基于砂浆置换的软岩段盾构刀具检查更换技术

田先玉

(中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京 100023)

1 引言

软土地层自稳能力差，盾构施工保压、换刀困难。关于盾构换刀和刀具修复有很多成功的案例研究，王迎新结合施工实例，提出了小型桩帷幕和内部袖阀管注浆相结合的施工方法，在深圳地铁2 号线成功实施，安全实施了常压进仓换刀作业[1]。段浩等经过多种换刀方案对比研究，提出了适用于富水砂卵石地层的盾构换刀施工方案[2]。吴琼根据广州地铁工程地质特点，建议采用新型的混合泥浆，通过其硬化支撑开挖面，成功解救了广州地铁换刀易涌水的难题[3]。苏周勃根据广州地铁9 号线施工经验，总结了适用于无地面加固条件的砂土地层土压盾构快速换刀技术[4]。何昌连结合南京地铁施工案例，详细总结和介绍了一种有效解决富水上软下硬条件下的砂浆护壁盾构换刀技术[5]。杨志勇等详细分析了主动和被动换刀的优缺点，结合无水砂卵石特点，建议采用主动换刀方式，这样可以有效缩短工期，提高施工效率[6]。王住刚等结合西安地铁施工案例，对带压进舱换刀技术开展了研究，总结了盾构带压进仓换刀施工关键技术，实现了地铁安全施工[7]。谭顺辉等讨论了大直径盾构刀盘设计、常压换刀、主驱动伸缩摆动及可靠密封系统等方面的针对性设计，对超大直径盾构的研究应用和推广提出了可供参考的建议[8]。

虽然关于盾构换刀的研究较多，但是考虑盾构施工面临的环境不可预见性，如何实现常压安全换刀一直都是施工现场重视的重点。本文结合某地铁施工案例，总结了砂浆置换在富水砂卵石地层盾构换刀和刀具修复的施工关键技术，对该技术的推广应用具有较大帮助。

2 工程概况

兰州市轨道交通1 号线一期TJI-5 标段迎门滩站～马滩站区间隧道，该区间从迎门滩站始发后，沿银安路方向推进后下穿黄河，下穿黄河段长度约404m。该区间管片外径6.2m，内径5.5m，区间左线长1 907.577m，右线长1 906.567m，线路最小曲线半径340m，最大纵坡22.03%。

3 施工工艺流程及关键技术

3.1 总体施工方案

砂卵石地层换刀施工常出现保压困难、掌子面涌水坍塌等问题，常用换刀风险高、难度大。砂浆置换可以通过向土仓内注入砂浆混合液，浆液凝固后可以有效固结刀盘开口和仓内掌子面存在的空腔，起到稳定掌子面的目的。浆液硬化强度达到设计要求后，可以采用人工方式将土仓内的渣土清理干净，然后进行常压换刀，保证换刀操作方便和掌子面安全。

3.2 施工工艺流程

施工流程见图1。

图1 施工流程图

3.3 施工技术

3.3.1 置换前的准备工作

置换之前需要进行盾尾补充注浆，通常采用水泥水玻璃双液浆来封堵管片外部可能存在的渗水通道，保证仓内安全。通常注浆压力不应超过0.3MPa。

3.3.2 砂浆置换填仓注浆

通过螺旋机排渣和土仓壁上的球阀进行砂浆注入工作。在这个过程中，尽量保持工序的衔接，确保上部土压波动控制在0.3bar 以内，减少掌子面前方土体塌陷的风险、压力太大对主轴承密封的不利影响。

置换浆液采用配比为水泥∶膨润土∶砂＝250kg ∶200kg ∶650kg，初凝时间为10h，通过相似条件实验数据，注浆完成后24h 开仓，效果良好。注浆量根据仓内情况确定，经验数据一般为30m3左右，在浆液灌注过程中要不停翻转螺旋机，确保螺旋机不被凝固的浆液锁死，导致后期清理困难。

注浆可以通过浆液凝固来固结刀盘开口和封闭仓内存在的空腔，为后续顺利开仓做准备；同时灌注的浆液可以有效包裹住主轴承，对主轴承承担后期一定的注浆压力提供缓冲层，保护主轴承的密封性。砂浆置换效果如图2 所示。

图2 砂浆置换效果

3.3.3 清仓换刀

注浆结束48h 后，通过土仓壁上3 点、9 点、仓门旁的球阀，利用钢筋砸入的情况和难易程度，判断注浆效果是否满足开仓要求。

待仓门打开后，通过人工采用洋镐、铁锹的方式进行渣土清理和外运。考虑施工的便利和安全性，清仓按照由上至下的顺序开展，但是要保留开口处和切口环的水泥浆，以防凿除过多。如果凿除超过要求，需要及时补充封堵，确保掌子面的封闭和稳定性。刀具更好要做到随拆随换，不可一次拆掉过多。

3.4 质量要求

填仓砂浆强度不宜过高或过低，强度控制在0.3MPa。通过在砂浆中添加膨润土，使刀盘开口和开挖面即能得到较好的支撑、具有一定的稳定性，又便于后期人工清理。砂浆初凝时间10h，注浆过程中反转螺旋机，确保螺旋机不被水泥砂浆凝固[9]。

4 施工效果

采用砂浆置换进行开仓换刀施工，减少了气压换刀时掌子面不稳定的安全隐患。保证了无法常压、气压换刀情况下的盾构换刀工作。采用常压换刀平均用时约15d，一次换刀综合成本高达36 万元，而采用砂浆置换仓内渣土之后进行换刀施工，所耗费的材料主要为水泥、膨润土砂子等，一次换刀综合成本仅6.2 万元。

5 结语

在实际施工中，采用砂浆置换的新技术换刀，保证施工进度，减少了气压换刀的作业风险，取得了一定的施工成果，为上软下硬、渗透系数大灯地层常压开仓换刀施工积累了宝贵的经验。

1）突破了盾构在上软下硬、黏土等特殊不稳定地层、地层渗透系数大、不具备气压作业条件下的常压进仓作业。

2）在洞内施工，不需要地面加固，同时施工扰动较小，可以有效控制地表沉降，保证建构筑物安全。

3）克服了带压作业因刀具严重损坏无法正常拆卸而采取的动火作业，提高了施工效率，避免了带压作业的施工风险。

4）相对于地面加固技术需要耗时1～2 个月进行加固，进行拆、临迁和交通疏解，缩短了施工工期，功效高。

5）可操作性强。采用的材料为膨润土、水泥浆和砂，皆为通用建筑材料；采用的注浆设备为盾构通用配置的注浆罐和注浆泵；作业环境为自然常压环境；作业步骤简单，一般性工程人员简单培训后即可实施。