复杂地层下人工挖孔开仓换刀施工的关键技术研究

罗旭

摘 要：某城市地铁地下区间施工时，盾构机穿越上软下硬复合地层的过程中出现了部分刀具损坏严重导致开挖直径不足而被迫停机的情况，需要进行开仓换刀作业。结合实际情况，施工单位通过比对，最终采取了人工挖孔+常压开仓的施工方案，较好地解决了换刀问题，可为以后类似工程解决这些施工难题提供参考。

关键词：盾构工程;换刀;人工挖孔;常压开仓

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0098-05

Abstract： During the construction of underground section of subway in a city， some cutting tools of shield machine were damaged seriously when it crossed the composite stratum of upper soft and lower hard. As a result， the excavation diameter was insufficient and the machine was forced to stop. It was necessary to open the silo and change the tool. Considering the influence of practical problems， By comparison， the construction unit adopt the key construction technology of manual digging and atmospheric pressure silo opening， the problem of tool change is well solved， and set up a reference case for future similar projects to solve these construction problems.

Keywords： shield engineering;change the knife;manual digging;atmospheric pressure silo opening

在地铁盾构工程复合地层掘进过程中，砂卵石等强度较高的岩层会严重磨损盾构机的刀具。为保证盾构掘进工作正常进行，需要频繁更换刀具[1-2]。而盾构施工过程中的开仓换刀作业危险系数较高，如何采取相应措施实现安全开仓是一个难题[3-4]。如果地层自稳能力较强，可在常压下直接开仓进行换刀操作;如果盾构机在软硬不均的地层中掘进时需要换刀，则会面临诸多困难[5-6]。本文以某城市地铁左线盾构工程开仓换刀经过为依托，在梳理工程实际难题的基础上，重点阐述人工挖孔+常压开仓的关键施工技术，为以后遇到类似问题提供参考。

1 工程概况

某盾构区间左线全长897.617 m，洞径6.000 m，区间设有一座联络通道。该区间地质从上至下依次为素填土层、粉质黏土层、卵石层、砾砂层和灰岩层，隧道范围内大部分为砾砂层和灰岩层。

根据钻探观测到的水位结果，该区间基岩水属于微承压水，承压水头为3～6 m，承压水位埋深为5.60～12.00 m，局部不具承压性。

本工程使用的是土压平衡盾构机。盾构机刀盘共配置滚刀35把，其中边缘滚刀7把，正面滚刀20把，中心滚刀8把，最大开挖直径为6.280 m。考虑到砂石地层的影响，将原设计的8把保径刀增加到12把，开挖直径6.260 m。此外，超挖刀最大开挖直径6.380 m。

按施工计划要求，施工单位在联络通道位置（274环，每环1.5 m）进行了一次全面的常规开仓检查，并更换了磨损的刀具。

2 地质情况

盾构机左线在384环～389环的推进过程中，垂直姿态开始出现上浮。389环掘进完成时的垂直姿态为前端191 mm、后端198 mm（规范要求不超过100 mm），单环垂直变化量约为26 mm。过程中盾构司机及时进行了纠偏，但上浮趋势无明显改善。根据384环～389环推进过程中出现的推力增大、刀盘震动以及土仓内异响明显等情况，初步判断盾构机部分刀具损坏，其中边滚刀的损坏使得刀盘无法切削进板岩，盾构机姿态上飘，需要再次更换刀具。

本次盾构机停机所处位置为市政道路下方，线路上方北侧为4 m×4 m大小的箱涵;线路南侧为已建小区，距离左线隧道边线约35 m;线路北侧为待建项目基坑;线路南侧为公园;线路东侧为河流，水量较丰富。具体环境如图1所示。盾构机停机处地层从上到下依次为素填土层、粉质黏土层、卵石层、砾砂层和强风化灰岩层，地质纵断面图如图2所示，其中盾构机处于砾砂层中。

3 盾构带压开仓作业

停机位置隧道断面内大部分为砂卵石地层，地质条件相对较差，加剧了换刀的危险性。为降低本次压气换刀的风险，提高换刀的成功率，经研究选择带压开仓方式进行换刀作业。

3.1 换刀流程

对刀盘前方、盾体周围地层注入浆液形成泥膜，保证刀盘前方周围地层和土仓满足气密性要求的条件;通过在土仓内建立合理的气压来平衡刀盘前方的水、土压力，达到稳定掌子面和防止地下水渗入的目的;作业人员在土仓内进行安全检查、维修保养和刀具更换等作业，具体流程见图3。

3.2 刀具检查及更换

根据实际情况，此处进行了两个阶段的带压开仓换刀。

3.2.1 第一阶段。带压开仓换刀采用注入膨润土的方法建立泥膜，共计完成7次带压开仓作业，换刀6把。从开仓的情况来看，刀具磨损情况比预计严重（見图4），同时印证了推断的准确性。但是，在带压开仓过程后期，掌子面左上部有膨润土土渣掉落形成了空洞，且有水流入，已不能安全进行换刀操作。

3.2.2 第二阶段。带压开仓换刀时，考虑到第一次采用注入膨润土建立泥膜未达到预期效果，施工单位改用衡盾泥建立泥膜开仓，共完成12次作业，换刀11把。但是，由于盾构机无法后退，掌子面与泥膜之间未形成一定厚度的泥墙结构。因此，在刀箱清泥的过程中泥膜出现了破裂，导致压力不稳定，无法继续进行保压换刀作业，其中剩余计划的34B#刀具未完成。考虑到换刀工作基本完成和停机时间不宜过长，施工单位计划进行试掘进与复推，到达一定位置后再次安排检查。

3.3 复推情况

由于前期盾构姿态超限，经设计调线调坡做了下压20 cm的处理。在复推掘进过程中发现盾构机速度变慢，同时存在姿态来回波动较大、姿态不稳定等问题。另外，螺旋输送机后闸门无法紧闭且伴随有螺机喷涌现象;刀盘转动至一定位置时会出现异响和震动，且响声较大。在396环位置出现了土量超方、地面脱空等问题，导致盾构机再次停机。

经过现场渣样分析及地勘图对照，结合盾构机目前状态，施工单位认为隧道范围内可能存在底部基岩突起的情况，且高于地勘图标明的强度。同时，由于换刀不完全，致使部分新换刀具受力过大而崩坏，见图5。可见，盾构机的破岩能力不足，最终导致盾构机姿态继续上飘，推进速度慢且对地层的扰动导致了地面出现脱空，已无法再次进行带压开仓换刀，需要实施新的换刀方案。

4 人工挖孔辅助常压换刀作业

4.1 换刀流程

经过多次研究，根据现场实际情况，决定采用人工挖孔辅助常压换刀方案，即在盾构机刀盘前方位置使用人工挖孔辅助常压开仓的方式对刀盘外部刀具进行检查及更换。究其原因：①此处地下水位较高，且掌子面大部分为卵石层和砾砂层，透水性较好，不具备洞内常压换刀条件;②掌子面前方超方量较大，脱空层延伸至地面，已不具备带压进仓换刀条件;③通过补勘显示刀盘前方还有基岩突起地层，若要最大限度地保证盾构机安全顺利地通过前方基岩突起段，必须对刀盘外圈的耐磨层进行修复并加强刀具的破岩能力，而要完成此操作需要在刀盘前方作业。目前，人工挖孔辅助常压换刀已经是较为成熟的一种换刀方式，成功案例较多。

4.1.1 人工挖孔辅助。用于盾构检修的人工挖孔桩直接实施于盾构刀盘位置，桩径2 m，开挖深度至盾构机中心。根据地质和水文条件，孔桩采用倒挂井壁法施工，内齿式护壁。孔桩在盾构机以上结构为圆形护壁结构，下部为半圆形护壁。在孔桩护壁结构施工完成后，在孔桩下部护壁结构内整体安装钢护筒。孔桩与盾构机平面位置关系和剖面图，分别如图6和图7所示。

4.1.2 刀具优化方案。考虑到之前的施工过程和更换刀具后出现的问题，必须对刀具进行优化处理：①在边缘刮刀迎渣面的大圆环处焊接贝壳刀，保证开挖直径的同时，保护边缘刮刀外侧合金;②安装边缘滚刀（32#、33#）时，要在刀座部位加装适当厚度的垫片，增大开挖轨迹线的半径，确保开挖直径足够;③在边滚刀刀座4个边角加装保护块，在滚刀端盖处增加耐磨设计;④根据刀具检查的实际情况确定是否恢复超挖刀，并对超挖刀具进行改进，升级为窄刃刀;⑤对破损的刀具进行常规更换。

4.2 刀具检查及更换

在孔桩开挖完成后，对刀盘进行检查时发现，刀盘外圈的耐磨块磨损较为严重，最大磨损量约为3 cm，因此需要更换刀盘耐磨环。另外，边滚刀和正面滚刀磨损严重，甚至出现崩刃情况，大部分刀具已不具备破岩能力。此次人工挖孔桩内换刀作业共计完成刀具更换24把，加装贝壳刀16把，更换合金耐磨块16块。

4.3 关键技术说明

4.3.1 地层加固。为保证盾构换刀过程的安全，采取地面注浆的方式对松散地层进行加固处理，处理效果满足要求。

4.3.2 降水井施工。为防止地下水对盾构刀具更换造成阻碍，避免带水作业，在地面布设降水井。初次拟定降水井的数量为6口，见图8。但是，挖孔至18 m深时，桩底水位停止下降，无法继续开挖，因此施工单位决定增设4口降水井，使地下水位下降至21 m处。

4.3.3 上部结构施工。上部为内径2 m的圆形护壁结构的下人通道，孔中心与刀盘面距离为400 mm，井深约15.8 m，开挖至盾体上方10 cm高度。

①超前探孔。孔桩施工前在盾构停机位置布置探孔点，采用地质钻机对停机区域孔桩周围进行探孔，避免地层中含有孔洞。

②测量放线、施作井圈。测定桩位确定好桩位中心，以桩位中心为圆心，以桩身半径加护壁厚度为半径，画出上部护壁结构的圆周。孔桩中心距刀盘刀具平面中心500 mm。

③孔桩开挖。挖孔桩使用铁锹或风镐等工具人工开挖土方，每次开挖深度为1 m，开挖面上口从井圈内向下挖，下口护壁外形呈“八”字形。开挖的渣土采用自制提土筒装卸和提升机运输。

④通风照明。随挖孔深度的下降，设置孔内照明系统。孔内照明使用36 V安全礦灯。在孔内设置通风管，根据孔深、不同的地层等情况，通过鼓风机向井下送风。每次施工前的通风时间不低于15 min，每次下孔前必须使用专用探测仪器检查孔内气体。

⑤井内降水。孔桩开挖至一定深度后，桩内会出现积水情况。应在桩底开挖积水坑，坑内放入潜水泵，将积水抽至地面排水沟。

⑥支模浇筑护壁。本处采用两套模板重复周转使用，每挖完一节（1 m）立即浇筑混凝土确保孔壁的稳定性。每节拆模时间不小于24 h，以确保混凝土完全凝固。另外，每节护壁都要利用吊线坠检查是否出现井位偏差。

⑦位置校核。掏底挖出刀盘顶，测量刀盘面与孔桩中心的距离及与刀盘中心的横向偏差，确定盾构是否需要推进以及需要推进的距离，同时转动刀盘至检修需要的角度。

4.3.4 下部结构施工。下部孔桩深4.2 m，采用半圆形倒挂井壁，远离刀盘侧为半圆井壁，靠近刀盘侧采用1 cm厚木板直接紧贴刀具及土仓内土体。下部孔桩竖筋采用Φ10@200玻璃纤维筋，不设螺旋筋。挖孔过程中做好定位工作，下部孔桩开挖到底后，在孔桩内安装钢护筒，如图9和图10所示。

①钢护筒的安装。在孔桩开挖完成且周边注浆加固稳定井壁后，采用吊装设备吊整体钢护筒至井底。钢护筒采用直径1 950 mm、壁厚10 mm、顶部1 m为整圆，下部4.5 m为切割成开口的半圆形，钢护筒筒身采用Φ20@500螺纹钢进行加肋处理。钢护筒下沉至井底后进行固定，钢护筒开口处距刀具10 cm。钢护筒上部1 m在圆形井壁结构内，采用铁楔子固定;下部在半圆形井壁结构内，对钢护筒与半圆井壁间进行注浆填充;钢护筒外侧涂抹脱模剂，以便于后期的拆除工作;钢护筒开口处用方钢焊接作撑杆，钢护筒底焊接半圆形钢板封底。

②井内降水。在积水坑内放入潜水泵将积水抽至地面排水沟。

4.3.5 作业检查。刀具更换完成后进行全面检查，确保没有遗漏。

4.3.6 人孔回填。检修完成后，从下往上拆除钢护筒底板钢板、开口处对撑及钢板，最后拆除上部钢楔子。在地面采用千斤顶整体拉动钢护筒，护筒松动后再采用吊装设备将钢护筒整体吊出。考虑到盾构机土压平衡的需要，回填时先使用沙袋回填至盾构机顶部以上2 m，待刀盘通过后回填M10水泥砂浆至地面下0.5 m。回填完成后恢复道路基层和沥青路面，盾构恢复掘进。

4.4 风险控制

此处风险主要指人工挖孔过程中可能会出现的风险：开孔定位偏差过大，不能达到操作面;钢护筒的定位不准;挖孔过程中发生坍塌;降水不到位、抽水不及时等，导致不能满足作业条件;孔中存在有毒气体等。

4.5 复推情况

由于盾构长时间停机且刀盘顶部已经与地面贯通，复推时应为常压模式。在能推动的情况下，尽量采用低推速、小推力、刀盘低转速等方式来保护新换的刀具。随着盾构机的推进，逐步建立仓压，最终实现盾构的顺利复推。

5 结语

盾构机在经过人工挖孔桩辅助常压换刀作业后顺利进行了复推并完成了效果验收，但本次问题的处理历经近半年，耗费了大量人力和物力。通过对本次施工过程进行总结，可以得到以下经验。

①盾构在复合地层掘进前选择合适的刀具至关重要。砂卵石及强度较高的岩层会导致盾构机的刀具磨损严重甚至发生崩裂，因此应选择耐磨且硬度不高的刀具。

②盾构掘进过程中如遇到姿态不可控的情况，在姿态纠正过程中应进行缓慢纠偏，每环管片纠偏量不超过5 mm，防止盾构机形成拱背状态，也防止管片在急纠偏过程中出现破损、错台等质量问题。

③做好盾构区间的超前补勘非常重要，特别是对于比较复杂的地质条件。

④在开仓换刀前应制定好完善的刀具更换方案，提前准备好各类盾构刀具，避免因材料、工具不到位而耽误时间。开仓完成后需清点好各类工具并带出仓外，防止工具遗留在仓内影响掘进工作。

⑤在泥浆配置过程中应严格按照配比精确把控各种材料的用量，使配置好的衡盾泥能够达到理想效果，有利于后期保压工作的顺利进行。

⑥在带压开仓过程中关注空压机的运转情况，及时对地面进行巡视及监测，检查地面是否存在漏气情况。如出现土仓突然失压或者泥膜破裂等现象，维修人员应立即减压出仓。

该施工单位在经过带压开仓、人工挖孔桩辅助常压换刀后，顺利完成了刀盘修复及刀具更换工作。实际施工过程中使用的人工挖孔桩辅助常压开仓换刀方法以及相关的技术措施，为类似的复杂地层下盾构隧道开仓换刀工程积累了丰富的施工经验。

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