土壓盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中常壓開倉換刀的技術(shù)研究

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

1 工程背景

福州軌交1號線07標(biāo)段三叉街站—上藤站區(qū)間上、下行線路均自三叉街站北端頭井出站后，沿六一南路一路向北，在下穿龍津河、大坪路后至上藤站南端頭井，區(qū)間上行線長約892.95 m，下行線長約895.48 m。線路平面最小平曲線半徑349.85 m，上、下行線路線縱斷面均呈V字形，隧道頂部覆土6.71～14.14 m。本工程采用的是德國生產(chǎn)的海瑞克盾構(gòu)機(jī)。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)中遇大孤石情形介紹

2013年8月5日下午，盾構(gòu)于三叉街站—上藤站區(qū)間隧道上行線推進(jìn)183環(huán)時(shí)，盾構(gòu)刀盤突然出現(xiàn)跳停的情況，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)困難。根據(jù)我公司對障礙物以往處理的經(jīng)驗(yàn)，為防止刀具的進(jìn)一步損耗，決定停止盾構(gòu)推進(jìn)，并對障礙物進(jìn)行排摸。

上行線盾構(gòu)掘進(jìn)遇障礙物區(qū)段位于六一南路車輛過道上，其地面正上方為綠化帶。盾構(gòu)左側(cè)存在1 根Φ700 mm污水管線（距離約3.7 m），右側(cè)存在1 根Φ1 200 mm的污水管線，兩側(cè)房屋距離盾構(gòu)所處地面位置約15 m。

經(jīng)項(xiàng)目部的技術(shù)人員研究決定采用探孔探摸的方法來確定大孤石石塊的大小、位置和數(shù)量，在盾構(gòu)機(jī)切口前方一定區(qū)域范圍共打設(shè)探孔21 個(gè)，基本確定大孤石的范圍。大孤石按其埋深與相對位置可劃分為3 塊：第1塊埋深范圍約為7.3～9.9 m，第2塊埋深范圍為10.1～17.1 m，第3塊的埋深范圍為12.5～13.8 m（圖1）。

圖1 大孤石示意

3 常壓下的換刀技術(shù)

3.1 問題處理方案的確定

3.2 常壓下?lián)Q刀技術(shù)的難點(diǎn)及針對性措施

3.2.1 難點(diǎn)分析

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中開挖面穩(wěn)定靠土倉壓力維持，開倉后，盾構(gòu)機(jī)切口土倉內(nèi)的壓力全部卸掉，而開挖面土體有一定的自然土壓力，如不采取措施，將造成開挖面坍塌。再者，由于地下水的水位較高，盾構(gòu)機(jī)位置在水位面以下，而且殘積礫質(zhì)黏土為承壓含水層，如不采取措施，開倉后將造成泥水噴涌。

3.2.2 針對性措施[1]

（a）針對開挖面坍塌，采用在距離刀盤30 cm處施做Φ1.5 m的咬合樁砂漿墻來阻擋開挖面的坍塌。

（b）針對開倉后將造成泥水噴涌，采用在刀盤和咬合樁砂漿墻之間施做Φ0.8 m的高壓旋噴樁止水。

（c）在盾構(gòu)機(jī)刀盤兩側(cè)和盾構(gòu)及前面布置3 口備用降水井，如開倉后滲水較多，立即啟動(dòng)降水井進(jìn)行降水，以保持土倉內(nèi)換刀作業(yè)面的干燥[2]。

3.3 換刀前咬合樁墻及高壓旋噴樁止水的施工

3.3.1 咬合樁墻

（a）全回轉(zhuǎn)清障施工：由于目前障礙物部分與盾構(gòu)機(jī)刀盤貼合緊密，為保證咬合樁跳打要求，先采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在盾構(gòu)機(jī)刀盤前方清除部分障礙物，清除范圍為刀盤前方1.8 m內(nèi)的現(xiàn)有巖石障礙物，共需打孔8 口，孔徑1 500 mm，搭接900 mm（圖2）。

圖2 清障處理示意

（b）全回轉(zhuǎn)水泥砂漿墻施工：全回轉(zhuǎn)清障施工完成后，采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔在盾構(gòu)機(jī)刀盤前方施工1 道水泥砂漿咬合樁墻施工，咬合樁孔徑1 500 mm，搭接600 mm，孔深20 m，孔邊界距離刀盤前方30 cm。每根樁成孔后對鉆孔進(jìn)行灌注，灌注范圍為隧道上方4 m，隧道以下1.3 m，地面至隧道上方4 m的土體應(yīng)均勻拌合水泥后回填。根據(jù)咬合樁編號，其施工順序?yàn)椋?→3→2→5→4→7→6→8。

3.3.2 高壓旋噴樁施工

待咬合樁樁墻施工完成后進(jìn)行，采用800 mm@600 mm高壓旋噴樁止水施工。本工藝是成熟施工工藝，此處不再敘述。

3.4 常壓換刀施工

3.4.1 換刀流程

開始→開挖面穩(wěn)定性初步判斷→倉內(nèi)氣體檢測→開倉→進(jìn)一步觀察開挖面的穩(wěn)定性→刀具檢查→刀具更換→檢查驗(yàn)收→關(guān)倉→完成

3.4.2 土倉清理

換刀前，應(yīng)先將刀盤轉(zhuǎn)至理想位置。換單刃刀時(shí)，利用螺旋機(jī)將土艙內(nèi)土體清除至盾構(gòu)中心向上540 mm，換雙刃刀時(shí)，土艙內(nèi)土體清除至盾構(gòu)中心向下810 mm。

3.4.3 氣體檢測和通風(fēng)排氣

艙門打開后，安全人員利用氣體檢測器在艙門口處進(jìn)行氣體檢測，確定可能存在的有害氣體，之后選用盾構(gòu)機(jī)空壓機(jī)通過通風(fēng)管對艙前空間通風(fēng)排氣約30 min。

利用盾構(gòu)機(jī)原有人倉保壓系統(tǒng)為排氣管路，盾構(gòu)機(jī)主機(jī)內(nèi)和后續(xù)臺(tái)車全部使用原有的管路，排氣管出口設(shè)置在末節(jié)臺(tái)車后5 m處，遠(yuǎn)離燈具和高壓電纜接頭。利用通風(fēng)軟管向土倉內(nèi)送風(fēng)，同時(shí)打開原保壓系統(tǒng)管路閥門，將壓出氣體排至預(yù)定區(qū)域，氣體通過洞內(nèi)壓入新鮮空氣的稀釋，隨洞內(nèi)空氣排出洞外（圖3）。

圖3 艙前通風(fēng)示意

3.4.4 換刀步驟及施工要點(diǎn)[3-9]

（a）當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)至預(yù)定位置時(shí)，通過螺旋機(jī)出土將土位降至指定位置（圖4中粗線表示），然后通過人行倉輸送木板至土倉內(nèi)鋪設(shè)于土體之上，便于施工人員立于木板上進(jìn)行換刀施工。

（b）開倉前后在倉門附近焊接幾處吊點(diǎn)，利用手拉葫蘆來輸送刀具，結(jié)合人工推送來進(jìn)行刀具的卸、裝。

（c）刀具運(yùn)輸：換刀前將當(dāng)天擬換置的滾刀通過行車及電瓶車運(yùn)輸至第1節(jié)臺(tái)車前方，放置整齊。在刀具運(yùn)輸過程以及舊刀具運(yùn)出地面過程中，避免刀具突然斷裂，導(dǎo)致刀具跌落。選擇合理的吊裝方法和合適的吊點(diǎn)位置，以避免刀具的突然脫落和拉壞設(shè)備。

圖4 出土示意

（d）掘進(jìn)班組在接受換刀工作后，必須明確所需更換刀具的編號及換刀步驟。一般情況下，換刀時(shí)須拆1 把裝1 把，且須由外往內(nèi)更換，特殊情況時(shí)聽從土木工程師的安排（圖5）。

圖5 刀盤刀具編號

（e）對每個(gè)刀位進(jìn)行編號，每次換1 把刀。將刀盤內(nèi)1 把刮刀拆除后，利用雙梁將對應(yīng)滾刀吊運(yùn)至艙門前，利用手拉葫蘆接力將滾刀吊至艙門內(nèi)擬安裝位置，安裝到位后用氣動(dòng)扳手進(jìn)行反復(fù)堅(jiān)固，直至達(dá)到要求扭矩。

（f）在進(jìn)入土倉作業(yè)時(shí)應(yīng)注意土倉內(nèi)的通風(fēng)和排水，確保換刀作業(yè)人員的安全。

（g）為了安全以及作業(yè)方便，首先將換刀用的站人平臺(tái)運(yùn)進(jìn)土倉并安裝在倉壁上，然后在3點(diǎn)鐘位置進(jìn)行滾刀的拆卸和安裝；在3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘上方位置進(jìn)行刮刀的拆卸和安裝。

（h）為了裝刀工作的順利進(jìn)行，拆下的螺栓、墊圈、螺母、壓塊等必須集中放置在鐵皮工具箱里。

（i）拆換刀具過程中，一定要綁好刀具及抽水水泵，避免刀具及水泵掉入泥水中。萬一掉入泥水中，一定要及時(shí)將其撈出，避免傷害盾構(gòu)機(jī)。在未完成打撈工作前，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，嚴(yán)禁繼續(xù)換刀。換刀時(shí)掉下的任何物件均同此規(guī)定。

（j）換刀過程中應(yīng)密切注意刀盤前面及頂部的砂漿墻的穩(wěn)定性，如發(fā)現(xiàn)有砂漿墻往下掉或涌水等異常情況出現(xiàn)，土倉內(nèi)的人員應(yīng)立即撤離現(xiàn)場，關(guān)閉倉門，并向土倉內(nèi)注高濃度的膨潤土保持土倉壓力，等待下一步進(jìn)行處理。

（k）如換刀過程中需要使用乙炔+氧氣切割或燒焊，必須辦理動(dòng)火證，準(zhǔn)備好滅火措施，燒焊過程中必須向土倉內(nèi)通氣，以保證土倉內(nèi)有新鮮空氣，操作時(shí)必須注意人員的安全。

4 結(jié)語

福州軌交1號線07合同段三叉街站—上藤站區(qū)間上行線盾構(gòu)機(jī)，在采取了一系列技術(shù)措施后順利進(jìn)行了換刀，周邊的地表沉降在允許范圍內(nèi)（10 mm），沒有造成周邊的管線和房屋的損壞，換刀持續(xù)了36 h左右，換刀后盾構(gòu)機(jī)開始掘進(jìn)，順利穿過了大孤石區(qū)段，對以后出現(xiàn)類似的問題的處理有借鑒意義。