富水上软下硬地层土压平衡开仓换刀施工技术研究

龙建平LONG Jian-ping

（中国水利水电第七工程局有限公司，成都 611730）

1 工程概况

1.1 工程概况

福州地铁6 号线3 标段工程滨海新城站～壶井站区间（简称滨～壶区间）盾构右线掘进至543 环时，刀具磨损严重，需进行换刀处理。盾构机停机位置上方有建筑结构一座（拆除部分结构），邻近河流。区间隧道处于富水上软下硬地层，位置隧道埋深12.4m，地下水系发育，开仓换刀施工难度极大。盾构机停机位置环境图、盾构机与周边房屋、河流平面关系图如图1、图2。

图1 盾构机停机位置环境图

图2 盾构机与周边房屋、河流平面关系图

1.2 盾构近期掘进参数分析

2018 年10 月19 日进行右线第一次开仓换刀，位于微风化全断面基岩层，更换刀具单刃滚刀26 把，双刃滚刀3 把，合计29 把。盾构掘进上软下硬地层11m，全断面基岩掘进13m，合计24m。

2018 年10 月29 日进行右线第二次开仓换刀，位于上软下硬基岩层加固区内，更换刀具单刃滚刀10 把，双刃滚刀1 把，合计11 把。盾构掘进全断面基岩掘进12m，上软下硬地层16m，合计28m。

2018 年11 月10 日上午7：00，区间右线拼装至545环时，距离第二次开仓换刀位置31m，参数发生变化，盾构总推力、刀盘扭矩、渣土温度呈递增趋势，掘进速度呈递减趋势。其中，盾构总推力最大值为1501T，刀盘扭矩最大值为2643kN·m，渣土温度最大值为55℃。且在掘进时参数变动较大，初步判断刀具磨损严重，具体统计见图3～图5。

图3 推进速度

图4 总推力

图5 渣土温度

2 工程地质及水文地质条件

区间隧道穿越地层为杂填土、含泥中细砂、淤泥质土、中粗砂、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩；盾构穿越地层埋深15.0～21.1m，主要为中、微风化花岗岩，滨～壶区间右线局部地质纵断面图如图6 所示。盾构机在掘进过程中遇到的微风化花岗岩强度较高，岩石强度最大到达123MPa，对刀盘刀具造成磨损及损坏。

图6 停机位置隧道地质横剖面图

区间地下水按赋存方式分为地表水、地下水、第四系松散岩类孔隙水和岩裂隙水，范围内及周边分布有河涌、鱼塘，砂层较发育，地表水与地下水存在水力联系。

3 开仓换刀整体思路

本次盾构机换刀拟采用填仓（砂浆）+深孔注浆（地表）加固后常压开仓换刀，在地表深孔注浆加固前，先进行防止包裹、砂浆置换土仓渣土；再施作盾尾止水环，上述工作完成后，再进行地表注浆加固，采用后退式注浆，加固浆液为AB 液（水玻璃+磷酸）和AC 液（水泥+水玻璃）；最后常压开仓换刀，带压清理刀盘开口，工序见图7。

图7 盾体径向孔注膨润土工艺流程图

深孔注浆加固和土仓内砂浆置换填仓的原因如下：

3.1 地表深孔注浆

是通过地面加固，使刀盘周围土体固化稳定，增强掌子面稳定[1]。地面注浆采用WSS 加固，浆液为A 液和B 液（或C 液），两种浆液充分混合，固定的流量和压力，使土层孔隙充满浆液后凝固。

3.2 砂浆填仓目的

隔离土仓与掌子面，在刀盘前方形成一道保护层，同时，通过刀盘旋转及土仓压力将砂浆填充至松软土层，到达稳定掌子面的目的[2]。

4 开仓前准备工作

本次开仓作业地面采用地表深孔注浆加固方式+砂浆填仓进行地层加固处理。

4.1 盾壳外注膨润土保护

通过每个径向孔注入膨润土填充盾体外部空隙，防止盾体被裹住，膨润土粘度应大于60s。注入时，左右两侧需注入饱满，每孔注入量控制在1.0～1.4m3左右，在砂浆填充土仓及地表深孔注浆加固期间需间歇性往盾壳注入膨润土，注入压力略高土仓压力。

4.2 砂浆填充土仓

砂浆填充土仓步骤如下：

①盾体内通过隔板上时钟11 点位及2 点位的球阀，对土仓内充填砂浆，土仓压力上升至2.2bar，同时用螺旋机同步置换排土，压力波动在0.2bar 以内，砂浆骨料配比为：水泥∶膨润土∶粉煤灰∶砂=51kg∶121kg∶181kg∶611kg，换填砂浆填用量约为理论值的1.4 倍，填充时刀盘以0.5～0.8r/min速调转动。

②稳定30min 后，再通过隔板上时钟11 点位及2 点位的球阀，继续填充，多注入少排出，至顶部压力到3.2bar，螺旋机略微排土，但压力不低于2.2bar，填充时刀盘同①。配合比为：水泥∶膨润土∶粉煤灰∶砂=81kg∶121kg∶180kg∶610kg，以31 分钟内压力降低在0.2bar 内为结束标志。

③第二步完成后，将盾构倒退30mm，反转螺旋机，6r/min。若压力下降，及时从8～10 点位注入浆液，使底部土压至3.2bar，稳压2 个小时停止注浆。配合比为：水泥∶膨润土∶粉煤灰∶砂=100kg∶120kg∶180kg∶610kg。

④砂浆填充之前应将铰接缩至100mm 左右，便于后退及脱困。

⑤上述三种砂浆配比需进行现场试验，严格控制砂浆固结后强度，7 天强度应小于0.8MPa，避免后期固住盾体风险。

4.3 止水环箍

为防止水从管片渗透至掌子面，必须止水环箍，同时起到施工中的止水效果[3]。

①制作止水环箍，需要将同步注浆管充满粘稠的膨润土。

②在倒数第3～5 环通过吊装孔注入双液浆，每个孔位都得注。注饱满后，开孔检查，直至无水浆泄漏为止。

③双液浆配比需现场试验后确定。

④注入时，随时观察土压变化请客，并且刀盘低速转动，防止固结。

4.4 地表深孔注浆加固施工

地表加固区采用钻注一体机，浆液使用无收缩双液浆。加固范围为5m（刀盘前2.0m、后3.0m），中心线两侧各6.0m。前方使用AC 液，深度为盾壳上方3.0m，下部直至中风化花岗岩。后方盾壳上方0.5m 用AB 液，盾壳上方0.5至3m 用AC 液，盾壳两边第一排孔使用AB 液，盾壳顶部以上0.5～3m 使用AC 液。先行施工盾体及两侧范围内的AB 液注浆孔，再施工刀盘前方的AC 液注浆孔，同时注浆应遵循先施工外圈注浆孔，后施工内圈注浆孔。

4.4.1 定孔位

地表注浆孔布置如图8 所示。

图8 地表深孔注浆加固范围平面及布孔图/m

4.4.2 制浆

WSS 工法浆液初步配比如表1，具体配比根据现场试验确定。必要时加入快凝材料确保效果。

表1 WSS 浆液配比表

4.4.3 压浆

①为了达到止水加固的目的，各种浆液的范围如图9所示。刀盘前方加固示意图祥见图10。

图9 盾体上方浆液的深度范围示意图

图10 刀盘前方加固深度范围/m

先注盾体上方孔位及靠近盾体两侧孔位，再注外排孔位，最后注其他孔位，压力按大于理论水压的0.5bar。

②注浆参数：初步拟定注浆参数见表2，施工中注浆参数应根据现场情况试桩进行适当调整、优化。

表2 注浆参数表

4.4.4 提升钻杆

采用后退式分段注浆，每段长0.5m，每段在0.6m3左右。待底部达到要求后慢速提升钻杆继续下段注浆。

4.5 填仓、加固质量的检查

开仓前首先打开隔板上的上部球阀，伸入80cm 长的硬物检查是否漏水，根据砸入的情况判断凝固的情。开仓前还应对土体气密性检查，若开挖仓压力稳压2 小时无变化或无较大波动，表明开挖面地层加固密实，具备带压进仓条件。

5 开仓换刀

5.1 开仓清理

本次换刀拟采用常压开仓换刀，开仓门后，观察仓内土体情况，掌子面稳定，则进行土仓清理。

清仓出来的杂物采用人工搬至皮带运走。开口及切口环处换完刀后清理。将抽风机接到球阀的外侧，进行土仓内的通风[4]。

5.2 刀具更换

在清仓过程中，每清理出来一把，对磨损情况进行分析，及时判断其他刀具情况及下一步采取的措施[5]。清理出来一把就更换一把，不好更换的最后更换。每更换一把就用纱布或快凝水泥封堵间隙。

5.3 带压清理刀盘开口处

进仓前需进行保压试验，带压进仓清理刀盘开口流程图如图11。

图11 带压进仓清理刀盘开口流程图

带压时专人观察掌子面，从下往上清理，渣土留在土仓，人出仓后排出。

5.4 刀盘脱困

刀盘脱困主要以下几个步骤：

①清理完毕后，关闭仓门，直接转刀盘。

②如第一步未转动刀盘，收回所有推进油缸2～3cm，手动拉铰接油缸，同时启动刀盘，正向反向反复试验，可实现刀盘脱困。

6 结束语

福州地铁6 号线滨～壶区间盾构右线换刀施工，采用盾构机防包裹保护、水泥砂浆置换土仓渣土填仓，施作盾尾止水环，再进行地表深孔注浆加固，确保了开挖仓掌子面稳定。常压换刀过程中未发生土体坍塌现场，周边建筑物、地表、河流监测正常，且相对以往带压换刀工效更高。这一系列的措施可以为类似富水上软下硬地层土压平衡盾构常压开仓换刀的技术难题提供借鉴作用。