复杂地层土压平衡盾构开仓换刀关键技术研究

曹殿彬、高宏博、左付超

（济南轨道交通集团有限公司，山东济南250000）

0 引言

盾构法作为地铁隧道施工的主流工法，在复杂地层施工过程中需要穿越大量的孤石、超高强度岩层和软硬不均地层，刀具磨损严重[1]，需要进行定期维护，甚至是换刀作业[2]。刀具维护和换刀操作需要开仓作业[3]，开仓施工中容易出现涌水、涌砂及掌子面坍塌等事故[4]，存在着较高的风险[5]。

本文依托济南地铁一期二号线工程，针对复杂地层土压平衡盾构开仓换刀关键技术难题开展了以下研究，主要包括了开仓位置选择、开仓方案、施工监测等，取得一定成果为同类工程提供借鉴。

1 复杂地层土压平衡开仓换刀技术

1.1 工程概况

济南地铁二号线车站区间起点里程右SK2+142.407，终 点 里 程 SK5 + 614.906，区 间 全 长3473.809m，采用盾构法施工，线间距10.2～16.75m，最小曲线半径R=400m，区间最大纵坡24‰，拱顶埋深10.12～42.4m。区间线路主要穿越地层为黄土、粉质黏土、黏土、中风化石灰岩、强风化石灰岩。区间沿线地下水位标高24～36m 不等，以第四系松散孔隙水和碳酸盐岩岩溶水为主，车站区间地质断面如图1所示。

图1 车站区间地质纵断面图

1.2 盾构机及刀盘配置

工程投入4 台土压平衡盾构机（2 台土压平衡式、2 台复合土压平衡式）进行掘进，盾构机的开挖直径为6680mm，最大掘进速度可达到80mm/min。穿越黏土等软土地层与长距离的中风化石灰岩、全风化石灰岩等硬岩地层时，采用结构为6 个辐条+6 个面板，滚刀开口率为37%，中心双联滚刀6 把，单刃滚刀37 把的辐条面板式复合式刀盘；穿越黄土、粉质黏土等软土地层时，采用结构为4 个辐条+4 个面板，撕裂刀开口率为40%，中心撕裂刀4 把，可更换撕裂刀33 把的辐条面板式复合式刀盘。盾构机刀盘如图2所示，盾构工筹图如3所示。

图2 盾构机刀盘图

2 复杂地层施工技术措施

2.1 开仓位置选择

图3 盾构工筹图

根据地质勘探报告发现济南地铁二号线车站区间石灰岩地层稳定，岩石强度较高，但存在溶洞及承压溶岩裂隙水，为保证安全开仓位置，需选择岩石强度较高、自稳性较好、地面无建构筑的中风化石灰岩中来完成。盾构施工前，已对隧道影响范围内的溶洞进行处理，溶洞处理施工时勘察孔在隧道中心线上，根据溶洞处理时勘察孔的情况，换刀点选择在无溶洞或者溶洞处理达到要求的地方。

2.2 刀具更换标准

根据盾构掘进施工状况和刀具磨耗监控量测情况，应以主动检查更换刀具为主、被动检查更换刀具为辅的方式。根据所配备刀具类型及磨损规律，刀具更换磨损量临界值如下表1所示，若磨损量超出该数值，则应进行更换。

表1 刀具更换磨损量临界值

2.3 开仓方案

带压开仓换刀周期长、程序繁琐且机械设备保压性能要求高，适用于地基软弱的封闭地层，项目决定采用常压开仓换刀的方案。常压进仓前，先通过盾体隔板检查孔对土仓进行检查。

2.3.1 开仓准备

选择附近自稳性较好地层，盾构到达预定进仓里程点之前的两环，必须对渣土进行很好的改良，以便于螺旋输送机排渣。盾构停止掘进，刀盘停止旋转，刀盘仓室内充满已经得到很好改良的渣土。同时从盾尾倒数第三环开始连续三环进行单液浆和双液浆密封回填，确保管片壁后空隙填充密实，无流水涌入刀盘，同时根据地下水位和地质条件，确定进仓时内部的环境。

2.3.2 开仓措施

刀具更换作业人员需提前与操控司机沟通交流，明确开仓时间和地点。在螺旋机停止出渣后，盾构机继续掘进，拱顶土压力到1.5bar 左右停止掘进。把推进千斤顶收回3～4cm，并收铰接油缸，使刀盘和掌子面有3～4cm 的间隙，保证换刀间隙。打开位于土仓壁上方两个球形阀门，将厚度约15mm 的钢筋插入土仓，根据监测钢筋插入过程来判别土仓内土体状态。同时检测并记录土仓中有毒气体的含量。若有毒气体的含量超过规定值，可将空气注入土仓稀释，并使用球阀排放。开仓前气体检测标准如表2所示，隧道通风如图4所示。

表2 气体检测标准表

图4 隧道通风示意图

2.3.3 刀具检查与更换

盾构刀具检查的主要内容包括以下几个方面：一是检查刀具上螺栓是否存在脱落现象；二是检查滚刀刀圈是否存在明显裂纹、偏磨和断裂等现象；三是检查刀环是否移位；四是检查滚刀刀体是否有漏油或轴承损坏等。规定中心滚刀和正滚刀刀圈允许极限磨损量25mm，边滚刀允许极限磨损量15mm，当滚刀达到极限磨损时，必须进行刀具更换。

换刀作业过程中，应该按照从中心刀依次向外圈的顺序开始更换。使用2T 手动倒链吊起拆掉的刀具，采用按顺更换吊点的方法将刀具运出。在拆刀时，舱外人员把待更换刀具安装至机头并将刀具旋转到机头正上方位置，再利用2T 手动倒链将待更换刀具悬挂在顶部后推进缸内。采用拆刀时反顺序依次安装新刀，按照规定要求使用相应设备拧紧螺栓。

2.4 施工监测

依据现场实测结果，对比原始数值，得出时态曲线，利用回归分析法推算最终结果，从而判断岩土体与支护结构的稳定性，根据分析结果及时调整施工参数。

2.4.1 地表沉降

地表沉降监测点埋设时应选取1～2 个参照点，参照点应选取在地表沉降影响较低的稳定性区域，参照点的确切埋设位置需根据现场实际情况而定。此次所测地表沉降监测点与参照点之间的相对高差与上次所测相对高差的差值，作为此次地表沉降监测沉降值。地表沉降监测控制标准在-20～10mm，日速率为2mm/d。

2.4.2 管线监测

在换刀区域30m 范围地面附近有管线时，对所有管线进行监测，每条管线布置2 排断面监测点。有压管线检测控制值标准为-10～10mm，无压管线检测控制值标准为-20～10mm，日速率为2mm/d。

监测频率和开仓地面检测点布置如表3、图5所示。

表3 监测频率表

施工监测过程中，施工事故的发生都会提前引起监测数据异常，一经发现后应立即停止施工并上报总工程师和监理工程师，对发生事故原因进行分析后采取相应的措施。

对管线监测过程中，如果发现管线破裂应立即采取措施。当给水管破裂时，应及时联系产权单位并关闭上游阀门，防止事故的进一步扩大；当电力电缆破坏时，应及时通知电力局对其进行处理，避免施工人员触电。

在对地表沉降监测过程中，如果发现地表沉降过大导致局部坍塌，应立即停止施工并启动应急预案，组织施工现场立即撤离土仓，并在土仓内填充膨润土砂浆，然后对坍塌区域下部注双液浆防止地表再次坍塌。

2.5 其他

换刀作业可能会出现落物砸伤，触电、跌落、坍方、涌水、中毒窒息等突发情况。出现以上情况时一定要保持冷静，首先保障人员安全，坚持先救人后救物的原则。

3 结语

通过对济南地铁二号线车站盾构区间施工土压换刀作业与监测技术进行了研究和总结，成功规避了盾构换刀过程中的主要风险，确保了施工人员和周边环境安全，使得工程在质量、成本、工期等方面得到了有效保障，为后续盾构开仓换刀提供了坚实的技术支撑。