复杂环境下土压平衡盾构被动填仓换刀施工技术

齐保栋，葛健祖，辜新宇

(中国水利水电第四工程局有限公司 盾构工程公司，湖北 武汉 430011)

当前盾构法施工技术被广泛应用于各施工领域，已成为地铁建设主力军，但随着城市建设各领域的快速发展以及城市地铁建设进入全国大发展阶段，因盾构区间地层、长度等不尽相同，刀具磨损、突遇不明物及积仓、结泥饼等异常情况往往需要开仓进行检查；随着经验的积累和对地质条件、长度的判断一般提前主动设置检查换刀点，采用地面加固常压换刀、围岩稳定直接进行常压换刀、带压换刀法、填仓常压换刀法，其中填仓换刀技术通常应用于在常压下盾构掌子面无法维持自身稳定的工况，它是通过向土仓内注入适量水泥浆液等加固掌子面，强度储备充足后采用人工将仓内泥浆清理出来使仓内具有一定的空间，然后在常压状态下进行刀具更换的施工方法，必要是根据周边环境、地质条件复杂程度及稳定性采用地面加固、降水配合进行开仓检查。

针对目前填仓换刀技术的不断应用，现对洛阳地铁1号线丽青区间富水砂卵石地层被动换刀与以往类似工程所不同的袖阀管地面加固、地面深井降水、填仓前盾体保护、挖仓顺序以及整个过程中所出现的问题和设备选型方面进行总结，以为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

洛阳地铁1号线丽青区间长1072.938m，隧道埋深约17.3m。工程地质从上至下主要为杂填土、粉质粘土、细砂、卵石，细砂在隧道顶部，分布厚度约为3～5m，稳定性较差；开仓换刀点地下水水量较为丰富，水位位于隧道底部以上4.4m处，处于盾构区间中上部。盾构掘进区间许下穿的地下商城下方（地下商城全长210.6m），与地下商城净距7.9m，地下商城与盾构隧道中间存在防空洞，埋深10～13m。

2 问题分析与方案确定

该区间采用1台∅6480海瑞克盾构施工，拼装至612环（刀盘位于617环）时，因盾构推进速度较小，推力、扭矩较大，出现超挖现象，盾构无法继续掘进。经过对掘进参数分析和渣土中出现的刀具掉落、砂岩块及其他异常情况判断，必须开仓检查刀具、刀箱和刀盘磨损情况。

经过对地质条件、水文条件、周边环境、建（构）筑物和管线综合调查分析，为确保安全，采用在地面斜向施作袖阀管注浆加固和降水井、洞内采用填仓加固的施工方法进行开仓检查。

3 施工前准备

3.1 周边环境调查及处理

1）防空洞调查 根据防空洞前期调查情况，将防空洞内污水进行抽排，对防空洞分布位置进行测量，复核防空洞和停机位置实际位置关系，同时在防护洞内布设监测点，确保开仓期间施工安全。

2）管线探挖 根据管线分布图纸，对换刀点位置带压燃气管线、给水管线和雨污水管线进行人工探挖，确认管线具体位置（表1），寻找合适位置进行袖阀管和降水井布孔工作，并分别在地面和洞内进行水位观测。

3）地质空洞探测 盾构停机后，为保证土仓压力，向土仓内注入膨润土。在土仓压力稳定在0.6bar时注入量达到96m3，超设计量较多。为查明原因，采用地质钻分别在周边10m范围内进行空洞探测工作，对发现的地下空洞进行预处理，防止开仓期间次生灾害的发生，同时也起到了对停机位置地质补勘的作用。

3.2 技术准备

1）根据实际情况编制盾构填仓换刀作业专项的施工方案，报监理工程师审批完成，并在开仓前对参与作业人员进行施工安全技术交底，明确人员分工。

表1 周边管线统计表

2）填仓用水泥浆液与膨润土配合比需要进行反复、多次同条件实验，确定最优配合比，确保水化热不大于60℃（防止损坏主轴承密封），且强度不小于2MPa，水泥浆凝固期间同时监测隔板温度，如温度过高，可适当加入膨润土降温。

3）明确开仓条件：①打开人闸内出气闸阀，观察有无气及水排出，若有气排出，直至常压，进行观察30min，并未见有水及泥浆排出，则满足开仓条件；②如果有水则在土仓隔板中部打开球阀，进行排水；如果此时水流不止，则不能够开仓，需重新注浆。

4）开仓后用气体探测仪或活体对仓内气体进行检测；对仓内通风、降温，条件许可方可进仓。进仓后首先对土仓内填充浆液进行判定，需达到2MPa以上，同时检测土仓内是否有有害气体，以便采取相应的措施。

3.3 地面加固及降水准备

1）刀盘前方土体采用袖阀管注浆进行加固。注浆范围为：水平方向2×12.2m，深度方向盾构隧道上3m、隧道下1.5m，约10.7m。由于受燃气管线、雨污水管线及地下人防商城条件制约，袖阀管只能布设在隧道南侧区域，共计打孔20孔，并且每个孔位角度不同，孔位角度范围在13°～47°，孔深在24～31m之间不等。

2）经过水位计算，在加固区打设7口降水井（图1）,降水井桩径600mm，井壁直径325mm,井间距5m，井深34m。潜水泵选用QS50-52/4-11，流量50m3/h、扬程52m、流速1.8m/s、功率11kW、出水管直径DN100mm。

3.4 盾构保护准备

在盾构进行开仓换刀工作前，采取相应措施对盾构进行保护，防止盾构被“抱死”的情况发生。

图1 加固范围及降水井平面布置图

1）盾构径向孔向盾体外注入膨润土及油类，防止盾体被填仓浆液及土体包裹，避免造成盾构复推困难，正式填仓开始前通过注浆孔在螺旋机内注入膨润土，对螺旋机进行保护（图2）。

图2 盾体保护示意图

2）从盾尾后3环往后，连续5环对管片壁后进行二次注浆（603环、604环、605环注水泥水玻璃双液浆，606环、607环注入聚氨酯），注浆量以注浆压力控制，形成止水环，保证盾体后方止水效果（图3）。注浆时要密切关注管片状态及注浆压力（0.3～0.35MPa）。水泥浆与水玻璃溶液配合比按体积比1∶1、凝结时间按30s以内配制。

图3 止水环施作示意图

3）盾尾管片二次注浆前，应对盾尾同步注浆管注入膨润土，防止二次注浆液堵塞盾尾同步注浆管。

3.5 监测准备

为了及时准确的了解地表沉降、周边管线、地下商城、人防空洞沉降情况，在开仓里程地面、周边管线及周边建（构）筑物加密布置地表监测点。监测频率为1次/2h。在整个填仓换刀期间安排监测人员进行巡视巡查工作，在推进后仍需进行监测，直到地表和建（构）筑物稳定为止。

4 主要施工技术

4.1 工艺流程

填仓换刀是常压下掌子面不能自稳和不能采用气压换刀的情况下向土仓内注入水泥膨润土浆液来封水、稳定掌子面，等强后采用人工将仓内泥浆清理出来使仓内具有一定的空间，然后在常压状态下进行刀具更换的施工方法。换刀期间重点做好盾体、螺旋机的保护措施。填仓换刀施工工艺流程如图4所示。

图4 填仓换刀施工工艺流程图

4.2 填仓施工

1）转动螺旋机进行土仓排土，待土仓内的渣土排出近一半时，从土仓隔板1点和11点部位（两寸球阀）向土仓内注入水泥膨润土混合浆，加入膨润土的目的是使水泥凝结强度不会太高，降低人工破除难度。浆液配合比为水泥∶膨润土∶水=1∶1∶2，打开土仓门隔板位置（12点位置，2寸球阀，压气作用时平衡阀）球阀排气，至排气孔排除水泥浆后关闭。

2）利用土仓隔板上面的球阀注入浆液。待土仓上半部分充满浆液时，保持注浆压力，让浆液填充满刀盘与掌子面间的间隙。

3）由于土仓能容纳土方为30m³，通过计算排出的土方量来判断土仓内的浆液的占比。在排出渣土27～28m³时，停止排土，同时反转螺旋机使螺旋机内的渣土返回土仓内。这样可以保证螺旋机内不被水泥浆液包裹。注浆压力控制在2.5bar以上，直至土仓内填满水泥浆液。在注浆的过程中土仓上部土压要控制不大于1.5bar。在置换渣土回填浆液的过程中，土仓壁与刀盘面板的注入孔需要每隔10min注入水，保证注入孔不被水泥浆液堵死，保证后续施工设备性能可靠。

4）土仓渣土置换完成后，转动刀盘，使土仓内未排出渣土与水泥浆充分搅拌均匀，开始进行小流量大压力注浆，注浆压力控制到2.6～2.8bar（注浆根据地面监测数据作为参考做出相应调整），避免压力过高把地面隆起；另外使浆液充分充填掌子面及刀盘外周的裂隙，从而更好地达到止水及土体的稳定效果。最后注浆完成达到初凝后，将不再转动刀盘。

4.3 开仓换刀施工

1）填仓结束后24h，打开往土仓门旁边隔板上的球阀，使用钢钎打入根据受阻力情况，检验泥浆凝结强度。当凝固强度达到一定强度后（一般为2MPa），打开仓门，人工用风镐、铁锹破碎土仓内水泥膨润土混合浆体，只清理需换刀位置，切口环及开口部位暂时不破除，待刀具更换完成后凿除；在对滚刀刀箱进行凿除时，需要注意不要破坏刀盘和掌子面之间的泥浆，导致掌子面长时间外露进而失稳。

2）换刀完成后，必须将土仓壁上的注浆孔、泡沫孔及土压传感器清理干净，注浆孔清理完成后应注入泡沫进行检查是否清理干净，清理时应注意传感器的保护，电气工程师对土压传感器进行检查，确认土压传感器是否完好。

3）刀具检查更换完成后，人工破除刀盘开口及周边结块，破除顺序从下向上。

4）刀盘更换完成后，清点仓内工具及材料并运出仓外，然后关闭仓门，建立气压稳定开挖面，先采用低转速正反转刀盘，确定刀盘能正常转动后，继续采用注入膨润土保压的方法，恢复正常掘进。

5 结论及建议

通过洛阳地铁1号线丽青盾构区间连续长距离在全断面砂卵石地层下穿建（构）筑物情况下被动换刀过程、区间掘进参数分析、设备性能、脱困常见问题等进行综合分析，提出以下结论和建议。

1）本区间盾构掘进渣土改良全部采用泡沫进行改良，通过后序盾构掘进总结，建议布设膨润土制作系统和输入管路，同时建议盾构渣土改良系统在掘进应同时具备在土仓和刀盘面板同时加注泡沫、膨润土、水的条件，具体应视地层含土、水、砂量等进行调配改良剂种类，对刀具、刀盘磨损和渣土改良能起到很好的作用；同时泡沫管路宜设置成单管单泵，出现问题较易处理。

2）针对开仓检查中出现的刀具、刀箱、刀盘磨损严重的情况，焊接重型撕裂刀能够很好解决刀箱制作周期长、仓内更换困难的问题。

3）本次开仓换刀地下水位控制标准调整为应不高于刀盘底0.5m，随开仓随顺利完成，但这一标准在不同地层有待进一步验证总结。

4）在停机保压注入膨润土和填仓浆液共计注入220m3，严重超过土仓容量，除应对卵石层孔隙率大增加扩散范围和隧道上方砂层局部坍塌形成孔洞进行分析外，还应对地下建构筑、孔洞进行详细调查，规避开仓期间的风险。

5）采用填仓换刀工法，应切实做好盾体保护措施和主轴承防护措施，规避盾构被“抱死”和损坏主轴承事件的发生。