盾构机软弱地层常压开仓换刀的技术

盾构机软弱地层常压开仓换刀的技术

辛禹广

广州珠江工程建设监理有限公司510095

摘要：盾构掘进过程中，刀具的更换是一个重要的环节，直接影响着盾构能否顺利的掘进，甚至盾构施工的安全。本文主要总结盾构在软弱地层常压下的开仓换刀技术及施工要点，以供参考。

关键词：刀具；软弱地层；常压；开仓

引言：近一二十年来，随着我国经济的快速发展，全国各地的大中城市的轨道交通建设速度明显加快，一条条轨道交通线路纵横在各城市之间，在进行轨道交通建设的过程中，盾构掘进过程中的刀具更换是盾构施工中重要的一环。然而，在当前的轨道交通建设过程中，盾构施工线路的地质情况复杂，甚至受到地面各种环境因素的影响，盾构掘进过程的刀具更换存在着各种不确定的因素，影响着盾构能否顺利和安全的掘进。

一、工程概况

东莞市城市快速轨道交通R2线【寮厦站～珊美站】盾构区间左线起讫里程ZDK27+663.204～ZDK29+351.625（ZDK29+146.324=ZDK29+150.000，短链3.676m），左线全长1684.745m；右线起讫里程YDK27+663.204～YDK29+351.623，右线全长1688.419m。采用双洞单线盾构法施工。盾构区间线路纵断面为V形坡设计，区间隧道自寮厦站起，先以2‰和25‰下坡下穿厚街大道、S256拟建厚街大道隧道及岳范山大道等，至富康路2#联络通道兼废水泵房处，过最低点后转为上坡，然后以3.98‰和17.45‰（17.24‰）上坡下穿S256拟建人行天桥、河田大道、阳河路、珊瑚路等，进入珊美站。

区间隧道顶覆土8.75m～16.48m，区间隧道主要穿行于<6-5>残积可塑状砂质粘性土、<6-6>残积硬塑状砂质粘性土、<9-1>全风化花岗闪长岩和<9-2>强风化花岗闪长岩，局部（靠近珊美站端头）通过<3-7>全新统冲洪积粉砂、<3-10>全新统冲洪积中砂和<3-11>全新统冲洪积粗砂。隧道地基土稳定性较差，土质不均匀，同一断面存在上下、左右软硬不均现象。

二、工程难点

区间存在大量软弱及上软下硬地层，长距离掘进，刀具磨损后，刀具安全快速更换是本工程重难点。

盾构施工中常用的换刀方法有气压换刀和常压换刀。而常压换刀包括直接开仓换刀、预处理开仓换刀和注浆填仓换刀。软弱及上软下硬地层，掌子面自稳性差，故不可采用直接开仓换刀。区间隧道沿S256省道路面敷设，车流量较大，地面没有施工空间，不宜从地面采取措施，所以不能采用预处理开仓换刀。省道S256厚街大道隧道与本区间上下重叠1045m，其板凳桩施工距离盾构隧道仅1米，冲孔施工过程中严重扰动沿线地层，破坏地层整体性，气压换刀容易出现漏气现象。因此本工程软弱地层中更换刀具，需采用注浆填仓换刀方法。

填仓换刀需要向土仓内注入具有一定强度的惰性水泥浆液来封水、稳定掌子面，等强后在常压状态下进行开仓检查、更换刀具的施工方法。

三、注浆填仓换刀施工

1、填仓换刀工艺流程

2、主要施工过程

（1）为了防止填仓注浆过程浆液下窜，增加清仓工作量或者浆液包裹螺旋机，土仓中渣土应具有良好的流塑性，故停机填仓之前，做好渣土改良工作。可向土仓注入膨润土泥浆，泥浆采用钙基膨润土：水=1：3，注入过程中，转动刀盘，使之与仓内渣土充分混合，通过土压计判断仓内渣土状态。

（2）盾构机开挖洞径略大于盾体外径，为防止补浆过程中浆液前行，或是填仓过程浆液后窜，包裹盾体，故需在盾体外侧注入膨润土，填充盾壳与围岩体间隙。

（3）管片背后补浆止水，以彻底阻隔管片后地下水前行通道。补浆压力应略大于注浆压力。

（4）填仓作业：填仓置换以等量、恒压原则进行，一边注浆一边通过螺旋机出土。为达到仓内充分填充，同时易于人工清理的目的，浆液置换过程分为两个阶段：

第一阶段：采用配比为（每方）水泥150kg：粉煤灰100kg：膨润土200kg：水750Kg的浆液，此配比浆液既能较好支撑掌子面，又方便开仓后清理。边注浆边排土，排至3-9点位以下，排土量约为25m3。排土完毕后继续注浆，至土仓压力达到1.5bar，恒压收缩盾构机铰接油缸，使盾构机前体后退100mm左右，在刀盘前形成一定厚度的水泥浆护壁。

第二阶段：采用配比为（每方）水泥250kg：粉煤灰100kg：膨润土200kg：水750Kg的浆液，注浆压力应大于掌子面地下水头压力，把水泥浆扩散到周围土体内。填仓过程安排专人监测地面，及时反馈地面信息，以便及时调整注浆参数，防止地面产生沉降或是冒浆等现象。

（5）填仓注浆等强后，在土仓后壁隔板检查孔对填仓注浆效果进行检查，检查效果符合要求方可开仓，不符合要求需二次填仓。打开仓门后，进一步观察填仓效果，确认符合清仓条件后，开始清仓。清仓过程中及时封堵刀盘开口，防止换刀时间太长导致的刀盘开口失稳，采用木板+玻璃纤维筋封堵，这样的组合可在掌子面不满足换刀条件时直接关闭仓门。

清理过程中，时刻留意掌子面情况，若发现较大涌水涌砂，人员立即撤出土仓，关闭仓门，重新填仓。

（6）换刀作业

换刀过程中不可转动刀盘，因转动刀盘会破坏浆液整体性，容易出现失稳现象，故填仓作业开始前应把刀盘停至合适的位置，以便清仓后不转动刀盘的情况下尽可能多的更换刀具。

换刀作业遵循“清一把、换一把”的原则，换刀之后及时封堵刀具与刀箱之间空隙，防止掌子面暴露过久出现涌水涌砂现象。

四、总结

本项目共计填仓换刀15次，在换刀过程中，总结出以下经验：

（1）要根据实际的地层情况以及地下水量适当调整浆液配比，把握好注浆量压力，防止注浆压力过大造成地面冒浆或者注浆压力不足造成填仓效果不理想，需二次注浆，会增加工作量，而且反复填仓过程中，控制不当会造成浆液包裹盾体等。

（2）填仓作业开始前刀盘停留位置要合适，不合适的停留位置会大量增加工作难度和工作量。

（3）随着时间的推移土舱内的水泥浆液强度会越来越高，若在换刀过程中花费大量时间极有可能会使水泥浆液强度过大而导致盾构机刀盘无法转动。所以开仓后需组织好清仓工作，尽快完成清仓换到工作。

参考文献：

1、东莞市城市快速轨道交通R2线土建工程【2310标】《总体施工组织设计》。

2、东莞市城市快速轨道交通R2线工程施工监理【2205标】《监理规划》、《专项施工监理细则》。

3、《盾构法隧道施工及验收规范》GB50446—2017。