上软下硬地层盾构法分区填仓常压换刀施工

袁晏仁，徐长胜，王科伟，石 佳

(中建隧道建设有限公司，重庆 401320）

随着我国城市化的加速发展，盾构法在城市地铁隧道施工中的应用也愈加广泛，但由于盾构本身的局限性，常规的开仓作业方式已难以应对愈加复杂的地质、水文情况。基于国内的盾构法施工经验，刀盘、刀具在上软下硬地层的冲击破坏与异常磨损较为严重，存在常压、带压更换刀具、修复刀盘、开挖面清障的施工需求。但在保压效果差、基岩裂隙发育、承压水丰富、土层自稳性及抗渗性差的上软下硬地层，如何保证安全、效率地开仓作业仍是一个难题。本文提出一种化学浆液+水泥砂浆分区填仓常压换刀技术，有效地解决了这一难题。

1 工程概况

徐州市城市轨道交通1号线某标段区间隧道工程单线总长约724m，采用海瑞克∅6 480土压平衡盾构施工。区间隧道埋深16.04～24.2m，主要穿越地层为全断面粉砂层、上软下硬地层和全断面灰岩地层，并穿越废黄河断裂带，地下水丰富。

区间隧道自300环进入上软下硬地层，依次穿越上部粉砂、下部粘土层，上部粉砂、中部粘土、下部灰岩地层，上部粘土、下部灰岩地层，至406环，螺旋机喷涌严重，水量较大，推力、扭矩增大，速度降低至5mm/min左右。掘进至408环时，边缘滚刀刀具磨损检测装置报警，立即停机保压、研讨处理措施。

盾构停机位置隧道埋深18.5m，根据地勘报告显示隧道范围内下部4.2m为（12）4-3-2中风化灰岩，上部2m为⑤4-3粘土层，拱顶上部0.8m⑤4-3粘土层，4.9m②-6粉砂层（图1）。

图1 地质断面图

②-6为粉砂性土，自稳性差、气密性差、渗水性强，与废黄河存在水力联系。⑤3-4硬塑粘土粘度较大、自稳性较强，且为隔水层，工程性质良好但隧道顶部黏土厚度不足1m。下伏基岩及穿越的基岩裂隙及岩溶发育，承压裂隙水丰富，在前几环掘进过程中存在螺机严重涌水现象。同时考虑灰岩岩面起伏、完整度好且强度较高（饱和单轴抗压强度最大值为86.83MPa)，结合前几环掘进异常参数与磨损警报分析，可初步判断刀盘、刀具存在严重磨损及冲击破坏，并且刀座、刀箱也存在一定程度变形甚至破坏。

鉴于无法进行地面加固，且地层裂隙发育、气密性差、承压水丰富，为确保掌子面稳定、提供动火作业施工条件、减小盾构受困风险并缩短工期延误，最终决定采取化学浆液+水泥砂浆分区填仓常压换刀方案。

2 分区填仓开仓换刀技术

根据掌子面岩土分界情况，在土仓内分区压入化学浆液、水泥砂浆等固结材料，使刀盘前方和上方土体固结、封闭岩层裂隙，同时采取辅助措施封堵后方来水，形成一个长时间稳定的开仓换刀环境，然后在常压状态下开挖固结填充料，并进行刀具更换、刀盘修复等工作，该方案具有以下优点。

1）能有效解决上软下硬地层土体自稳性及抗渗性差、保压效果不理想、基岩裂隙发育及承压水丰富等问题。

2）施工可操作性强、风险低、工效高，能实现常压条件的动火作业，对刀具、刀盘进行更专业化的修复工作。

3）无需进行地面辅助措施，可以减少对地面交通的影响。

4）较常规填仓常压开仓施工，盾构受困风险小、填充料清理快捷、施工周期短、经济合理。

3 分区填仓常压换刀关键技术

分区填仓常压换刀施工流程为：施作封闭止水环→盾体及刀盘保护→分区填仓施工→土仓清理作业→刀盘、刀具检查→刀具更换、刀盘修复作业→掘进恢复准备。

3.1 施作封闭止水环

1）向盾尾加注油脂，封闭盾尾，防止盾尾漏水、漏浆。

2）通过盾体径向注浆孔注入水溶性聚氨酯形成封闭止水环，以隔绝前、后方来水、防止浆液裹住盾体。注入前需做好聚氨酯发泡试验及聚氨酯性能和配比试验，注入前和注入后需使用丙酮清洗管路。

3）对脱离盾尾后第4～6环管片整环注双液浆，形成封闭止水环抑制隧道后方来水。注浆材料采用水泥浆+水玻璃，水泥浆∶水玻璃=1∶1，水泥浆水灰比为1∶1。

4）注浆需要控制注浆压力和注浆量，防止浆液击穿盾尾止浆板和盾尾刷。

5）盾尾管片封闭止水环施工完成后，打开注浆孔观察止水情况，如果仍存在较大后方来水，可连续施作封闭止水环，并加注聚氨酯进行封堵来水。

3.2 盾体及刀盘保护

1）通过盾尾同步注浆系统注入膨润土泥浆，防止浆液凝结硬化抱死盾尾、堵塞同步注浆管路。

2）向盾尾密封系统加注油脂，防止盾尾漏浆、漏水。

3）通过盾体上的径向注浆孔向盾壳周围注入膨润土泥浆或黄油，防止盾构被浆液抱死，同时避免盾体因长时间停机而无法脱困。

4）根据盾构的适配性，向刀盘密封系统注入适量的HBW/EP1/EP2油脂，防止刀盘主轴承密封受损。

3.3 碴土置换

1）通过膨润土注入系统在中隔板3/9点位置的预留注浆孔注入高浓度膨润土，泥浆按膨润土∶水=1∶3的配比搅拌均匀，控制粘度在70～80S，同时可根据掌子面涌水情况适当调整粘度增大至80～100S。

2）注入时打开顶部12点位的观察孔，螺旋输送机配合置换仓内渣土，置换过程时需收集顶部排除的泥浆进行粘度测试，粘度大于50S侧可停止置换，否则继续置换。置换保持仓内压力在2.0bar。

3）渣土置换完成后使用螺旋输送机机排出土仓内浓泥浆，然后再打开底部两侧球阀排出土仓底部剩余浓泥浆及积水。打开球阀前先给球阀接好延长软管防止带压液体损坏盾构配件、伤害作业人员。

3.4 分区填仓施工

1）开启保压系统保压至理论土压，保证掌子面的稳定性，同时抑制岩层裂隙水渗透。

2）向泡沫口注入膨润土泥浆，防止填仓浆液堵塞泡沫口。

3）收回螺机、关闭螺机前闸门（前闸门无法关闭时关闭螺机后闸门），打开两侧闸阀排出仓内积水，待两侧闸阀冒气后关闭闸阀。

4）根据岩土分界情况确定化学浆液需用量，预制水玻璃混合液（水玻璃∶水=1∶1）、磷酸混合液（磷酸∶水=1∶10），将水玻璃混合液注入膨润土罐备用，将磷酸混合液注入盾构砂浆罐备用(图2)。

图2 岩土分界情况及填仓分区计划

5）分区填充水玻璃-磷酸混合液。①提前进行水玻璃-磷酸混合液配合比试验，确保实际使用效果。控制水玻璃-磷酸混合后初凝时间在30～40s，形成强度较低、密封性较好的胶状物体；②将膨润土管路与同步注浆管路通过混合器接入土仓隔板3/9点位球阀，并打水路阀门进行调试，确保管路及土仓隔板球阀通畅；③转动、调整刀盘位置，为后续跟换刀具、修复刀盘提高更好的施工条件，在刀盘完成定位后进行锁定；④从3点位2个球阀同时分别注入磷酸混合液、水玻璃混合液，调整注入速率，保证磷酸混合液∶水玻璃混合液=1∶1注入；⑤根据土仓隔板上不同点位球阀检查注入混合液的位置，直到混合液注入达到要求位置，如注入混合液高于保压系统进气口位置，须提前关闭好保压系统。

6）分区填充水泥砂浆。①提前进行水泥砂浆配合比及性能试验，确保土层渗漏、固结密封效果；②使用同步注浆泵注入，在人仓12点位下部球阀连接好注浆管路，水泥砂浆配比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶砂∶水＝120∶380∶100∶200∶500；③注浆压力控制在3.0～3.5bar，在注入前打开人仓上部12点位球阀，直到上部球阀排出砂浆后停止注浆；④监控土仓1#传感器，如压力下降至2.0bar以下，向土仓压入浆液至压力达到3.5bar时停止压浆。经多次压浆直到压力稳定保持在2.0bar时停止注浆，等待浆液凝固；⑤水泥砂浆注入完成后12h，从11点位球阀再次注入纯水泥浆（水灰比1∶1）1m3左右，确保填仓效果，注浆压力控制在3.0～3.5bar。

3.5 土仓清理、检查换刀作业

分区填仓施工完成后，定期利用土仓壁上的预留孔对凝固填仓物进行检查，若能够达到自稳要求，施工人员即可根据作业需要开挖局部填仓物并进入土仓，进行刀具、刀盘的检查、更换工作。仓内气体浓度应满足《盾构法开仓及气压作业技术规范》（CJJ217-2 014）。作业过程中通过小型的轴流风机及消防水管压注空气至土仓内底部，形成空气循环，确保仓内空气供应。

针对上软下硬地层条件，上部土仓清理时注意保证刀盘开口及切口环完整，保证掌子面完整性，最大限度地保证常压换刀环境的安全，并对面上部土层进行支撑保护。清仓换刀过程中要注意掌子面的稳定，如果填仓失败，则重新进行分区填仓步骤。

土仓清理作业由上往下分段进行，每段碴土与泥饼清理完成后凿除刀厢内固结填仓料，然后进行刀具、刀箱检查与更换。如果清理过程中存在漏水应及时进行封堵或导流，并在完成刀具更换后及时填充棉絮、纱布封堵空隙、抑制渗水，若仓内水位较高，可以通过小型水泵排出积水。作业过程中同时检查清理土仓内的各类管路及压力设备的完好。

换刀作业完成后，使用风镐从下往上破除阻碍部位，以保证后续掘进恢复顺利。仓内作业完成后对土仓及刀盘前方进行全面的检查，避免工具、杂物遗漏在土仓内。

3.6 掘进恢复

1）重新恢复掘进施工前，对盾构配套设备、管路进行检修、维护，确定处于良好运行状态。

2）向盾体周围注入膨润土浆液，减少盾体的摩擦力。

3）恢复掘进后，采用小推力、刀盘低转速进行掘进，针对上软下硬地层，控制贯入度为5～10mm/r。

3.7 地面监测

分区填仓常压换刀施工全过程中，需针对盾构影响范围，进行监测点加密，并根据沉降速率调整监测频率为1次/1h～1次/3h，同时安排专人进行地面巡查，建立健全沟通机制和应急反应体系，确保突然情况发生时能快速反应、迅速处置。

4 结 语

经实际工程检验，分区填仓常压换刀施工技术，能有效解决上软下硬地层保压效果较差且不具备加固条件的换刀难题。同时施工所采用的化学浆液，能有效地封堵岩层裂隙、抑制来水，并大大地降低了清仓的工作难度，同时增强对刀盘、刀具的保护。本次成功的开仓施工经验也为同类地层盾构开仓提供了借鉴。

[参考文献]

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