浅谈浅覆土砂层泥水盾构带压换刀技术

贺婷 广东省广州市地下铁道总公司

浅谈浅覆土砂层泥水盾构带压换刀技术

贺婷 广东省广州市地下铁道总公司

以珠江新城旅客自动输送系统体育中心站～林和西站盾构区间为工程背景，介绍了泥水盾构在浅埋覆土砂层施工过程中换刀，采用带压换刀施工工艺及优点，可供今后类似工程参考借鉴。

泥水盾构；浅埋覆土；砂层；带压换刀

近年来，随道城市地铁建设的迅速发展，建设地铁的城市越来越多，而由于安全性要求提高，地铁区间要求采用盾构施工。但在复杂的地质情况下，盾构刀盘的选择极其重要，并且在特殊情况下更换刀盘的情况逐渐增多。如何保证安全、快速的更换刀盘是盾构施工的难点。本文结合珠江新城旅客自动输送系统体育中心站～林和西站盾构区间施工中采用带压换刀，介绍了盾构区间浅埋覆土砂层施工中采用带压换刀施工工艺。

1 工程概况

体育中心站～林和西站盾构区间右线隧道为广州市轨道交通珠江新城旅客自动输送系统，位于广州市天河区天河体育中心下方。

2007年6 月25 日掘进至292环处时，盾构机覆土7.3m，地面为广州市体育中心混凝土道路，盾构掘进出现推进速度慢，推力小，扭矩小，易跳闸，易卡刀盘等现象，初步讨论确定为刀盘受损。

为了确切诊断盾构机问题所在，需检查刀盘，考虑盾构机上部土体不稳定，刀盘前方土体上部有含水量较大的〈3～2〉中粗砂层和稳定性较差的〈4～1〉粉质粘土层，且盾构机覆土仅为7.3m，开仓存在上部土体坍塌的危险，为了确保工程安全实施，在经过研究分析与准备后，采用在浅埋覆土砂层地段的带压换刀方案。

2 浅覆土砂层泥水盾构带压换刀

图1 盾构机保压试验流程图

2.1 保压阶段：通过保压试验分析是否能带压检查刀具。

2.1.1 调配高质量泥浆

经检测原泥浆平均密度1.18g/cm3，泥浆平均粘度20s，为确保开挖面的稳定，采用高浓度泥浆，计算出需要加入的材料数量，往泥浆池加入了4.7吨膨润土和6包（50kg/包）CMC（羧甲基纤维素钠），搅拌均匀后测得泥浆平均密度1.32g/cm3，泥浆平均粘度32s。

2.1.2 确定泥浆压力

此处开挖面地层含有渗透性地层，土压力按主动土压力计算，采取水土分算的方式。根据勘察报告，计算得出开挖面处水土压力为106kpa。为确保开挖面的稳定，提高了泥浆压力，使压力至少高于工作面水土压力30kpa，最终确定泥浆压力为150kpa。同时提高泥浆的保压时间，泥浆保压70min，确保形成均匀无缺损的泥膜。

2.1.3 确定气压

通过气压把土仓中的泥浆压出仓形成空气仓，压力的设置要能平衡开挖面水土压力，又要避免击穿不良地层，同时考虑人在此压力环境下带压换刀的舒适感，考虑上述原因，工作舱压力设定高于开挖面水土压力10～20kpa，设定为120kpa。

2.1.4 保压试验

2007年7 月18 日晚上开始进行保压试验，保压试验目的是通过空压机运行情况、气体泄漏情况、保压期土仓气压的曲线变化情况、保压完毕后洗仓的渣土情况和地面监测情况等，分析掌子面是否稳定、仓内气压能否保持稳定等。保压试验具体操作方案如图1。

通过对保压试验结果进行分析后认为：（1）掌子面基本稳定；（2）虽然保压试验过程中仓内气体有一定的泄漏，但空压机仍能及时补充空气，可以保持仓内气压的稳定，在准备充分和科学操作的情况下具备带压开仓检查刀具的条件。

2.2 带压检查阶段：通过带压检查刀具情况分析是否需要带压换刀。

2.2.1 压气作业前准备工作

结合开仓施工的具体情况，充分考虑到施工安全方面及施工作业质量保证方面的问题，在开仓前针对施工过程中的操作注意事项组织进仓人员进行了培训学习，并做好了设备、工具和物资检查、准备工作，后勤的保障准备等。

2.2.2 开仓检查

第一次开仓先由有经验的工程师进入鉴定仓内的工作状况，包括掌子面地质条件，泥饼结成情况，刀具磨损情况，土仓清理情况等。开仓检查情况如下：土仓内无水，土仓内较干净没有结泥饼，掌子面顶部是砂层且有泥膜封堵，无渗水现象。

2.3 浅埋覆土砂层带压换刀

针对开仓检查刀具情况，决定把全部的13把先行刀换成双刃滚刀，同时采取盾尾漏气封堵、刀盘开口封堵等到一系列技术措施来保证换刀的安全。

2.3.1 开仓换刀前准备工作

2.3.2 盾构机刀盘后退

由于滚刀突出刀盘面比刮刀高3.5cm，刀盘往后退以保证滚刀的安装空间，同时防止滚刀安装好之后，刀盘转动过程滚刀不会破坏掌子面泥膜，因此在换刀之前把刀盘往后退5～10cm。

图2 封堵漏气通道后效果图

2.3.3 盾体与围岩之间的漏气通道封堵

为了防止漏气，在盾构机周边由盾体内向盾体外注入聚氨酯，注入盾尾油脂，并补充注浆，封堵盾体与围岩之间的漏气通道后效果如图2。

从进仓检查情况来看，掌子面比较稳定，工况良好，气压能够保证稳定，不会造成大规模的坍塌，增加背板可以降低安全风险，具备开仓条件，决定第二次进仓换刀。换刀过程中，气压换刀与泥浆保压循环分12小时循环进行，白天开仓换刀12小时（每4小时一班），晚上12小时泥浆保压以确保泥膜均匀不皲裂以提高开挖面的稳定性。

开仓先由有经验的工程师和电工进入，接通防爆照明灯，并在人闸、气仓和土仓撒冰块降温，然后用锹、铲对切口环进行清理，并进一步了检查土体稳定情况，确定无危险做好支护之后，开始进行换刀。为最大限度减少刀盘旋转次数以减少对开挖面的影响，制订出换刀次序，刀盘向左转动依次更换刀具。

3 带压作业换刀与其他方法换刀的比较（针对本次工程情况分析）

4 小结

本次右线共换刀15把， 15把贝壳刀全部更换为双刃滚刀，从2007年8月4日～8月7日，共有32人次安全进入土舱内作业53.2小时，实现泥水盾构在软弱浅覆土砂层中的带压开舱作业。在实施过程中，气压设置控制为120kPa，气压稳定，能平衡水土压力，地面监测未发现有击穿地层漏气的现象，地面沉降值在-8.1～+2.3之间，未对广州市体育中心内环境造成影响。

带压换刀需做到以下几点：

4.1 总的来说，浅覆土砂层带压作业最重要的一点就是要能稳住气仓压力，保住压力，确保不良地层下开挖面的稳定。

4.2 调配高质量的泥浆，确保泥膜均匀密实，保证泥膜的质量，以防止泥膜击穿，保住气压。

4.3 设置合适的气压，气压不是设置越高越好，浅覆土带压换刀气压的设置以高于开挖面的水土压力10~20mpa为宜，气压的设置要确保开挖面的稳定同时又要确保带压工作人员的健康舒适安全。

4.4 查找带压过程中泄气通道并确保舱内气体的补充。泄气通道可能是地质钻孔，也可能是砂层的透气性，也可能是盾体与围岩之间的通道，采取措施尽量封堵泄气通道并同时不断补充气体保住气压。封堵地质钻孔；通过盾体由内向外注聚氨酯、补充盾尾油脂和管片的注浆来封堵；配备足够的空压机补充气体，并配备柴油机确保特殊情况。

4.5 合理选择换刀的顺序，尽量减少刀盘的转动，刀盘的转动破坏泥膜，减少对砂层的扰动，确保开挖面的稳定。

4.6 浅覆土砂层下换刀，开挖面有可能坍塌，使换刀工作非常危险，在此过程中必须时刻密切注意开挖面及地面的变化。

4.7 开仓前细化方案，注意做好以下工作：

（1）保证换刀及后勤人员的配备；

（2）尽可能在土仓进气口安装流量表观测仓内供气 情况的变化，以及时反映仓内气体泄漏情况，确保人员安全；

（3）每次换刀必须有管理人员先进仓进行工况检查掌子面稳定、背板安装等情况；

（4）交接班时交接人员必须对仓内情况进行详细描述（掌子面、换刀等情况）；

（5）时刻保持逃生通道畅通。

就泥水盾构浅覆土砂层带压换刀而言，目前还有些问题值得进一步的探索和研究，主要是：保压是带压进仓的关键，在其它地层如漏气严重且泥皮效果不理想情况下如何采取更有效办法保压需进一实验。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.05.014