上软下硬地层中盾构刀具置换前掌子面加固技术

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 100000）

1 工程概况

广州地铁13 号线5 标夏园站至南岗站区间，西南起夏园站，东至南岗站，线路大体上沿黄浦东路敷设，途经金竹山路、丹水坑路、亨元路等路口，黄浦东路现状为双向6 车道，交通繁忙；区间沿线的重要建构筑物主要有新港铁路支线、开发大道立交、领好广场、砂涌人行天桥、沙步天桥等。本区间共设置五个联络通道，三个工作井（一个临时矿山法施工竖井，一个中间风井兼矿山法施工竖井，一个盾构井兼轨排井）。区间右线起止里程为YDK47+683.200～YDK50+198.400，全长2515.200m；左线起止里程为：ZDK47+683.200～ZDK50+190.013，全长2506.813m。

隧道地层起伏变化较大，穿行区域在花岗岩及粘土层、砂层中不断变换，致使刀盘刀具磨损严重，换刀频繁。区间在第3次换刀处的地层构成为人工填土、淤泥质粘土、花岗岩及微风化花岗岩，地下水勘探期间埋深约0.0～7.6m，水量丰富，主要为第四系孔隙潜水，局部具承压性。

2 工程难点

工程难点具体体现在以下两方面：

1）换刀时掌子面要求稳定。盾构机刀具更换时间成长，需要掌子面长时间稳定。掌子面地层上软下硬，且地下水丰富，开仓后土体沿着基岩面滑动的可能性非常高，因此，换刀时隧道掌子面稳定、不发生坍塌及渗水是工程的重中之重。

2）隧道正上方为主干道，交通流量大，换刀时除不发生塌陷外，还要确保地面正常交通，因此，换刀时控制地表沉降为工程的又一难点。

3 解决难点的技术措施

根据现场钻孔勘查资料，掌子面土体主要为人工填土、淤泥质粘土及花岗岩，地下水丰富，地下水位-1.8m。换刀处岩层与土体之间为斜面，倾斜角度约40°，与土体接触面岩石抗压强度85MPa，土体及岩层强度突变明显，如果不采取措施，掌子面土体不能自稳。为了确保掌子面稳定，防止土体滑塌尤其是沿着岩石面滑塌，决定采取以下几个措施：

1）在掌子面前方30m×30m范围内对土体进行注浆加固，注浆管采用直径φ100mm@1.5m×1.5m的PVC塑料管，梅花形布置。

2）岩石与上部土体的连接紧密不滑移是技术关键。用地质钻机从地面进行钻孔，孔径120mm，钻孔深度以进入岩层1m为控制深度。钻孔完成后，将加工好的PVC管（管上布置直径φ8mm@15mm×15mm的注浆孔）插至孔底，然后进行后退式注浆，注浆完毕后形成一个以100mm为中心的水泥土柱，类似于垂直的土钉，通过土钉的抗剪有效防止土体滑动。

4 措施实施

4.1 后退式注浆

在注浆管内插入活塞，通过输送管将水泥净浆送至注浆管，水泥浆液通过出浆孔进入土体。淤泥质粘土孔隙率小，浆液不容易扩散，因此注浆前要进行计算，控制注浆压力及注浆量，目的是以填充的注浆管为中心，扩散范围0.75～1m内形成一个水泥土柱。土体在浆液的填充、压密作用下，土体内的自由水及空气由水泥浆液取代，形成土体与水泥颗粒物组成的混合体，注浆后岩土介质的物理性能和化学性能会发生相应改变，其中最能反应岩土工程稳定状况的参数内聚力c、内摩擦角φ及压缩模量Es都会有不同程度地提高[1]。

4.2 注浆压力确定

注浆压力是能否形成水泥土柱的关键技术参数[2]。压力过大浆液扩散范围太大，压力过小浆液扩散不足，均达不到注浆效果。本工程根据现场钻孔勘察，淤泥质粘土孔隙比0.75，注浆填充后预期土柱平均孔隙比0.15；浆液扩散半径控制在1.2m。对单个注浆管进行分析，注浆时出口压力随着扩散半径的增加很快衰减，出浆口注浆压力为P1时对应的填充后孔隙率为e1，扩散到1.2m时注浆压力与土体空隙水压相同，浆液停止流动；浆液填充后土体的密度由中心逐渐递减，取R=0.75m为单根注浆管的有效扩散半径。

经过半径R扩散后注浆压力衰减为P2，对应的填充后孔隙比为e2，注浆压力与注浆填充后土体孔隙比的关系见式（1）：

式中，

e0—注浆前土体孔隙比；

e1—注浆压力为P1时，注浆后土体孔隙比；

e2—注浆压力为P2时，注浆后土体孔隙比；

P1—出浆口注浆压力，MPa；

P2—衰减后注浆压力，MPa；K—拟合系数。

通过计算，出浆口压力0.8MPa。考虑到注浆管压力损失，注浆机仪表压力取1MPa。

4.3 注浆量确定

注浆量由土体的孔隙填充率、浆液扩散半径等参数决定。本工程注浆量=注浆管填充量+有效扩散量。

注浆空隙填充率可通过式（2）计算：

式中，

n0—注浆前土体孔隙率；

n1—出浆口土体孔隙率；

n2—0.75m处土体孔隙率。

结合式（2），本工程土体注浆量如下式（3）所示：

式中，

R1—注浆管半径，m；

R2—有效扩散半径，m；

H—注浆加固体长度，m；

B—浆液损耗系数，取1.1～1.3。

经计算，本工程每孔注浆量为9m3。

5 加固后土体指标及效果分析

5.1 土体指标

土体加固前的物理参数见表1。

表1 加固前岩土物理力学指标参数表

加固完毕后，为检验注浆后土体孔隙比是否合格，在注浆孔及距离注浆孔0.75m处分别钻孔取芯并实验，试验表明土体各项指标有了明显的改善，见表2。

表2 加固后土体岩土物理力学指标参数表

5.2 实施效果

土体加固完成后，进行开仓试验，仓门打开后，掌子面土体稳定，未发现渗水现象，具备常压换刀的基本条件，方案获得成功。

同时，在换刀期间对地表进行了加密监测：注浆加固前地表最大沉降9mm，注浆使得地表轻微隆起，最大隆起5mm，刀盘刀具置换时间是8d，置换后地表最大沉降7.5mm。在施工过程中管线一直处于安全状态，取得了满意的实施效果。

6 结语

综上所述，由于盾构机在穿越粘土、基岩等复杂地层时刀盘刀具极易磨损，因此，频繁更换刀具就成了必然。在更换刀具过程中，不仅要保证掌子面稳定，还需有效控制地表沉降。本文通过对地质情况分析，采取在岩层中嵌固水泥柱体及加固岩层上方土体的方式，有效地解决了上述难题，取得了良好的社会效益和经济效益。