盾构砂浆置换法常压开仓作业技术

柴高炯

(中铁上海工程局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，上海 200443)

0 前 言

某地铁项目于2020年7月14日掘进至409环，其中，掘进401～409环，盾构掘进速度1～5 mm/min，刀盘扭矩平均值2 000～4 000 kN·m，最大值4 000～5 000 kN·m，总推力1 900～2 200 t。速度慢，扭矩高，于2020年7月17日带压进仓作业，在第三仓作业过程中土仓内CO含量超标，人员紧急关闭仓门，开始正常减压出仓，停止带压作业。

出于安全考虑，带压开仓存在安全隐患，因此，考虑砂浆置换法进行开仓，更换垫高刀具，更换土压传感器，安装、试验高压冲洗装置，清理泥饼。

1 工程概况

盾构机停机位置位于河道泄洪堤内桐口村居民果树林地下方，刀盘里程为CDK1+519.458(415环)，管片拼装至409环。该位置隧道覆土为10.5 m，隧道上方为村民菜地和果树林地。刀盘前方地层从上到下主要为粉质黏土(0～1.8 m)、淤泥(1.8～3.7 m)、全风化闪长岩(3.7 m～7.5 m)、强风化闪长岩(砂土状)(7.5～13.5 m)、中风化闪长岩。洞身范围地质主要为强风化闪长岩(砂土状)、中风化闪长岩。

勘察范围内所有钻孔均遇见地下水。勘察时测得钻孔中初见水位埋深为1.00～9.20 m，初见水位标高为6.73～16.63 m；稳定水位埋深为0.80～9.00 m，稳定水位标高为6.33～16.23 m。

盾构机位于泄洪堤内，距离铁路路基40 m，周边无管线、高大建筑物，主要为果树林地。

2 施工工艺

砂浆置换法是近年来国内盾构开仓较为常用的一种加固方法[1]。拌置一定强度砂浆，通过盾构土仓壁检查孔注入混合砂浆，置换盾构土舱中部分或全部土体，利用砂浆与土体混合物将盾构机刀盘前方、开口处裹住，尤其是上方砂浆混合物到达一定强度后形成具有防水及自立性的止水帷幕，然后开仓，分层、有序清除土仓内砂浆进行检查、换刀。

盾构掘进参数异常，通过经验判断刀具磨损严重，必须换刀后进行作业。但盾构机所处地层为上软下硬地层，稳定性差，无法进行常压开仓，且由于地层中CO含量较高，也无法进行带压开仓。而在砂土地层中，砂浆置换法常压开仓作业具有较高可靠性、工期较短、成本较低、对周围环境影响小等优点。

2.1 砂浆置换施工流程

地面加固及降水井施工→环箍注浆→正常推进5 cm→渣土置换→注水泥砂浆→盾体后退5 cm→回缩螺旋机关闭下闸门→开仓清仓→土仓回填→恢复推进。

2.2 地面注浆加固

由于前期带压开仓施工需要，已采用WSS后退式注浆进行地面加固，桩间距为横向1.5 m、纵向1.5 m，梅花形布置，隧道范围外采用水泥-水玻璃双液浆加固，隧道范围内采用水泥浆加固，浆液配比水灰比为1∶1，水玻璃∶水=1∶1，水泥浆∶水玻璃液=1∶1。为加强刀盘前方土体自稳性，在刀盘前方0.5、1.5 m以及刀盘上方采用WSS注浆再次对地面进行加固，距离为1 m，梅花形布置，刀盘前方加固至岩面，刀盘上方加固至盾体，隧道范围内及隧道上方1 m采用磷酸-水玻璃双液浆，距地面4 m范围不注浆，其余注水泥-水玻璃双液浆。

2.3 降水施工

目前盾构机刀盘里程为CDK1+519.458，通过地面在盾体及刀盘前方隧道范围外打设4口降水井持续降水，降水井距隧道边线5 m，间距4 m，降水井深15 m。根据盾构机附近水位监测孔将盾构机周边水位降低至地面以下14 m，即降水至中风化岩层(刀盘中心埋深13.6 m)。换刀作业过程中应保证端头连续降水，定时对地下水位进行监测。

2.4 环箍注浆

由于目前地层处于复合地层，地层渗透系数大，地下水丰富，为避免成环管片背后来水进入土仓造成砂浆置换失败，在管片背后进行整环双液注浆形成止水环，截断管片背后来水。注浆环号选定在脱出盾尾4环之后进行连续5环二次注浆。管片背后注浆范围见图1。

图1 管片背后注浆范围

二次注浆采用水玻璃+纯水泥浆的方式。浆液配比及其相关参数指标如下：水泥浆水灰比为0.8～1.0；水玻璃与水按1∶1进行稀释；注入时浆液与水玻璃体积比为：水泥浆∶水玻璃=1∶1。

注浆过程中应有排气孔，排气孔原则上设在预注浆孔上并安装注浆单向逆止阀，同时打开球阀，直至出现冒浆时关闭球阀，10 min后检查注浆效果，如有水溢出应对该孔进行注浆。

2.5 渣土置换

气压辅助推进5 cm(左中土压1.4 bar)，将铰接伸长至允许最大值(160 mm)后，再使用搅拌站配置的纯膨润土泥浆直接置换。膨润土泥浆配比为1∶8(质量比)，膨化时间≥24 h，黏度40～50 MPa·s，采用同步注浆设备，将配置好的膨润土泥浆通过2、10点钟位置土仓壁胸腔球阀直接注入土仓内，在保证土仓压力不小于理论土压的1.1倍的情况下，通过螺旋机将土仓内原有的渣土置换。置换标准为螺旋机出渣中膨润土占比为80%或注入膨润土量大于20 m3后停止置换，开始砂浆置换。

2.6 土仓内砂浆置换

根据福州地区开仓置换砂浆配比以及本地区地质砂土含量，共设置8组不同配比试验，如表1所示。

表1 砂浆配合比试验数据统计表 单位：kg

综合考虑掌子面稳定、开挖难度、复推影响程度等因素，最终选定浆液配比为：水泥150 kg、砂820 kg、粉煤灰300 kg、膨润土200 kg、水400 kg，浆液稠度9～11 cm，浆液初凝时间14～19 h(养护条件拟合土仓条件，封闭潮湿)。

砂浆置换以恒压的原则进行，一边通过螺旋输送机出土，一边通过同步注浆从土仓隔板球阀注入砂浆，注浆过程中保证土舱压力维持在2 bar左右，避免压力太小地面出现沉降及压力太大对主轴承密封不利。注浆时缓慢转动刀盘，刀盘转速控制在0.5～1 r/min，保证舱内土体与砂浆充分混合，注浆量约60 m3，同时密切关注刀盘密封压力并注入油脂，压力不低于3 bar。

在注浆过程中随时通过土仓隔板各个位置的球阀检查置换效果，同时随时检查螺旋机出土碴样中的砂浆含量。当注浆量达到要求、螺旋输送机出土砂浆含量达到90%以上、顶部压力达到设定值并保持稳定后，再次打开土仓隔板上所有球阀及盾构中体的径向注浆孔进行检查，并将空心管通过球阀插入土仓内取样进行分析。

提前做好防盾尾后退措施，在盾尾焊接4块工字钢，防止盾构倒退过多损坏盾尾刷。以注浆压力使盾体后推约5 cm，同时人工回缩铰接油缸。盾体回缩后保持土压不变。必要时可加气辅助后退。

需注意的是，最后一次转动刀盘时将刀盘超挖刀置于3点钟位置，便于后续换刀施工。

2.7 开仓前效果检查

首先检查仓内浆液凝固情况，先打开土仓壁上的两个球阀，用气体检测仪在球阀口进行气体检测，保证土仓内无有毒有害气体，再次利用粗细10 mm左右的钢筋向土仓内砸入，根据砸入的情况判断凝固的情况。然后打开土仓门上方的球阀，同样的方法检查仓内凝固的情况，看是否还有水流出。

检查前盾侧壁注浆情况，打开盾体上两侧的球阀，与上述方法相同，检查注浆后侧壁土体情况，看是否还有未凝固的砂层、是否还有地下水流出。如两个条件均满足，则表明侧壁加固效果也比较好。

通过检查，确保开仓前砂浆置换达到预期效果，水位到达开仓条件，方可开仓进行下步施工。

2.8 清仓及刀具检查更换

开仓前先通过球阀对仓内气体进行检测，无有毒有害气体后打开仓门，利用鼓风机向土仓内输送新鲜空气，以置换仓内污浊气体，安质人员时刻检测仓内是否含有有毒有害气体，确认其无有毒有害气体、准备好照明设施后方可让人员进入土仓施工。

清舱利用铁镐、铁锹，采用编织袋装土，人工送上皮带机，再由皮带机送往渣土车。清舱顺序由上至下，切口环及开口处水泥浆保留。如凿除过程中部分过凿或局部渗水，立即采用快硬水泥封堵。须在人舱及皮带机之间搭设钢板溜槽，并在人员活动范围两侧捆绑麻绳防护栏杆，防止人员坠落。此时舱内温度较高，及时通风和用冰块进行降温，同时备用1台2 kW水泵，在清仓过程中如果底部有水渗出则及时用水泵抽水。

清仓过程中边清仓边更换刀具，刀盘辐条开口以及中线三角区暂不清理，直接清理刀箱。清理刀厢时应凿出一把，更换一把，若拆刀过程中掌子面不稳有渣土流出，应立即封闭刀厢并插管注入水泥浆[2]。

刀具磨损的建议标准：周边磨损量为15 mm，齿刀磨损量为10 mm左右时更换。这个指标的确定与刀具耐磨层厚度有很大关系。

3 施工效果

本次砂浆置换常压开仓换刀各个环节整体受控，无质量安全事故。

1)加固效果良好。加固后的地面隆起明显，在加固区域取芯验证加固效果，芯样可见大量固化砂浆；进仓作业过程中掌子面始终比较稳定，未出现掌子面坍塌情况，确保了开仓作业始终处于安全环境下。

2)降水效果良好。在开仓前24 h开始降水，并在清仓和换刀过程中始终保持降水，土仓内总体渗水量较小，虽然随着换刀数量增加渗水点增加，已有渗水点水量不断减小，始终保持在可控范围内，如图2所示。

图2 降水效果

3)填仓。采用泡沫及自动保压系统将土仓内膨润土排出，注入砂浆并继续排土，螺机出现明显砂浆，缩回螺机关闭下闸门，继续通过浆罐注入砂浆，压力稳定在2 bar后后退刀盘12 cm，继续注入砂浆，确保压力稳定2 bar后停止，过程中转动刀盘，注入完成后刀盘停转，停到制定位置。

4)清仓。清仓过程中配置了白班和夜班两班人员，保证开挖作业不间断。清理过程中，土仓内砂浆由上向下一次性清理完成，不包含刀盘上的砂浆，作业过程中做好防坠、防腐蚀、通风等安全措施。

5)换刀。换刀分左右两个作业面同时作业，加快进度。在刀盘已提前清理的情况下可左右开展两个工作面，同时换刀。

4 结束语

运用砂浆置换法常压开仓作业得到了顺利实施，各个环节未出现质量安全事故，主要结论与建议如下。

1)开仓方案比较。常压开仓适用于稳定地层，工期短、费用低、风险低；带压开仓适用于较稳定地层，但地层中有毒有害气体含量不能超标，本项目CO超标无法使用，工期较长、费用较高、风险高；砂浆填仓法开仓换刀，地层适应性较强，地层气体含量对本工法使用无影响，周期长、费用高、风险低。

2)地面加固要在盾体上方、前方均有布置，且下部要使用磷酸-水玻璃溶液进行加固，避免浆液卡盾体影响复推。

3)砂浆性能要进行提前试验，验证强度和凝结时间，强度不足易造成掌子面失稳，强度过大易造成清仓换刀困难。

4)在填仓前，刀盘中心刀调整成垂直状态，方便更换。

[ID:012889]