地鐵盾構隧道填倉換刀施工技術研究

李 江 龍

(武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430030)

1 概述

近年來，隨著我國大力建設發展地下空間，盾構由于其具有機械化程度高、功效快、施工影響小以及安全性能高等特點得到了廣泛的應用[1-3]。由于盾構穿越的地層條件通常比較復雜，這使得盾構機刀盤的磨損程度較為嚴重，需要及時更換刀具從而繼續掘進[4,5]。盾構機換刀的方式主要分為常壓換刀及保壓換刀兩種，在掌子面穩定性較好時通常選擇常壓換刀，其具備較高的施工效率且對人員的作業安全有保證，當掌子面不穩定時可采用先填倉后進行常壓換刀。保壓換刀通常應用于地層環境惡劣、地下水發育嚴重掌子面無法維持穩定的盾構隧道工程中，由于其高壓環境加大了人員操作的風險，且施工流程較為復雜[6-8]。

本文以武漢市軌道交通8號線洪山區政府站—文昌路站區間工程為實例，在充分調研施工實際情況及地層環境的基礎上，選定開倉換刀的位置，給出了開倉前期的準備工作，形成一套盾構填倉換刀技術。

2 工程概況

武漢市軌道交通8號線洪山區政府站—文昌路站區間右線全長1 287.241 m，左線全長1 306.305 m，設置2處聯絡通道(其中1處兼泵房)。本區間采用盾構法施工，從文祥街的文昌路站小里程端出來后沿文祥街向東左轉，橫穿書城路、下穿南湖連通渠，橫穿文馨街后沿珞獅南路向北到達洪山區政府站大里程端接收。

左線區間隧道始發段以黏土及強風化巖為主，隧道中間段以中風化石灰巖為主，隧道接收段以強風化巖及黏土層為主。右線區間隧道始發段以黏土及強風化巖為主，隧道中間段以中風化石灰巖為主，隧道接收段以強風化巖及黏土層為主。在施工過程中，右線在掘進至369環處時，盾構機扭矩明顯增大，刀具磨損嚴重，無法進行安全掘進，應停機采取換刀措施進行處理。

3 開倉換刀準備工作

3.1 開倉位置確定

洪山區政府站—文昌路站區間右線在掘進至369環處刀具磨損嚴重，常壓進倉更換滾刀9把，由于掌子面不穩還剩12把滾刀未更換，其中包括3把已拆未裝，1把拆除完成80%，8把中心刀未拆除。計劃在369環位置進行填倉后再常壓進倉更換剩余12把損壞的刀具，根據右線地層及地表實際情況制定此次刀具更換點。

盾構機刀盤掘進至DK29+499.85處(369環)進行填倉后再常壓進倉更換剩余損壞刀具，該處刀盤位于南湖連通渠正下方，隧道埋深16.55 m，連通渠水位高約2.5 m。地層從上至下依次為：雜填土、黏土、原生紅黏土、中風化石灰巖；盾構穿越地層為中風化石灰巖及溶洞填充物，地質自穩性較強，中等透水性，且停機位置前期有地質勘探孔及巖溶注漿孔為徹底封堵，南湖連通渠水和掘進斷面有水源補給情況。

3.2 開倉技術準備

1)編制盾構填倉換刀作業專項的施工方案，報監理工程師審批完成，并在開倉前對參與作業人員進行施工安全技術交底，明確人員分工。

2)從盾尾后5環往后，對管片壁后進行二次注漿，注水泥水玻璃雙液漿，注漿量以注漿壓力控制，形成止水環，保證盾體后方止水效果。注漿時要密切關注管片狀態及注漿壓力。將需要二次注漿位置的管片注漿孔鑿開，安裝注漿接頭及閥門，連接管路；用清水沖開管片壁后水泥漿并形成通道，開始進行壓注水泥漿，然后再打開水玻璃液閥門，注入雙液漿。注漿在3點位、9點位并保證兩側同時進行。

3)開倉條件確認分兩步實施：打開人閘內出氣閘閥，觀察有無氣及水排出，若有氣排出，直至常壓，觀察30 min后，并未見有水及泥漿排出，則滿足開倉條件；如果有水則在土倉隔板中部打開球閥，進行排水；如果此時水流不止，則不能夠開倉，需重新注漿。

4)開倉后首先需要通過氣體探測儀檢查倉內氣體情況，主要是倉內通風、降溫等條件滿足人體基本需求后方能進倉。進倉后首先對土倉內漿液強度進行判定，同時檢測土倉內是否有有害氣體，以便采取相應的措施。

5)清理前先對土倉內水泥漿進行清理，然后對刀盤上刀具、刀座等主要位置進行清理及沖洗，應避免對掌子面及切口環位置的破壞。

4 填倉換刀關鍵技術研究

4.1 總體施工流程

填倉換刀技術通常應用于在常壓下盾構機掌子面無法維持自身穩定的工況，它是通過向土倉內注入適量水泥漿液等加固掌子面，強度儲備充足后采用人工將倉內泥漿清理出來使倉內具有一定的空間，然后在常壓狀態下進行刀具更換的施工方法。在進行盾構換刀時，需要確保盾構機盾體、注漿管道等設備的安全。圖1給出了填倉換刀施工工藝的具體流程。

4.2 填倉換刀技術要點

4.2.1盾體及刀盤保護

為避免水泥砂漿及超前導管注漿造成盾構機停機、刀盤密封受損、同步注漿管堵塞等后果，在進行注漿之前需要采取下列措施：

1)通過盾體徑向注漿孔向盾殼周圍注入膨潤土泥漿或黃油，防止由于盾體被漿液抱死而造成盾構機停機。泥漿采用膨潤土∶水=1∶3的比例拌制，注入量不小于6 m3。注漿完成后應通過盾體徑向孔檢查注入質量。

2)在漿液儲存罐內拌制膨潤土泥漿，并通過同步注漿系統注入，避免盾構機尾部被漿液凝結破壞以及注漿管道堵塞。

3)為避免刀盤的主軸承等構建密封性能遭到破壞，采用刀盤密封系統注入適量的HBW油脂。

4.2.2填倉作業

填倉作業的關鍵是要在掌子面及刀盤上方形成一層保護膜，在一段時間內保證掌子面的穩定，給換刀作業提供一個穩定的作業環境，填倉換刀工序如下：

1)中盾徑向孔注聚氨酯，確保中盾、盾尾與土體的間隙之間填倉滿聚氨酯，以保證土倉壓力穩定，不漏氣。

2)土倉內注入泥漿(主材膨潤土)，滲透掌子面，每次注入令土倉頂部壓力達到3.8 bar，待土倉頂部壓力穩定在3.5 bar(3 h不下降)，停止注入。

3)通過土倉前壁球閥向土倉內部注漿，用于置換土倉中渣土。

4.2.3盾構機超前注漿

盾構機超前注漿用于填充、加固土倉周圍地層土體，主要是刀盤及切口環上部土體，確保清倉換刀時不漏水，不塌方，有較好的工作環境，其注漿流程如圖2所示。

1)鋼花管采用6 m長φ48 mm的鋼管，對穿梅花形布孔，孔徑8 mm，縱向間距為10 cm，布孔長度1 m。

2)漿液采用P.O32.5R,1∶0.8～1∶1水泥漿液。

3)將定制的注漿導管插入傾斜超前注漿孔進行注漿。注入水泥漿液，注漿壓力保持在0.3 MPa～0.4 MPa范圍內，在壓力穩定后持續注漿，直至壓力上升后，再進行20 min～30 min注漿操作。

4)以1 m為一個注漿段，注完一段，拔出一段，逐步進行注漿加固，特別是刀盤前方0.8 m～1 m、切口環上方位置重點注漿。

4.2.4檢查土倉及地層條件

在開倉換刀前需要進行土倉內部環境檢查，打開閥門插入鋼筋，通過鋼筋的插入深入判定凝固情況，當漿液已呈硬塑狀態不再流動時，表明土倉內的土體已經固結。開倉前進行降壓試驗，監測地面情況。使用螺旋機進行出土降壓，同時打開土倉壁上的球閥進行放水降壓。

當土倉壓力降至常壓，土倉內渣土降至人閘下以后，如果地面沉降在允許范圍之內，可進行常壓換刀。若地面沉降超出了25 mm，應停止土倉降壓，并向土倉內注入惰性漿液，恢復土倉壓力，重新采取注漿加固措施。注漿加固完成后重復以上降壓試驗過程，直至地面沉降穩定，即可進行開倉換刀工作。

4.3 土倉清理及換刀

待所注入漿液凝固穩定3 d以后，進行人工清倉，一次性清倉到底。然后采取自下而上的順序，進行刀具更換。通過土倉壁球閥和人倉門上方的球閥孔，采用鋼釬檢查倉內固結情況，確認砂漿固結且探孔無滲水后，方可開倉門。打開倉門后先進行適當的通風、氣體檢測，然后從倉門口開始用鐵鏟、洋鎬、編織袋進行清倉工作，清倉順序見圖3。

1)清理人倉附近的①號區域，寬度1 m，高度1.5 m，進尺0.7 m，右側區域暫不清理，上部留1.5 m暫不清理；

2)清理②號區域；

3)清理③號區域，高度1.5 m，更換③號區域的刀具;

4)清理④號區域，并更換④號區域的刀具，同時檢查并清理螺旋的出土口；

5)清理⑤號區域，并更換①,②,⑤號區域的刀具；

6)清理⑥號區域，并更換⑥號區域的刀具；

7)清理切口環、清理開口，確保刀盤不被卡住；

8)關閉倉門，轉動刀盤，如可以轉動刀盤，直接恢復掘進即可；如無法轉動刀盤，則從下至上清理刀盤與掌子面之間的砂漿，直到刀盤可以轉動為止。

開挖到切口環及刀盤開口位置，立即用模板將切口環及刀盤開口位置封堵，預防土體掉落。清倉期間必須持續不斷的給土倉送風，確保倉內空氣流通。

5 結語

本文以武漢市軌道交通8號線洪山區政府站—文昌路站區間工程為依托，基于實際施工情況及地層條件總結出一種盾構填倉換刀施工技術，給出了開倉前期準備流程及填倉換刀的具體流程。該技術的實施完成了常壓狀態下盾構機的換刀工作，同時保證了盾構隧道施工的順利進行。