不良地质条件下填仓法盾构常压开仓换刀技术要点研究

2021-07-03康志富

广东土木与建筑 2021年6期

陈斌，康志富

（广东建科建设咨询有限公司广州510500）

0 引言

盾构施工由于其机械化程度高、工作效率高、施工对周边环境影响小、安全性高等优点在地铁区间施工中应用广泛。盾构在穿越不良地质地段（如上软下硬地段、砂层、全断面硬岩、地质断裂带等）时，盾构刀具的磨损程度较为严重，需要频繁的开仓检查刀具及对磨损严重及损坏的刀具进行更换。盾构开仓［1-2］换刀的方式通常分为常压开仓及气压开仓2 种形式，在稳定性较好的地层或采取加固且效果良好时通常选择常压换刀，此种方式施工效率及安全性均较高，对地层稳定性差且加固效果［3-5］难以保证的情况下通常采用气压开仓方式，气压开仓方式相对常压开仓施工效率差、技术难度及施工风险较高。

当采用气压开仓作业时，如遇动火的情形，其安全风险加大，往往采用填仓法常压开仓作为补充，本文以广州市轨道交通7 号线某区间为实例，对填仓法常压开仓的工艺流程及技术及安全管控重点等进行研究、分析及总结，形成盾构常压填仓换刀的流程及技术要点。

1 填仓法常压开仓施工程序

填仓法常压开仓应编制专项施工方案并通过专家评审及由参建相关各方审批后实施，其施工具体程序如下：填仓施工准备工作➝填仓施工前调解验收➝填仓作业施工➝仓内砂浆凿除作业➝仓内换刀作业➝盾构机清仓及脱困➝盾构恢复正常掘进。

2 填仓法施工准备工作技术要点

填仓法开仓准备工作［6］对施工安全管控至关重要，参建各方需要对填仓施工前的准备工作按计划逐一检查落实，具体检查及管控要点如下：

2.1 地面加固及效果验证

盾构机上方地面允许的情况下对盾构开仓区域的影响区域土体进行预加固处理，待加固体龄期及强度达到设计要求后对加固效果进行验证。

2.2 填仓材料配合比控制

根据地质及水文特点设定填仓砂浆的质量要求及技术指标，并对填仓砂浆进行配合比设计及组织现场试配，保证填仓砂浆质量满足设计要求。

2.3 施作止水环

自脱出盾尾的第3 环管片开始进行二次注浆，浆液通常采用双液浆，注浆部位在3/9 点位以上并保证管片两侧同时进行，注浆压力不超过0.5 MPa，注浆配比采用水泥∶水∶水玻璃=0.8∶1∶0.2，凝结时间控制在15～20 s。注浆过程采用信息化控制技术并实时调整注浆量，止水环的施作能保证盾体后方的止水效果良好，注浆过程应根据管片状态及时对注浆压力进行调整。

2.4 采取盾构脱困保护措施

盾构脱困的预控措施是盾构恢复掘进的重点，可利用盾构体预留径向注浆孔向盾壳周边及盾体前方注入满足一定指标要求的膨润土浆液的方式，保证盾壳不被填仓浆液抱死，保证盾构开仓换刀完成后顺利恢复掘进。浆液配比（重量比）按膨润土∶水=1∶3的比例拌制。膨润土注入完成后，需通过盾体预留的径向孔对注浆效果进行检查和确认。

2.5 地面监测点的布设及监测

在填仓法施工作业期间必须按报批的专项监测方案进行地表沉降监测，刀盘上方布设3 个断面的监测点，在填仓法施工前应采取监测初始值燕及时开展监测工作。监测频率一般为为2 次/1 d，当监测数据（沉降值或变形速率）达警戒值时需加大监测频率。

同时在填仓作业至盾构复推全过程需安排专职安全人员进行地面巡视检查，在盾构复推后仍需持续监测直到地面沉降数值小于2 mm/d为止。

2.6 其他安全措施

开仓区域地面进行警戒及围蔽并安排专人值守，利用盾构设备的主动铰接使刀盘回退5～10 cm，以保证填仓时砂浆充满刀盘前方的间隙，并向土仓内加注膨润土。

3 填仓前的安全条件验收及技术保证措施

在填仓作业前，建设、施工及监理方应对填仓前的安全条件进行检查验收，并采取相应的安全防护措施，以保证施工安全，填仓法开仓条件检查如图1所示。

图1 填仓法开仓条件检查Fig.1 Inspection of Opening Conditions of Filling Method

⑴参建各方的管理人员如项目经理、施工安全及技术负责人、总监理工程师等相关安全质量管理人员应到现场进行管控。

⑵对施工管理及操作人员进行安全技术交底并经被交底人签字确认，对参加换刀的操作人员进行安全教育培训并进行体检。

⑶填仓前对刀盘前方的工作面的安全情况进行检查和确认，对地层稳定性进行分析和预判，对填仓过程中安排专职管理及安全人员全程监控。

⑷对盾构设备及配合施工的机具进行认真检查，保证各相关机具设备状态良好。

⑸填仓前向刀盘主轴承注入足量的HBW密封油脂，保证填仓过程中充填浆液的压力不损坏刀盘密封。

⑹确认应急物资按应急预案要求就位，且状态良好。

⑺检查地面指挥人员与填仓作业人员通讯是否畅通，检查视频监控是否接到盾构机处，方便地面指挥人员及时掌握填仓情况并进行实时的监控指挥。

4 填仓作业技术要点

4.1 填仓砂浆的拌制

采用商品砂浆或利用现场砂浆搅拌站，提供满足设计配合比的填仓砂浆，采用电瓶车将砂浆运输到位并将电瓶车储备的浆液输送至浆箱内。

4.2 清空土仓渣土

对仓内渣土进行外排，排土时需同时开启仓内保压系统对土仓进行压保，保证土仓压力在安全范围（一般应略高于盾机上部水土压力），排土过程中地面储浆罐备浆准备随时土仓回注，排土后需保留螺旋机内渣土并保证筒壁内渣土充满，随后关闭螺旋机后闸门，操作螺旋机正转，使渣土压缩密实以利于土仓保压。

4.3 土仓内砂浆填充

通过盾构机土仓前壁球阀向土仓内部灌注砂浆，灌浆过程应保持连续，浆液灌入同时，便将电瓶车储备的浆液输送至浆箱内，保证注浆连续，填仓过程应遵守“等量替换、土压不变”的灌浆原则，即灌注砂浆过程中同步调节仓压，使仓压稳定在预设安全范围内，注浆过程中以适当速度持续转动刀盘，填仓注浆到后期平衡阀有浆液流出进，关闭盾构气压系统，继续灌浆保压至一定压力。

在填仓灌浆过程中应随时利用土仓壁上的不同位置的球阀检查渣土置换效果。当置换方量及土仓压力达到预设值时，再次通过土仓壁上球阀及盾构体的径向注浆孔对砂浆灌注情况进行检查，方法为采用空心管在球阀处插入土仓内取砂浆样进行分析，若砂浆置换未达到设计要求，则需继续进行填充作业，若确定仓内砂浆填充饱满充分，则可终止砂浆灌注。

在整个填仓过程中，每隔30 min，以1 r/min 速度反转螺旋机5 min，预防填仓砂浆回流包裹螺旋机的叶片，此过程需持续至灌浆完成后24 h。

4.4 填仓效果检查及验证

填仓砂浆达到龄期及设计强度时方能进行开仓作业。砂浆灌注完成后24 h后，开始逐步打开盾构土仓壁后的球阀，检查仓内浆液凝固情况。填仓效果检查按以下方法进行：

⑴开仓前首先要检查土仓内浆液的凝固情况，可通过打开土仓壁上半部的球阀，用直径10 mm 的钢筋向土仓内砸入，根据钢筋的砸入难易初步判断砂浆凝固情况；然后打开人闸仓门近处的球阀，观察是否有水流出，同样采用上述方法检查土仓内砂浆的凝固情况；如2种情况均满足要求，则可开启仓门进行后续工作，否则，关闭球阀等待2 h 再次检查，直至具备开仓条件。

⑵对前盾侧壁注浆情况进行检查，先打开盾体上两侧的球阀观察是否有水流出，再通采用打入钢筋的方式，检查前盾侧壁注入浆液的凝固情况。如条件满足，则表明前盾侧壁加固效果良好。

⑶对盾构刀盘前方砂浆填注效果进行检查，经上两步的安全确认后，可打开人闸仓门进行土仓内砂浆的清理，清理至刀盘开口部位后，使用风钻向刀盘前方打探测孔，观察前方渗水情况及检查砂浆固结情况，如土体固结良好且无渗水时，则清仓工作可以继续。

4.5 清仓及拆除更换刀具

满足开仓条件且施工机具准备到位后，打开仓门，从仓门位置开始清仓，开仓前应委托专业机构进行有毒有害气体检测并达标，且整个清仓及换刀［7-9］过程应持续检测有毒有害气体，清仓过程中严禁转动刀盘，清仓顺序为先清理仓门上部及周边砂浆体，然后向下清理至中心刀位置。

除砂浆过程尽量不要出现过凿，否则应立即对过凿部位采用快硬水泥封堵。土仓内砂泥处理完全后，再按计划进行刀具的更换，刀具更换时，应先逐一清理及凿除刀厢内浆液，再进行刀具更换工作。每完成更换一把刀具，均要及时用棉纱对刀具周边空隙进行封堵。

清仓时切口环缝隙、开口处、土仓上部20 cm砂浆应保留不做清理，同时作好照明、通风、气体检测及相应安全防护［10］工作，以保证清仓及换刀工作的安全。

4.6 清仓、脱困及恢复掘进

刀具安装情况检查正常后，开始对土仓内、刀具缝隙、刀盘开口位置的砂浆进行凿除清理，凿除时需注意凿除顺序，应按照自上而下的顺序，作好操作平台的搭设。凿除作业完成后向盾构土仓内注入膨润土建立土压进行脱困，恢复掘进。

5 工程实例及应用效果分析

5.1 工程实例地质及水文条件

广州市轨道交通7 号线某区间，区间沿线地层变化较均匀，主要穿越砂质粘性土〈5H－2〉、全风化花岗岩〈6H〉、强风化花岗岩〈7H〉地层，上覆地层主要为砂质粘性土〈5H-2〉、粉质粘性土〈4N-2〉、中粗砂层〈3-2〉。停机刀盘位置地层为，下部微风化花岗岩层〈9H〉，上部砂质粘性土〈5H-2〉隧道埋深11.35 m。区间孤石发育，盾构掘进施工困难，对周边环境影响较大，详勘中间成果孤石揭露率25%，开仓区域地质情况如图2所示。