操作性强、风险低、工效高，能实现常压条件的动火作业，对刀具、刀盘进行更专业化的修复工作。

3）无需进行地面辅助措施，可以减少对地面交通的影响。

4）较常规填仓常压开仓施工，盾构受困风险小、填充料清理快捷、施工周期短、经济合理。

3 分区填仓常压换刀关键技术

分区填仓常压换刀施工流程为：施作封闭止水环→盾体及刀盘保护→分区填仓施工→土仓清理作业→刀盘、刀具检查→刀具更换、刀盘修复作业→掘进恢复准备。

3.1 施作封闭止水环

1）向盾尾加注油脂，封闭盾尾，防止盾尾漏水、漏浆。

2）通过盾体径向注浆孔注入水溶性聚氨酯形成封闭止水环，以隔绝前、后方来水、防止浆液裹住盾体。注入前需做好聚氨酯发泡试验及聚氨酯性能和配比试验，注入前和注入后需使用丙酮清洗管路。

3）对脱离盾尾后第4～6环管片整环注双液浆，形成封闭止水环抑制隧道后方来水。注浆材料采用水泥浆+水玻璃，水泥浆∶水玻璃=1∶1，水泥浆水灰比为1∶1。

4）注浆需要控制注浆压力和注浆量，防止浆液击穿盾尾止浆板和盾尾刷。

5）盾尾管片封闭止水环施工完成后，打开注浆孔观察止水情况，如果仍存在较大后方来水，可连续施作封闭止水环，并加注聚氨酯进行封堵来水。

3.2 盾体及刀盘保护

1）通过盾尾同步注浆系统注入膨润土泥浆，防止浆液凝结硬化抱死盾尾、堵塞同步注浆管路。

2）向盾尾密封系统加注油脂，防止盾尾漏浆、漏水。

3）通过盾体上的径向注浆孔向盾壳周围注入膨润土泥浆或黄油，防止盾构被浆液抱死，同时避免盾体因长时间停机而无法脱困。

4）根据盾构的适配性，向刀盘密封系统注入适量的HBW/EP1/EP2油脂，防止刀盘主轴承密封受损。

3.3 碴土置换

1）通过膨润土注入系统在中隔板3/9点位置的预留注浆孔注入高浓度膨润土，泥浆按膨润土∶水=1∶3的配比搅拌均匀，控制粘度在70～80S，同时可根据掌子面涌水情况适当调整粘度增大至80～100S。

2）注入时打开顶部12点位的观察孔，螺旋输送机配合置换仓内渣土，置换过程时需收集顶部排除的泥浆进行粘度测试，粘度大于50S侧可停止置换，否则继续置换。置换保持仓内压力在2.0bar。

3）渣土置换完成后使用螺旋输送机机排出土仓内浓泥浆，然后再打开底部两侧球阀排出土仓底部剩余浓泥浆及积水。打开球阀前先给球阀接好延长软管防止带压液体损坏盾构配件、伤害作业人员。

3.4 分区填仓施工

1）开启保压系统保压至理论土压，保证掌子面的稳定性，同时抑制岩层裂隙水渗透。

2）向泡沫口注入膨润土泥浆，防止填仓浆液堵塞泡沫口。

3）收回螺机、关闭螺机前闸门（前闸门无法关闭时关闭螺机后闸门），打开两侧闸阀排出仓内积水，待两侧闸阀冒气后关闭闸阀。

4）根据岩土分界情况确定化学浆液需用量，预制水玻璃混合液（水玻璃∶水=1∶1）、磷酸混合液（磷酸∶水=1∶10），将水玻璃混合液注入膨润土罐备用，将磷酸混合液注入盾构砂浆罐备用(图2)。

图2 岩土分界情况及填仓分区计划

5）分区填充水玻璃-磷酸混合液。①提前进行水玻璃-磷酸混合液配合比试验，确保实际使用效果。控制水玻璃-磷酸混合后初凝时间在30～40s，形成强度较低、密封性较好的胶状物体；②将膨润土管路与同步注浆管路通过混合器接入土仓隔板3/9点位球阀，并打水路阀门进行调试，确保管路及土仓隔板球阀通畅；③转动、调整刀盘位置，为后续跟换刀具、修复刀盘提高更好的施工条件，在刀盘完成定位后进行锁定；④从3点位2个球阀同时分别注入磷酸混合液、水玻璃混合液，调整注入速率，保证磷酸混合液∶水玻璃混合液=1∶1注入；⑤根据土仓隔板上不同点位球阀检查注入混合液的位置，直到混合液注入达到要求位置，如注入混合液高于保压系统进气口位置，须提前关闭好保压系统。

6）分区填充水泥砂浆。①提前进行水泥砂浆配合比及性能试验，确保土层渗漏、固结密封效果；②使用同步注浆泵注入，在人仓12点位下部球阀连接好注浆管路，水泥砂浆配比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶砂∶水＝120∶380∶100∶200∶500；③注浆压力控制在3.0～3.5bar，在注入前打开人仓上部12点位球阀，直到上部球阀排出砂浆后停止注浆；④监控土仓1#传感器，如压力下降至2.0bar以下，向土仓压入浆液至压力达到3.5bar时停止压浆。经多次压浆直到压力稳定保持在2.0bar时停止注浆，等待浆液凝固；⑤水泥砂浆注入完成后12h，从11点位球阀再次注入纯水泥浆（水灰比1∶1）1m3左右，确保填仓效果，注浆压力控制在3.0～3.5bar。

3.5 土仓清理、检查换刀作业

分区填仓施工完成后，定期利用土仓壁上的预留孔对凝固填仓物进行检查，若能够达到自稳要求，施工人员即可根据作业需要开挖局部填仓物并进入土仓，进行刀具、刀盘的检查、更换工作。仓内气体浓度应满足《盾构法开仓及气压作业技术规范》（CJJ217-2 014）。作业过程中通过小型的轴流风机及消防水管压注空气至土仓内底部，形成空气循环，确保仓内空气供应。

针对上软下硬地层条件，上部土仓清理时注意保证刀盘开口及切口环完整，保证掌子面完整性，最大限度地保证常压换刀环境的安全，并对面上部土层进行支撑保护。清仓换刀过程中要注意掌子面的稳定，如果填仓失败，则重新进行分区填仓步骤。

土仓清理作业由上往下分段进行，每段碴土与泥饼清理完成后凿除刀厢内固结填仓料，然后进行刀具、刀箱检查与更换。如果清理过程中存在漏水应及时进行封堵或导流，并在完成刀具更换后及时填充棉絮、纱布封堵空隙、抑制渗水，若仓内水位较高，可以通过小型水泵排出积水。作业过程中同时检查清理土仓内的各类管路及压力设备的完好。

换刀作业完成后，使用风镐从下往上破除阻碍部位，以保证后续掘进恢复顺利。仓内作业完成后对土仓及刀盘前方进行全面的检查，避免工具、杂物遗漏在土仓内。