地铁盾构工程建设中砂卵石地层土压盾构的开仓换刀施工技术

王宏

[摘    要]大量案例与研究证明，在砂卵石地层中盾构机的刀具耗损速度过快，而为确保在该类地层中施工的稳定进行，盾构机不可避免需频繁替补刀具。成都17号地铁线北端盾构隧道工程所穿越地层以富水砂卵石地层居多，工程采取常压进仓方式替换刀具。文章以探究此工程的开仓换刀加固方式为核心，提供在相似地质内施工欲设计常压开仓换刀加固方案。

[关键词]地铁工程;砂卵石;开仓;加固

[中图分类号]TM73 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）05–00–03

Construction Technology of Opening Warehouse Changing Shield of Sand

Pebble Formation in the Construction of Subway Shield Engineering

Wang Hong

[Abstract]A large number of cases and studies have proved that the tool loss speed of shield machine in sand pebble stratum is too fast， and in order to ensure the stable construction in such strata， shield machine inevitably needs to replace tools frequently.In the case of shield tunnel project at the north end of Chengdu Metro Line 17， the stratum crossed through is mostly water-rich sand pebble stratum， and the project adopts the constant pressure inlet method to replace the tool.This paper will take the core of exploring the warehouse opening knife reinforcement method of this project， in order to desige the constant pressure warehouse opening knife reinforcement scheme in similar geology.

[Keywords]subway engineering; sand pebble; open warehouse; reinforcement

在近乎所有的成都地區砂卵石地层的掘进工程中，开仓换刀的作业平均每掘进300 ～500 m就需进行一次，究其原因，盾构的刀具在对大粒径卵石及孤石地层进行削碎作业时，其损耗速度极快。为避免进一步的刀盘磨损与伴随而来的相关参数异常的情况，频繁进行换刀维持刀具耐久必不可少，如何确保换刀作业的安全性已关乎盾构法在砂卵石地层施工成败。

1 成都地铁工程概况

此工程线路全长为49.6 km，19座车站，工程为一、二期施工，本文对一期进行探究。一期工程设计线长25.8 km，细节如下：5.5 km高架段、0.5 km过渡段与19.8 km的地下段，线路上共有9座站，包括2座高架站与7座地下站，据量测9站间距平均为3.159 km，明光站至九江北站间为最大站距6.721 km，白佛桥站至机投桥站为最小站距1.398 km。线路所处地域具有良好的稳定性及比较单一的岩性，主要以杂填土、素填土与黏性土为上覆岩土层，以卵石层为下部岩层，具有不低于50 m厚度的第四系土层，地下水埋深范围4.00～9.60 m。

2 常压开仓换刀的风险及对应解决方法

2.1 开仓换刀的风险

工程中，常压开仓普遍存在的风险如下：

（1）地表沉降与掌子面坍塌。进行仓压开仓祖业时，掌子面有几率因开仓变得不稳定，地表出现沉降过深，掌子面发生坍塌，都会使进仓工作人员的生命受到威胁。

（2）土仓涌水。开仓换刀作业中，若出现降水井断电事故，将会导致大量水涌入土仓内[1]。

2.2 解决方法

（1）为使掌子面稳定，以预防地表沉降与掌子面坍塌风险，需使用地面隔离桩稳定掌子面;

（2）为避免地下水涌入土仓内，需在刀盘最终停机位置处提前配置好适宜数目的降水井，并确保每个水泵都可备有应急电源（发电机），开仓作业严格遵循在水位低于刀盘0.5 m后进行。

3 选择与实施砂卵石地层所需常压开仓换刀加固方法

3.1 加固地表

对掌子面加固作业需选择旋挖钻或冲击钻对隔离桩进行施工，沿单条施工隧道的中心线朝两端共计设置7根隔离桩，细节如下：4根Φ1.2 m素桩、3根内径为1.2 m的Φ1.8 m空心钢筋混凝土桩，确保桩底深入隧道底大于1 m，与距离联络通道开挖边缘不低于1 m。具体细节可在保障修复作业时紧急逃生通道畅通与2根或以上的成桩空心桩且中心位置有空心桩成桩下，根据换刀点地质条件及地面状况对旋挖钻或冲击钻施工的影响进行空心桩的数目调整。

3.2 开仓前的降水环节

基于研究与实际经验可知，在不对砂卵石地层进行扰动状态下，采取降水后，其所具备的良好骨架效对土体稳定性具有保持功效。成都地铁工程中所需穿越地层多为中密卵石层与密实卵石层，均具有水量大、渗透性强的特点，渗透系数可达22 m/d，其地下水的水位在9～11 m较浅范围。基于工程对于砂卵石地层降水施工丰厚的经验以及对涌水量细致测算，降水井的配置点将与隧道中线两端相聚6 m，数量2～5口，由φ300钢筋混凝土管作为管井，确保管道达到盾构机拱底下10 m，配备根长2.5 m，总长10～12.5 m的滤水管，提前7d以上进行降水作业，把控降水井单井含砂量处于规范标准：粗砂含量不高于1/5万;中砂含量不高于1/2万;细砂含量不高于1/1万。

4 开仓换刀作业

4.1 管片背后降水与注浆

为确保砂浆置换的成功，预防成管背后来水涌入土仓，基于砂卵石地层渗透系数大、水量多等特点，在管片背后采用整环双液注浆使其形成止水环，以阻断管片背后的来水[2]。二次注浆需选取在盾尾4环后，连续5环进行。抽降水作业前，需完成管片后的同步和二次注漿工作，而在保证注浆料达到适宜强度后，进行抽降水作业。

4.1.1 工程二次注浆配合比

工程中采取水玻璃+纯水泥浆方法进行二次注浆，浆液配比与相关细节参数：0.8～1.0的水泥浆水灰比;1∶1.5的水玻璃与水稀释比;1∶1的水泥浆与水玻璃注入体积比。

4.1.2 二次注浆的施工要点

注浆前的准备：选取适宜注浆孔位，配置好单向注浆逆止阀，将孔位后的保护层利用电锤进行钻穿，连接上三通、水泥浆与水玻璃管。进行注浆作业时，水玻璃需在纯水泥浆液注入1 min后再通过开启阀门注入，终孔前需提高水玻璃浓度，当注浆压力达到4.0 bar时便可予以终孔。孔的注入成效需在注浆完成后5～10min内开启注浆头并疏通来检验，若发现严重渗透现象，需进行补注操作，直至观察不到渗水现象[3]。在拆卸注浆头，对注浆孔用双快水泥砂浆实施封堵，将塑料螺堵盖好后再进行下一个空位重复注浆操作。

4.2 开仓门的要点

（1）将减压球阀开启（若阀芯出现堵塞利用铁丝疏通），平衡土仓内外气压后，拧下螺栓，松开压板。为保证施工安全，在松下螺丝过程中，需时刻关注仓内压力变化，若发觉异常，需立即拧好螺丝撤离。

（2）当仓门开启，需评估刀盘前土体稳定性与现场地下水情况，给予施工是否满足进行刀盘检查条件的判定，若条件适宜，即刻对刀盘进行查验;若条件不适宜，为预防土体可能出现的坍塌威胁，需将木板朝前上方利用大锤敲入刀盘与土仓间空隙，并每隔10 cm对刀盘进土口敲入木支撑。

4.3 刀盘维护要点

4.3.1 刀盘磨损部位的修复

（1）刀盘外周磨损需进行清理与打磨，而面板损耗区域需测量绘制其截面尺寸，如图1示，为便于后续焊接操作，测出外圈所有位置量A、B尺寸后，基于结果使用碳刨与打磨不规则范围，焊接时确保圆环保护刀距保径刀区域的底端满足70 mm高差以上。

（2）确保所有面板均规范焊接到5把保径刀，保径刀具体规范：距面板边缘约210 mm、距中心约522 mm

（3）对于保径刀间隙中沟槽磨损的修补，采用由宽90 mm的HARDOX板进行冷轧制备的圆弧补板补满。

4.3.2 切除挡板

对刀盘外周12处挡板中部分挡板进行气割切除，并碳刨下侧筋板与刀盘外圈板使两板分离。完工后，再对挡板切口与刀盘外圈板内侧碳刨处进行打磨，使其平整（可用宽10 mm与高5 mm的耐磨网格堆叠在余下磨损面板部分上）。

4.3.3 延伸刮刀

刮刀安置在刀盘周边刮刀与外圈板间隙，依图安置事先已加工好的刮刀地板于辐条上，保证刮刀底部与前端刮刀孔心齐平后，进行焊接，当底板安置好刮刀后，立即紧固螺栓，打紧扭矩，在螺栓孔内注入螺纹密封胶。

4.4 刀具的替换

4.4.1 刀具替换的标准

在异常情况下进行滚刀的替换，诸如：刀圈发生偏磨、漏油与脱离、挡圈发生断裂或掉落、裂纹、挪位等;在正常损耗下滚刀替换需满足：刀盘最外3把滚刀损耗超过10 mm，其余边缘滚刀损耗不低于15 mm，正面滚刀损耗高于20 mm且中心滚刀损耗量超过25 mm。刮刀或齿刀的替换需满足其合金齿缺损和耐磨层磨损完。

4.4.2 运送刀具

为确保输送过程安全性，运输所使用的吊具、钢丝绳、木板等需严格检测质量，新刀具运输（由地面下井至进入土仓抵达换刀点）或旧刀具运出地面的全过程需避免碰撞，吊点严禁设置在推进油缸与铰接油缸活塞杆处。为防止刀具于运输中不慎掉落砸坏油缸，运输前需将油缸回收。

4.4.3 刀具替换流程

基于现场状况，在土仓壁三点或九点位焊接上一个∠45的角钢，以角钢上搭置2块尺寸为1 500 mm×200 mm×40 mm的木板作为换刀的平台。

将刀盘选择至三点或九点位（换刀位），并使用风镐凿出位置与所换刀位置一致及容积和刀体积大致相同的刀坑。

所需替换的刀具转入已凿好的刀坑。

下面以滚刀作为范例，阐述替换流程，事先使用夹具将滚刀夹好。图2为滚刀结构示意图。

（1）利用导链子将滚刀挂好。

（2）将自锁螺帽放松。

（3）将球面垫圈、球窝与可调节压块移开。

（4）将楔形块移开后，利用装配杆撬出滚刀，必要时，握好楔形块螺杆。

（5）从刀箱中拉出滚刀。

（6）移开滚刀。

（7）换刀点备好新滚刀。

（8）将滚刀底座清理洁净并查看是否发生变形，无误后进行新滚刀的安装。

（9）将楔形块安装。

（10）将球面垫圈、球窝与可调节压块恢复原位拧好。

（11）将保护盖帽与螺母拧紧。

4.4.4 关于土仓门关闭的相关标准

（1）为确保换刀工作的完整性，在换刀结束后，对所替换刀具由机电部人员依照刀盘修复表的要求栏予以检验，确保万无一失。

（2）换刀负责人需在换刀结束后清点所领取的全部换刀工具，以防残留于土仓内。

完成上述检验步骤后，即可将土仓门关闭。

4.5 对刀具进行的改造

在不改变刀具最初设计理念的条件下，对刀具的加强与改造举措需以保护刀盘外圆弧及降低其掘进中异常损耗为核心。

4.5.1 对刀具的切割

使用替换下来的切刀采用线切割技艺制备成2孔切刀，如下图3依照中线进行初长374.2 mm的外圆保护刀的切割工作。

4.5.2 增强刀盘外圆弧区域的相关举措

（1）增强面板区域的举措：在面板区域安置圆环保护刀，对其中较易磨损部位增加圆环保护刀。

（2）增强辐条区域的举措：对于NO3与NO7辐条，需沿刀盘辐条圆周方向对圆环保护刀进行布置;对于NO5、NO9和NO11处辐条，需沿圆周方向安装两把刀箱保护刀。

（3）延伸边刮刀的举措;安装好事先已加工的刮刀座板于刀盘周边刮刀和外圈板95 mm间隙上并予以焊接，随后以100%MT检测焊缝是否合格，在合格后利用螺栓将刮刀安装并固定，最后注入螺纹密封胶于螺纹孔中。

（4）割除小档板的举措：对伸出面板的小档板切除150 mm。

5 结语

在具备诸如多卵石、大粒径、高强度等特点的砂卵石地层里进行盾构法施工实非易事，但与此同时这也是一种考验施工技艺与能力的挑战。以成都地铁17号线工程为案例，先介绍了砂卵石地层常遇的开仓换刀难点及问题，并阐明其解决之道，之后对地表加固与降水开仓措施进行分析，展开了对开仓换刀技术要点的探究。

参考文献

[1] 徐鹏.土压平衡式盾构穿越全断面砂层渣土改良技术研究[J].工程建设与设计，2020（3）：32-33.

[2] 周洋，李艳.富水圆砾地层土压平衡盾构密闭始发技术研究[J].工程建设与设计，2020（17）：51-54.

[3] 占立浩.富水粉砂层地质条件下地铁3层换乘站土压平衡盾构接收施工技术[J].工程建设与设计，2021（4）：123-124.