盾構機在上軟下硬帶壓換刀施工技術

林永星

中鐵十六局集團有限公司 北京 100018

1 工程概況

徐州市城市軌道交通2號線一期工程08標共包含2站2區間，2站分別是【姚莊站】、【七里溝站】，采用明挖法和半蓋挖法施工；2區間分別是【七里溝站～姚莊站區間】、【姚莊站～文博園站區間】，均采用盾構法施工。

姚莊站～文博園站區間，線路由姚莊站引出后，沿御景路南側綠化帶內布設，之后以R=450的曲線向南偏轉，與采空區巷道邊界距離約2.53米，與擬建萬達廣場用地邊線距離約0.2米，為避讓擬建迎賓大道快速化立交橋樁，再以R=450的曲線向北偏轉，區間與橋樁最近距離約3.49米，最后以R=550的曲線向南偏轉到達文博園站[1]。

2 地層特點分析

隧道結構頂板隨隧道起伏穿過的土層依次為：黏土5-3-4層、中風化灰巖10-1-3層、全風化頁巖10-7A-1層。

隧道邊墻隨隧道起伏穿過的土層依次位于：黏土5-3-4層、全風化頁巖10-7A-1層、全風化頁巖10-7B-1層、中風化灰巖10-1-3層、強風化頁巖10-7B-2層。

姚文區間右線此次換刀位置284環, 結合區域地質資料顯示此地層從上到下依次是全風化頁巖10-7A-1層、全風化頁巖10-7B-1層、中風化灰巖10-1-3層的上軟下硬地層。

3 盾構換刀常用施工的施工方法及方案比選

3.1 常壓換刀

常壓換刀是在不加氣壓的情況下，利用土體的自身穩定性平衡倉外的水土壓力，然后人員在常壓下進入土倉進行刀具的更換作業。主要有以下優點：

（1）安全性高。由于施工處于一個常壓過程中，常壓換刀施工相比帶壓換刀其安全性較高。

（2）工期短。常壓換刀更換一把刀具時間約為2小時，整個換刀施工在3天左右完成，相比于其他換刀方法，換刀效率明顯提高。

（3）施工成本低。相比帶壓換刀、填倉換刀，其人工等費用會節省很多。缺點：常壓換刀限制條件較為嚴格，對地層穩定性要求較高，需要地層自穩性較強，或在地層自穩性強度不足時需對其進行預加固。

3.2 帶壓換刀

帶壓換刀是利用盾構機自帶的兩臺空壓機或輔助壓氣設備，對土倉進行加氣壓，將土倉內的水、土用空氣進行置換，用氣壓代替原來的水土壓，建立土倉內氣壓和倉外水土壓力平衡，然后人員進入土倉內帶壓作業，進行刀具的更換。

優點：適用于地層穩定性差、掌子面不穩定地層，帶壓換刀可以有效地保持掌子面穩定及避免地表塌陷。

缺點：作業風險較高、作業成本較高、耗時時間長。

3.3 填倉換刀

填倉換刀是利用前盾隔板注入孔，向土倉內注入水泥漿，用水泥漿替換原狀土將土倉填充飽滿，待漿液固結后，人工挖除漿塊，從而進行換刀作業。

優點：①適用性廣泛，適合穩定性較差的地層以及常壓帶壓均不能滿足的情況；②安全性較高。

缺點：①填倉時間較長；②清倉時間較長；③換刀效率低；④易造成泡沫管路堵需清理⑤可能造成水泥漿包裹盾體的風險。

綜上所述，姚文區間地層屬于上軟下硬，若采用常壓換刀需地面進行加固，由于場地限制，水電都未鋪設到位，需加固的位置頂部均有架空高壓線，加固型不能采用加固效果較好的三軸攪拌樁（高度不夠），只能采用旋噴樁，但旋噴樁效果在5-3-4黏土中加固效果不太理想，并且加固成本較高等因素，不宜采用常壓換刀方法。填倉換刀工期較長且操作復雜，故姚文區間換刀方案最終選擇帶壓換刀。

4 姚文區間帶壓換刀施工流程

4.1 管片施做止水環

根據水文資料顯示，姚文區間含水豐富，短時間匯水能力較強，但水壓不高。需在盾體后方注雙液漿做止水環。按照水泥：水=1：1（質量比），水泥漿：水玻璃=1:1（體積比）的比例注雙液漿，漿液的初凝時間在45s左右。在2號臺車、1號臺車間、連接橋三處施做止水環，確保盾體后部水不向刀盤涌入。然后通過盾體徑向孔向盾體外注入20m3左右高濃度膨潤土漿液，起到止水及加固盾體上方土體的作用。

4.2 掌子面做泥膜

向土倉內注入高濃度膨潤土。加膨潤土過程中如果土倉壓力過高，適當出土，再加膨潤土。控制土倉壓力在2.0bar以內，緩慢轉動刀盤，使膨潤土充分進入刀盤周圍地層，形成氣壓保護膜。

4.3 加壓試驗

（1）人艙加壓試驗。人艙是盾構機的重要組成部分，是將人從大氣壓力環境下傳送到一個高壓環境下的設備，是工作人員進入盾構機土倉進行維修的通道，同時也是工作人員休息的場所。為保證人員安全，正常施工前，首先對空壓機、人艙內的設備等進行檢查，配備應急柴油發電機以保證供電的連續性，然后需對人艙進行無人加壓試驗，檢查人艙的氣密性，以確保工人在施工過程中出現不必要的狀況。

（2）土倉保壓試驗。開倉前應進行泥膜制造及保壓試驗，確保土倉密閉性后才能確定采用氣壓開倉方案。首次泥膜制造完成后，開啟保壓系統，用空氣緩慢置換出土倉內的泥漿，將土倉內泥漿排至半倉左右，保持工作壓為控制值+0.1bar持續4小時，由一臺空壓機給保壓系統供氣，通過觀察倉內氣壓的變化情況，監視空壓機的供氣情況，同時在地面進行沉降觀測，檢查地面是否有氣體泄漏，以判定切口面是否穩定，從而確定是否具備氣壓開倉條件。保壓試驗過程中詳細記錄空壓機和保壓系統的運行狀況。土倉保壓試驗成功完成后，按泥膜制造流程再造一次泥膜。

4.5 開倉清理及檢查刀具

姚文區間始發段為黏土，依次經過全風化頁巖、中風化灰巖，由于地層的軟硬不均，極易出現刀盤結泥餅的現象，開倉換刀時需對刀盤進行清理，清理完畢后對刀具進行全面的檢查以及量取其磨損量，按照磨損量進行確定需要更換的刀具。

4.6 更換刀具

當確定更換的刀具后，進行更換，由于換刀是在1.3 bar的壓力下施工，所以每倉施工工作時間為5小時左右（包含加壓以及減壓過程），對更換刀具速度有很大的影響。

4.7 關倉推進

帶壓換刀會對掌子面造成一定的影響，更換刀具完成，在恢復正常掘進時，需對停機換刀時刀盤位置進行補漿處理，防止后期出現沉降等現象。

5 結束語

地鐵盾構工程現階段正蓬勃發展，由于各地方地質、水文等情況不同，在施工過程中需要更換刀具時，要根據地質、水文以及地面環境等來綜合考慮換刀方法，才能有效避免安全事故的發生。

[1] 胡勝利,喬世珊.土壓平衡式盾構機—盾構機系列講座之二[J].建筑機械,2000,(1):24-26