盾构机在上软下硬带压换刀施工技术

林永星

中铁十六局集团有限公司 北京 100018

1 工程概况

徐州市城市轨道交通2号线一期工程08标共包含2站2区间，2站分别是【姚庄站】、【七里沟站】，采用明挖法和半盖挖法施工；2区间分别是【七里沟站～姚庄站区间】、【姚庄站～文博园站区间】，均采用盾构法施工。

姚庄站～文博园站区间，线路由姚庄站引出后，沿御景路南侧绿化带内布设，之后以R=450的曲线向南偏转，与采空区巷道边界距离约2.53米，与拟建万达广场用地边线距离约0.2米，为避让拟建迎宾大道快速化立交桥桩，再以R=450的曲线向北偏转，区间与桥桩最近距离约3.49米，最后以R=550的曲线向南偏转到达文博园站[1]。

2 地层特点分析

隧道结构顶板随隧道起伏穿过的土层依次为：黏土5-3-4层、中风化灰岩10-1-3层、全风化页岩10-7A-1层。

隧道边墙随隧道起伏穿过的土层依次位于：黏土5-3-4层、全风化页岩10-7A-1层、全风化页岩10-7B-1层、中风化灰岩10-1-3层、强风化页岩10-7B-2层。

姚文区间右线此次换刀位置284环, 结合区域地质资料显示此地层从上到下依次是全风化页岩10-7A-1层、全风化页岩10-7B-1层、中风化灰岩10-1-3层的上软下硬地层。

3 盾构换刀常用施工的施工方法及方案比选

3.1 常压换刀

常压换刀是在不加气压的情况下，利用土体的自身稳定性平衡仓外的水土压力，然后人员在常压下进入土仓进行刀具的更换作业。主要有以下优点：

（1）安全性高。由于施工处于一个常压过程中，常压换刀施工相比带压换刀其安全性较高。

（2）工期短。常压换刀更换一把刀具时间约为2小时，整个换刀施工在3天左右完成，相比于其他换刀方法，换刀效率明显提高。

（3）施工成本低。相比带压换刀、填仓换刀，其人工等费用会节省很多。缺点：常压换刀限制条件较为严格，对地层稳定性要求较高，需要地层自稳性较强，或在地层自稳性强度不足时需对其进行预加固。

3.2 带压换刀

带压换刀是利用盾构机自带的两台空压机或辅助压气设备，对土仓进行加气压，将土仓内的水、土用空气进行置换，用气压代替原来的水土压，建立土仓内气压和仓外水土压力平衡，然后人员进入土仓内带压作业，进行刀具的更换。

优点：适用于地层稳定性差、掌子面不稳定地层，带压换刀可以有效地保持掌子面稳定及避免地表塌陷。

缺点：作业风险较高、作业成本较高、耗时时间长。

3.3 填仓换刀

填仓换刀是利用前盾隔板注入孔，向土仓内注入水泥浆，用水泥浆替换原状土将土仓填充饱满，待浆液固结后，人工挖除浆块，从而进行换刀作业。

优点：①适用性广泛，适合稳定性较差的地层以及常压带压均不能满足的情况；②安全性较高。

缺点：①填仓时间较长；②清仓时间较长；③换刀效率低；④易造成泡沫管路堵需清理⑤可能造成水泥浆包裹盾体的风险。

综上所述，姚文区间地层属于上软下硬，若采用常压换刀需地面进行加固，由于场地限制，水电都未铺设到位，需加固的位置顶部均有架空高压线，加固型不能采用加固效果较好的三轴搅拌桩（高度不够），只能采用旋喷桩，但旋喷桩效果在5-3-4黏土中加固效果不太理想，并且加固成本较高等因素，不宜采用常压换刀方法。填仓换刀工期较长且操作复杂，故姚文区间换刀方案最终选择带压换刀。

4 姚文区间带压换刀施工流程

4.1 管片施做止水环

根据水文资料显示，姚文区间含水丰富，短时间汇水能力较强，但水压不高。需在盾体后方注双液浆做止水环。按照水泥：水=1：1（质量比），水泥浆：水玻璃=1:1（体积比）的比例注双液浆，浆液的初凝时间在45s左右。在2号台车、1号台车间、连接桥三处施做止水环，确保盾体后部水不向刀盘涌入。然后通过盾体径向孔向盾体外注入20m³左右高浓度膨润土浆液，起到止水及加固盾体上方土体的作用。

4.2 掌子面做泥膜

向土仓内注入高浓度膨润土。加膨润土过程中如果土仓压力过高，适当出土，再加膨润土。控制土仓压力在2.0bar以内，缓慢转动刀盘，使膨润土充分进入刀盘周围地层，形成气压保护膜。

4.3 加压试验

（1）人舱加压试验。人舱是盾构机的重要组成部分，是将人从大气压力环境下传送到一个高压环境下的设备，是工作人员进入盾构机土仓进行维修的通道，同时也是工作人员休息的场所。为保证人员安全，正常施工前，首先对空压机、人舱内的设备等进行检查，配备应急柴油发电机以保证供电的连续性，然后需对人舱进行无人加压试验，检查人舱的气密性，以确保工人在施工过程中出现不必要的状况。

（2）土仓保压试验。开仓前应进行泥膜制造及保压试验，确保土仓密闭性后才能确定采用气压开仓方案。首次泥膜制造完成后，开启保压系统，用空气缓慢置换出土仓内的泥浆，将土仓内泥浆排至半仓左右，保持工作压为控制值+0.1bar持续4小时，由一台空压机给保压系统供气，通过观察仓内气压的变化情况，监视空压机的供气情况，同时在地面进行沉降观测，检查地面是否有气体泄漏，以判定切口面是否稳定，从而确定是否具备气压开仓条件。保压试验过程中详细记录空压机和保压系统的运行状况。土仓保压试验成功完成后，按泥膜制造流程再造一次泥膜。

4.5 开仓清理及检查刀具

姚文区间始发段为黏土，依次经过全风化页岩、中风化灰岩，由于地层的软硬不均，极易出现刀盘结泥饼的现象，开仓换刀时需对刀盘进行清理，清理完毕后对刀具进行全面的检查以及量取其磨损量，按照磨损量进行确定需要更换的刀具。

4.6 更换刀具

当确定更换的刀具后，进行更换，由于换刀是在1.3 bar的压力下施工，所以每仓施工工作时间为5小时左右（包含加压以及减压过程），对更换刀具速度有很大的影响。

4.7 关仓推进

带压换刀会对掌子面造成一定的影响，更换刀具完成，在恢复正常掘进时，需对停机换刀时刀盘位置进行补浆处理，防止后期出现沉降等现象。

5 结束语

地铁盾构工程现阶段正蓬勃发展，由于各地方地质、水文等情况不同，在施工过程中需要更换刀具时，要根据地质、水文以及地面环境等来综合考虑换刀方法，才能有效避免安全事故的发生。

[1] 胡胜利,乔世珊.土压平衡式盾构机—盾构机系列讲座之二[J].建筑机械,2000,(1):24-26