地鐵盾構(gòu)隧道填倉(cāng)換刀施工技術(shù)研究

李 江 龍

(武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430030)

1 概述

近年來(lái)，隨著我國(guó)大力建設(shè)發(fā)展地下空間，盾構(gòu)由于其具有機(jī)械化程度高、功效快、施工影響小以及安全性能高等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。由于盾構(gòu)穿越的地層條件通常比較復(fù)雜，這使得盾構(gòu)機(jī)刀盤的磨損程度較為嚴(yán)重，需要及時(shí)更換刀具從而繼續(xù)掘進(jìn)[4,5]。盾構(gòu)機(jī)換刀的方式主要分為常壓換刀及保壓換刀兩種，在掌子面穩(wěn)定性較好時(shí)通常選擇常壓換刀，其具備較高的施工效率且對(duì)人員的作業(yè)安全有保證，當(dāng)掌子面不穩(wěn)定時(shí)可采用先填倉(cāng)后進(jìn)行常壓換刀。保壓換刀通常應(yīng)用于地層環(huán)境惡劣、地下水發(fā)育嚴(yán)重掌子面無(wú)法維持穩(wěn)定的盾構(gòu)隧道工程中，由于其高壓環(huán)境加大了人員操作的風(fēng)險(xiǎn)，且施工流程較為復(fù)雜[6-8]。

本文以武漢市軌道交通8號(hào)線洪山區(qū)政府站—文昌路站區(qū)間工程為實(shí)例，在充分調(diào)研施工實(shí)際情況及地層環(huán)境的基礎(chǔ)上，選定開倉(cāng)換刀的位置，給出了開倉(cāng)前期的準(zhǔn)備工作，形成一套盾構(gòu)填倉(cāng)換刀技術(shù)。

2 工程概況

武漢市軌道交通8號(hào)線洪山區(qū)政府站—文昌路站區(qū)間右線全長(zhǎng)1 287.241 m，左線全長(zhǎng)1 306.305 m，設(shè)置2處聯(lián)絡(luò)通道(其中1處兼泵房)。本區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，從文祥街的文昌路站小里程端出來(lái)后沿文祥街向東左轉(zhuǎn)，橫穿書城路、下穿南湖連通渠，橫穿文馨街后沿珞獅南路向北到達(dá)洪山區(qū)政府站大里程端接收。

左線區(qū)間隧道始發(fā)段以黏土及強(qiáng)風(fēng)化巖為主，隧道中間段以中風(fēng)化石灰?guī)r為主，隧道接收段以強(qiáng)風(fēng)化巖及黏土層為主。右線區(qū)間隧道始發(fā)段以黏土及強(qiáng)風(fēng)化巖為主，隧道中間段以中風(fēng)化石灰?guī)r為主，隧道接收段以強(qiáng)風(fēng)化巖及黏土層為主。在施工過(guò)程中，右線在掘進(jìn)至369環(huán)處時(shí)，盾構(gòu)機(jī)扭矩明顯增大，刀具磨損嚴(yán)重，無(wú)法進(jìn)行安全掘進(jìn)，應(yīng)停機(jī)采取換刀措施進(jìn)行處理。

3 開倉(cāng)換刀準(zhǔn)備工作

3.1 開倉(cāng)位置確定

洪山區(qū)政府站—文昌路站區(qū)間右線在掘進(jìn)至369環(huán)處刀具磨損嚴(yán)重，常壓進(jìn)倉(cāng)更換滾刀9把，由于掌子面不穩(wěn)還剩12把滾刀未更換，其中包括3把已拆未裝，1把拆除完成80%，8把中心刀未拆除。計(jì)劃在369環(huán)位置進(jìn)行填倉(cāng)后再常壓進(jìn)倉(cāng)更換剩余12把損壞的刀具，根據(jù)右線地層及地表實(shí)際情況制定此次刀具更換點(diǎn)。

盾構(gòu)機(jī)刀盤掘進(jìn)至DK29+499.85處(369環(huán))進(jìn)行填倉(cāng)后再常壓進(jìn)倉(cāng)更換剩余損壞刀具，該處刀盤位于南湖連通渠正下方，隧道埋深16.55 m，連通渠水位高約2.5 m。地層從上至下依次為：雜填土、黏土、原生紅黏土、中風(fēng)化石灰?guī)r；盾構(gòu)穿越地層為中風(fēng)化石灰?guī)r及溶洞填充物，地質(zhì)自穩(wěn)性較強(qiáng)，中等透水性，且停機(jī)位置前期有地質(zhì)勘探孔及巖溶注漿孔為徹底封堵，南湖連通渠水和掘進(jìn)斷面有水源補(bǔ)給情況。

3.2 開倉(cāng)技術(shù)準(zhǔn)備

1)編制盾構(gòu)填倉(cāng)換刀作業(yè)專項(xiàng)的施工方案，報(bào)監(jiān)理工程師審批完成，并在開倉(cāng)前對(duì)參與作業(yè)人員進(jìn)行施工安全技術(shù)交底，明確人員分工。

2)從盾尾后5環(huán)往后，對(duì)管片壁后進(jìn)行二次注漿，注水泥水玻璃雙液漿，注漿量以注漿壓力控制，形成止水環(huán)，保證盾體后方止水效果。注漿時(shí)要密切關(guān)注管片狀態(tài)及注漿壓力。將需要二次注漿位置的管片注漿孔鑿開，安裝注漿接頭及閥門，連接管路；用清水沖開管片壁后水泥漿并形成通道，開始進(jìn)行壓注水泥漿，然后再打開水玻璃液閥門，注入雙液漿。注漿在3點(diǎn)位、9點(diǎn)位并保證兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行。

3)開倉(cāng)條件確認(rèn)分兩步實(shí)施：打開人閘內(nèi)出氣閘閥，觀察有無(wú)氣及水排出，若有氣排出，直至常壓，觀察30 min后，并未見有水及泥漿排出，則滿足開倉(cāng)條件；如果有水則在土倉(cāng)隔板中部打開球閥，進(jìn)行排水；如果此時(shí)水流不止，則不能夠開倉(cāng)，需重新注漿。

4)開倉(cāng)后首先需要通過(guò)氣體探測(cè)儀檢查倉(cāng)內(nèi)氣體情況，主要是倉(cāng)內(nèi)通風(fēng)、降溫等條件滿足人體基本需求后方能進(jìn)倉(cāng)。進(jìn)倉(cāng)后首先對(duì)土倉(cāng)內(nèi)漿液強(qiáng)度進(jìn)行判定，同時(shí)檢測(cè)土倉(cāng)內(nèi)是否有有害氣體，以便采取相應(yīng)的措施。

5)清理前先對(duì)土倉(cāng)內(nèi)水泥漿進(jìn)行清理，然后對(duì)刀盤上刀具、刀座等主要位置進(jìn)行清理及沖洗，應(yīng)避免對(duì)掌子面及切口環(huán)位置的破壞。

4 填倉(cāng)換刀關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 總體施工流程

填倉(cāng)換刀技術(shù)通常應(yīng)用于在常壓下盾構(gòu)機(jī)掌子面無(wú)法維持自身穩(wěn)定的工況，它是通過(guò)向土倉(cāng)內(nèi)注入適量水泥漿液等加固掌子面，強(qiáng)度儲(chǔ)備充足后采用人工將倉(cāng)內(nèi)泥漿清理出來(lái)使倉(cāng)內(nèi)具有一定的空間，然后在常壓狀態(tài)下進(jìn)行刀具更換的施工方法。在進(jìn)行盾構(gòu)換刀時(shí)，需要確保盾構(gòu)機(jī)盾體、注漿管道等設(shè)備的安全。圖1給出了填倉(cāng)換刀施工工藝的具體流程。

4.2 填倉(cāng)換刀技術(shù)要點(diǎn)

4.2.1盾體及刀盤保護(hù)

為避免水泥砂漿及超前導(dǎo)管注漿造成盾構(gòu)機(jī)停機(jī)、刀盤密封受損、同步注漿管堵塞等后果，在進(jìn)行注漿之前需要采取下列措施：

1)通過(guò)盾體徑向注漿孔向盾殼周圍注入膨潤(rùn)土泥漿或黃油，防止由于盾體被漿液抱死而造成盾構(gòu)機(jī)停機(jī)。泥漿采用膨潤(rùn)土∶水=1∶3的比例拌制，注入量不小于6 m3。注漿完成后應(yīng)通過(guò)盾體徑向孔檢查注入質(zhì)量。

2)在漿液儲(chǔ)存罐內(nèi)拌制膨潤(rùn)土泥漿，并通過(guò)同步注漿系統(tǒng)注入，避免盾構(gòu)機(jī)尾部被漿液凝結(jié)破壞以及注漿管道堵塞。

3)為避免刀盤的主軸承等構(gòu)建密封性能遭到破壞，采用刀盤密封系統(tǒng)注入適量的HBW油脂。

4.2.2填倉(cāng)作業(yè)

填倉(cāng)作業(yè)的關(guān)鍵是要在掌子面及刀盤上方形成一層保護(hù)膜，在一段時(shí)間內(nèi)保證掌子面的穩(wěn)定，給換刀作業(yè)提供一個(gè)穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境，填倉(cāng)換刀工序如下：

1)中盾徑向孔注聚氨酯，確保中盾、盾尾與土體的間隙之間填倉(cāng)滿聚氨酯，以保證土倉(cāng)壓力穩(wěn)定，不漏氣。

2)土倉(cāng)內(nèi)注入泥漿(主材膨潤(rùn)土)，滲透掌子面，每次注入令土倉(cāng)頂部壓力達(dá)到3.8 bar，待土倉(cāng)頂部壓力穩(wěn)定在3.5 bar(3 h不下降)，停止注入。

3)通過(guò)土倉(cāng)前壁球閥向土倉(cāng)內(nèi)部注漿，用于置換土倉(cāng)中渣土。

4.2.3盾構(gòu)機(jī)超前注漿

盾構(gòu)機(jī)超前注漿用于填充、加固土倉(cāng)周圍地層土體，主要是刀盤及切口環(huán)上部土體，確保清倉(cāng)換刀時(shí)不漏水，不塌方，有較好的工作環(huán)境，其注漿流程如圖2所示。

1)鋼花管采用6 m長(zhǎng)φ48 mm的鋼管，對(duì)穿梅花形布孔，孔徑8 mm，縱向間距為10 cm，布孔長(zhǎng)度1 m。

2)漿液采用P.O32.5R,1∶0.8～1∶1水泥漿液。

3)將定制的注漿導(dǎo)管插入傾斜超前注漿孔進(jìn)行注漿。注入水泥漿液，注漿壓力保持在0.3 MPa～0.4 MPa范圍內(nèi)，在壓力穩(wěn)定后持續(xù)注漿，直至壓力上升后，再進(jìn)行20 min～30 min注漿操作。

4)以1 m為一個(gè)注漿段，注完一段，拔出一段，逐步進(jìn)行注漿加固，特別是刀盤前方0.8 m～1 m、切口環(huán)上方位置重點(diǎn)注漿。

4.2.4檢查土倉(cāng)及地層條件

在開倉(cāng)換刀前需要進(jìn)行土倉(cāng)內(nèi)部環(huán)境檢查，打開閥門插入鋼筋，通過(guò)鋼筋的插入深入判定凝固情況，當(dāng)漿液已呈硬塑狀態(tài)不再流動(dòng)時(shí)，表明土倉(cāng)內(nèi)的土體已經(jīng)固結(jié)。開倉(cāng)前進(jìn)行降壓試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)地面情況。使用螺旋機(jī)進(jìn)行出土降壓，同時(shí)打開土倉(cāng)壁上的球閥進(jìn)行放水降壓。

當(dāng)土倉(cāng)壓力降至常壓，土倉(cāng)內(nèi)渣土降至人閘下以后，如果地面沉降在允許范圍之內(nèi)，可進(jìn)行常壓換刀。若地面沉降超出了25 mm，應(yīng)停止土倉(cāng)降壓，并向土倉(cāng)內(nèi)注入惰性漿液，恢復(fù)土倉(cāng)壓力，重新采取注漿加固措施。注漿加固完成后重復(fù)以上降壓試驗(yàn)過(guò)程，直至地面沉降穩(wěn)定，即可進(jìn)行開倉(cāng)換刀工作。

4.3 土倉(cāng)清理及換刀

待所注入漿液凝固穩(wěn)定3 d以后，進(jìn)行人工清倉(cāng)，一次性清倉(cāng)到底。然后采取自下而上的順序，進(jìn)行刀具更換。通過(guò)土倉(cāng)壁球閥和人倉(cāng)門上方的球閥孔，采用鋼釬檢查倉(cāng)內(nèi)固結(jié)情況，確認(rèn)砂漿固結(jié)且探孔無(wú)滲水后，方可開倉(cāng)門。打開倉(cāng)門后先進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐L(fēng)、氣體檢測(cè)，然后從倉(cāng)門口開始用鐵鏟、洋鎬、編織袋進(jìn)行清倉(cāng)工作，清倉(cāng)順序見圖3。

1)清理人倉(cāng)附近的①號(hào)區(qū)域，寬度1 m，高度1.5 m，進(jìn)尺0.7 m，右側(cè)區(qū)域暫不清理，上部留1.5 m暫不清理；

2)清理②號(hào)區(qū)域；

3)清理③號(hào)區(qū)域，高度1.5 m，更換③號(hào)區(qū)域的刀具;

4)清理④號(hào)區(qū)域，并更換④號(hào)區(qū)域的刀具，同時(shí)檢查并清理螺旋的出土口；

5)清理⑤號(hào)區(qū)域，并更換①,②,⑤號(hào)區(qū)域的刀具；

6)清理⑥號(hào)區(qū)域，并更換⑥號(hào)區(qū)域的刀具；

7)清理切口環(huán)、清理開口，確保刀盤不被卡??；

8)關(guān)閉倉(cāng)門，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，如可以轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，直接恢復(fù)掘進(jìn)即可；如無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，則從下至上清理刀盤與掌子面之間的砂漿，直到刀盤可以轉(zhuǎn)動(dòng)為止。

開挖到切口環(huán)及刀盤開口位置，立即用模板將切口環(huán)及刀盤開口位置封堵，預(yù)防土體掉落。清倉(cāng)期間必須持續(xù)不斷的給土倉(cāng)送風(fēng)，確保倉(cāng)內(nèi)空氣流通。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以武漢市軌道交通8號(hào)線洪山區(qū)政府站—文昌路站區(qū)間工程為依托，基于實(shí)際施工情況及地層條件總結(jié)出一種盾構(gòu)填倉(cāng)換刀施工技術(shù)，給出了開倉(cāng)前期準(zhǔn)備流程及填倉(cāng)換刀的具體流程。該技術(shù)的實(shí)施完成了常壓狀態(tài)下盾構(gòu)機(jī)的換刀工作，同時(shí)保證了盾構(gòu)隧道施工的順利進(jìn)行。