南昌富水礫砂上軟下硬地層盾構帶壓換刀施工技術

王銳 王春明

摘 要：盾構帶壓換刀能否成功的前提條件是地層或經處理的地層具備一定程度的自穩性和氣密性，通過氣壓輔助地層能夠較長時間穩定隔水提供作業環境，在全風化巖、粘性土等地層工藝成熟、應用廣泛。但在離散性大、黏聚力差的富水砂土、礫砂、卵石等地層帶壓換刀適應性差，成功率低、風險高、事故頻發，行業研究應用相對有限。因此，對南昌地鐵3號線某區間特殊地面環境和富水礫砂上軟下硬地層中盾構帶壓換刀技術進行研究和總結，在無開挖面地層加固情況下，通過洞內盾體周圍注漿改良加固土體氣密性、泥膜滲透改良等技術措施，在臨近地面水系市政主干道下成功帶壓開倉檢換刀具三次，相關施工關鍵技術和經驗教訓可供類似工程借鑒。

關鍵詞：富水礫砂;上軟下硬;帶壓換刀

中圖分類號：TB ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.09.101

0 引言

南昌贛江流域特有的河相沖積礫砂層厚度大分布廣泛，沉積在泥質粉砂巖上呈現飽和、中密狀態，均勻性較差滲透系數大，尤其巖土交界面地下水處理困難。盾構在該富水礫砂上軟下硬地層掘進，因礫砂自穩性差，石英含量高刀具磨損快、泥質粉砂巖黏性高極易造成刀盤和土倉結泥餅、刀具偏磨等問題，嚴重影響盾構正常掘進且經常發生出土超量地面塌陷等險情，過程中主動和被動開倉清理檢換刀具無法避免。行業內研究富水風化巖、粘性土甚至砂土、砂卵石帶壓換刀技術已較多，如中鐵二局相關人員在成都富水砂卵石帶壓換刀技術系列研究成果和專利技術等。但對南昌富水礫砂上軟下硬地層帶壓換刀技術研究相對較少，其中上海公路橋梁公司董澤龍對南昌地鐵1號線房屋建筑下富水砂礫石復合地層盾構氣壓開倉施工技術進行了創新研究和應用，但也是在設置礫砂層雙液注漿預加固區后，盾構刀盤進入加固區情況下帶壓開倉。本文對南昌地鐵3號線某區間盾構在臨近地面水系、重要管線和市政主干道下方等復雜環境中被迫停機，且已被擾動的掌子面土體無預加固措施等情況下原位帶壓換刀技術進行研究和應用，通過地面管線局部注漿保護、盾體周圍氣密性封堵、泥膜滲透加固等技術措施，最終實現三次帶壓清倉和換刀成功，地面影響小盾構安全順利貫通，其關鍵技術措施及經驗總結成果具有較高創新和借鑒價值。

1 工程概況

南昌地鐵3號線某區間右線長1277m，隧頂埋深約8～17m。線路沿南昌主干道迎賓大道下方敷設，道路交通繁忙，因市政橋梁施工圍擋造成盾構停機處道路重型貨車及社會車輛長期擁堵。盾構主要掘進富水礫砂、泥質粉砂巖或其組成的上軟下硬地層。礫砂以石英、云母、長石及硅質巖為主，粒徑大于2mm的含量約占40%，SiO2含量90%左右，滲透系數為127.5m/d。泥質粉砂巖為中風化泥質結構，RQD=80%～95%，天然抗壓強度約11MPa。地下水位位于隧頂上6m，與鄰近梅湖連通。

隧道采用中鐵裝備6280復合式土壓平衡盾構機施工，刀盤為4輻條面板式復合刀盤，開口率36%。初裝中心刀為2把魚尾刀和2把齒刀，除周邊38#至40#采用17寸單刃球齒耐磨滾刀之外，其他滾刀位安裝超前齒刀。

盾構掘進異常被迫停機位置地面為迎賓大道，有兩根承插式DN1000給水管和DN800雨污合流管位于盾構上方兩側埋深1m左右。隧頂埋深11.7m，緊鄰梅湖水平凈距約43m，隧頂與湖底垂直凈距約7.5m。自上而下分別為雜填土、素填土、粉質粘土（厚約2m）、礫砂（厚約8m）、強風化及中風化泥質粉砂巖。洞身上部3/5及隧頂以上為富水礫砂、下部2/5為中風化泥質粉砂巖。

停機位置平面及地質縱斷面見圖1和圖2。

2 主要問題及風險分析

根據區間水文地質斷面，原計劃盾構掘進至第500環進入全斷面巖層后開倉檢換刀，但實際掘進過程中巖面提前出現。分析由于刀具配置及渣土改良控制不當等原因，盾構掘進至第370～372環期間，出現推力大（22000～24000kN）、扭矩大（4500～5500kN·m）、推進速度緩慢（5～10mm/min）、連續多出土地面塌陷等異常狀況，綜合評估若繼續掘進到前方道路中央風險更大，決定緊急停機就地開倉清理檢換刀具。綜合分析停機位置地面環境、地下管線和水文地質情況，開倉清理檢換刀存在以下幾個方面問題需要研究解決。

（1）盾構停機位置地面為主干道交通繁忙，盾構兩側有大直徑承插給水管、污水管且已存在滲漏風險，地面無交通疏解和大型設備長時間地基加固預處理或深井降水條件。

（2）刀盤位于上部富水礫砂、下部泥質粉砂巖的上軟下硬地層，降水效果有限，砂礫層和巖土交界面強風化層滲透系數大，且鄰近梅湖地層水力連通涌水風險高。

（3）隧道埋深較淺，礫砂層本身孔隙率大，加之盾構前幾環掘進沉降已強烈擾動地層，礫砂自穩性和其頂部粉質粘土層氣密性可能已被破壞，同時路面重型貨車等震動荷載對開倉作業也極為不利。

3 總體技術方案思路

綜合上述施工環境和類似施工經驗，對比各種盾構開倉方案適應性及優缺點，考慮到礫砂層及巖土交界面注漿加固止水效果無法保證，且有抱死盾構機風險，故僅利用有限地面場地對粉質粘土層以上的局部淺層雜填土進行袖閥管注漿，加固掘進沉降范圍松散土體和管線，同時增加地層氣密性。然后采用聚氨酯、膨潤土、CMC等非凝固性材料對盾構機周圍土體進行注漿改良和加固，土倉內置環壓注膨潤土泥漿滲透改良刀盤前方土體并形成泥膜，具備條件后人員帶壓進倉清理檢換刀具。

分析研究剩余區間隧道水文地質條件、前期盾構掘進情況和相鄰標段刀具配置經驗教訓，決定采用帶壓方式進倉，先全面清理土倉和刀盤泥餅，檢查并保留周邊38～40#17寸滾刀，視情況更換;其余滾刀位安裝的齒刀，按每根輻條逐一從外向內全部更換為17寸單刃滾刀。換刀方案根據倉內情況動態調整，若倉內穩定情況變差而刀具未全更換完，則立即停止人員帶壓作業，回填惰性砂漿建壓恢復掘進，后續另行計劃檢換刀點。

4 施工關鍵技術研究應用

4.1 地面輔助措施

臨時占用地面道路非機動車道及部分主車道，夜間圍擋進行地面注漿，選擇靈活性較好的袖閥管雙液注漿工藝。鑒于富水礫砂層注漿效果有限，同時避免鉆孔進一步破壞粉質粘土層氣密性，主要對粉質粘土層以上的回填土層范圍鉆孔注漿，管線兩側孔位適當傾斜加固管道下方，填充加固盾構機上方已沉降擾動的雜填土層和加固可能滲漏的管道周圍土體，增加地層氣密性及管道抗沉降滲漏能力。

注漿加固施工和監測布點完成后，在盾構刀盤上方路面鋪設2cm厚鋼板，地面人員全程監控量測反饋情況實時指導施工，帶壓作業期間監測頻率不低于3h/次。

注漿加固范圍平面尺寸5m×9m，刀盤前方3m后方2m，盾構機左右兩側各1.5m，加固深度為地面以下3m至7.5m，孔間距按1m×1m梅花形布置，鉆孔不得擊穿粉質粘土層。采用水泥水玻璃雙液漿跳孔一次性注入，量壓雙控，共注入水泥約35t。注漿加固主要參數見表1，注漿加固剖面見圖3。

4.2 盾體周圍土體改良

盾體周圍土體因連續掘進不正常，土層損失造成較大沉降擾動破壞，其氣密性和穩定性必然變差，為確保帶壓成功，須對周圍土體進行改良和加固?？紤]到保護盾尾刷、盾體及刀盤不被抱死，研究對比各類注漿材料，最終選取聚氨酯、膨潤土、CMC等非凝固性材料對盾體周圍砂礫層進行改良和適當加固，增加砂礫層黏聚力、氣密性、止水性和穩定性，僅在遠離盾尾刷3環以外的管片注入雙液漿加固止水。

為保護盾尾刷不被管片雙液注漿包裹，利用盾構4路同步注漿管注入膨潤土漿液保護管路和盾尾刷，總量按6m3控制。并在盾尾后三環管片注漿孔全環開孔注入聚氨酯隔離，順序從遠離盾尾環開始到距離盾尾三環止，每環先注下半部再注上半部，若壓力明顯升高或達到注入量即換注下一孔，最后開孔檢查周圍土體有無滲漏水情況，必要時補注。

然后同步對盾尾三環以外6環管片全環雙液注漿加固，在盾體徑向注漿孔和超前注漿孔上部巖土交界面和礫砂層先注入膨潤土泥漿，再注入聚氨酯改良加固。膨潤土注入量可適當加大，并反復多次壓注以盡量擴展改良周圍地層。盾體周圍土體改良見圖4。注入方法和控制原則同上，控制參數見表2，注漿時隨時觀察管片滲漏和變形情況。

4.3 漿液材料試驗研究

結合以往經驗，市面上的聚氨酯、膨潤土及CMC等材料品牌繁雜性能參差不齊，為保證土體改良加固效果，提前對上述注漿材料性能及配比等進行試驗研究。

4.3.1 聚氨酯材料試驗選擇

聚氨酯主要有水溶性和油性兩大類，差異在于發泡率、發泡后狀態和發泡時間等，由于非應急封堵暫不考慮添加催化劑輔助。通過購買市面上主要品牌聚氨酯進行試驗研究對比發現：水溶性聚氨酯遇水后，膨脹速度快，膨脹率較高，呈完整均勻類似橡膠的塊狀，結構密實具有一定柔韌性;油性聚氨酯遇水后，膨脹稍慢，膨脹率更高，呈現具有一定硬度和強度的不規氣孔泡沫則狀。根據礫砂土體改良和止水需求，考慮漿液盡量以滲透改良加固為主，故綜合比選最終選擇某品牌性能較好的水溶性聚氨酯。聚氨酯性能實驗照片見圖5。

4.3.2 膨潤土泥漿配比研究

常用膨潤土分為鈣基和鈉基類，CMC分為粉末型和絮狀型，其產地品類繁多，不同批次性能差異巨大，產品標識參數和經驗配比參考意義有限。為保證注漿改良加固和土倉泥膜建立效果，購買了市面上多種優質鈉基膨潤土和CMC進行現場配比試驗。最終泥膜建立要求膨潤土泥漿具有良好的密水性、穩定性和高粘稠度，直觀判斷手抓后沾手基本不掉落、水洗不易分解。泥膜配合比實驗見圖6。

通過不同品牌類型的膨潤土和CMC材料現場配比試驗，達到上述目標效果的漿液配合比見表3。純膨潤土漿液粘度計檢測在120s以上;混合后漿液比重約1.25g/cm3，泥漿稠度儀檢測在12cm內。

4.4 土倉泥膜建立技術

地面輔助措施、盾尾管片和盾體注漿施工完成檢查確認后，開始土倉泥膜建立。將盾構同步注漿管路轉接兩路到土倉承壓墻的球閥，按要求拌制好膨潤土泥漿轉入同步注漿箱，直接利用盾構同步注漿系統向土倉內注入膨潤土置換倉內渣土和建立泥膜，盾構操作室可觀察注漿參數和土倉壓力等，全程地面巡視監測，可能存在冒泡冒漿，地面輕微隆起等，屬正常情況。

開始注入膨潤土泥漿（A：不加CMC）時先不轉動刀盤，通過注入速度和螺旋機出土速度調節土倉壓力，使其略高于設定值0.2bar左右，由上至下緩慢置換土倉內的松散渣土。當注入膨潤土量達到6～10m3或螺旋機出土開始出現膨潤土泥漿時，說明松散渣土面已到底或膨潤土泥漿已串入底部螺旋機，此時以0.8r/min左右低速轉動刀盤攪拌，同時恒定土壓注漿和出土，以此逐漸置換提高倉內膨潤土泥漿濃度，直到螺旋機出土與注入膨潤土漿液表觀相近，視為渣土置換基本完成。根據土倉和刀盤結餅程度，膨潤土注入量15～20m3左右。

然后將同步注漿管路轉接至承壓墻下部球閥，關閉螺旋機，向土倉內注入膨潤土漿液（A+B：加CMC混合），同時以1.2～1.5r/min轉速正反轉動刀盤。膨潤土漿液根據土倉壓力恒定遞增需求注入，即恒定土倉壓力2.0bar轉動刀盤10min觀察土壓下降到基本穩定后，繼續同樣方式反復注入加壓恒定土壓到2.5bar、3.0bar轉動刀盤觀察，同步收回推進千斤頂5～10cm和收回鉸接千斤頂，利用土倉壓力和鉸接回收力盡量使盾構機刀盤后退，讓出掌子面形成完整泥膜厚度空間。最終以上部土壓在2.5bar以上，1h以上無明顯下降作為泥膜建立完成的控制標準。最后將刀盤停止在主輻條豎直的安裝點位，利于后續作業。泥膜建立示意見圖4。

4.5 帶壓進倉關鍵技術

確認土倉泥膜建立完成后，即可進行氣壓置換和帶壓進倉作業，盾構Samson自動保壓系統向土倉內按需動態壓注空氣恒定土倉內氣壓，提供作業人員安全作業環境。帶壓進倉相關作業技術已十分成熟，按照規范規定執行即可，過程中關鍵技術和措施總結有以下幾個方面。

4.5.1 土倉氣壓設置

根據《盾構法開倉及氣壓作業技術規范》，氣壓理論計算方法為P=Pw+Pr=1.3bar。根據停機位置地下水位情況，刀盤中心水壓Pw=0.9bar;Pr為壓力調整值，取0.4bar。

4.5.2 加氣置換進倉

將自動保壓系統壓力設置到1.3bar，螺旋機開始緩慢出土，當土壓降至1.25bar時，立即開啟自動保壓系統并繼續出土，通過主倉旁承壓墻上的平衡閥出氣情況，判倉內渣土位置，同時進行有害氣體檢測。根據出土量估算倉內渣土高度，將渣土降至刀盤中心或稍偏下位置位置。隨后進行保壓試驗，2h左右土倉壓力基本沒有變化視為達到進倉條件。出土氣壓置換及換刀過程中，全程嚴禁轉動刀盤。

保壓試驗合格后，作業人員做好準備進入人閘主倉，操倉人員開始加壓，按照0.1bar/min勻速加壓，總時間控制在15min左右。加壓到土倉壓力后，開啟平衡閥使土倉和主倉氣壓平衡，人員打開倉門確認倉內情況。

4.5.3 倉內作業關鍵技術

倉門打開后，作業人員送入移動攝像頭，地面監控人員通過移動攝像頭先觀察倉內情況，確認安全后作業人員再進倉仔細觀察，確認倉內穩定無滲水現象，但土倉內主臂和刀盤結泥餅嚴重，隨即按照既定方案首先進行土倉泥餅清理作業，再清理刀箱泥餅，然后按照先周邊、后面板中間和先易后難的原則將具備更換條件的撕裂刀更換為單刃滾刀。由于礫砂層穩定性差風險大，清倉過程中嚴禁為方便清理轉動刀盤及向刀盤沖水，清理的渣土在人員出倉后可利用螺旋機將倉內渣土緩慢出空。

每倉作業人員3人，帶壓作業時間控制在3.5h內，總共配置4倉12名帶壓作業人員連續作業，其余操倉人員、各崗位值班人員、輔助人員按需兩班配置。過程中按照規定頻率及時查看記錄空壓機負荷率、氣壓表壓力以及倉內穩定情況，地面監測和巡視隨時反饋情況。作業完成后，必須將拆卸刀具、螺栓、換刀工具等機具材料全部清理出土倉，經管理人員清點確認無遺留后，作業人員撤離關閉倉門。

在清倉后發現刀盤周邊38～40#滾刀磨損較小無需更換，第一次利用8倉將上部具備更換條件的撕裂刀更換為單刃滾刀后，倉內氣壓穩定情況明顯下降，隨即同樣方法填倉重新建立泥膜，每次重建泥膜后可連續工作約10倉，地層保氣效果逐漸變差巖土交接面有流水現象，地面潑水檢查冒氣情況由無到有再到大量冒氣，最終在更換19把刀具后判斷風險較高不宜繼續進倉作業，決定填倉恢復掘進。倉內結餅情況和周邊單刃球齒滾刀照片見圖7。

5 恢復掘進效果

土倉清理和刀具更換完畢后，向土倉內注入惰性砂漿填倉建壓到掘進土壓。過程中通過承壓墻平衡閥排氣，使倉內壓力基本恒定直至滿倉狀態，然后緩慢轉動刀盤，逐漸增加推力掘進，避免因起始貫入度過大造成新換刀具異常損壞。恢復掘進過程中盡快建立正常土壓，并根據監測情況適當增加同步注漿量控制地面沉降?；謴途蜻M后各項施工參數明顯改觀，順利掘進400多環全斷面巖層到計劃換刀點。換刀前后掘進參數對比見表4。

6 結論與建議

通過上述試驗研究和相關關鍵技術措施，成功在復雜環境富水礫砂上軟下硬地層中帶壓開倉將19把撕裂刀更換為單刃滾刀，恢復掘進參數明顯改觀并順利掘進400多環至計劃換刀點。帶壓換刀期間地面累積沉降-3.69mm，DN1000給水管累積沉降-2.24mm。該區間兩臺盾構采用同樣施工技術在后續類似水文地質情況下成功帶壓換刀兩次，對類似工程具有較高的借鑒價值?？偨Y試驗研究和關鍵技術應用過程還有以下經驗教訓和建議以供參考：

（1）該類復雜環境和富水礫砂層總體穩定性和氣密性較差，即使在泥漿滲透改良和泥膜建立后保氣時間有限風險較高，應盡可能避免帶壓開倉作業，在地面整體預加固地層后刀盤進入帶壓或常壓開倉。

（2）市場上膨潤土、CMC、聚氨酯品類繁多批次性能差異極大，標稱性能參數和經驗配比參考意義有限，必須進行現場實驗確定配比參數。

（3）該類地層帶壓值應根據計算值和實驗穩定氣壓值綜合選擇，一般帶壓值高于計算0.2～0.3bar，并宜在1.6bar內。帶壓超過1.6bar人員加減壓時間大幅增加效率驟減，應考慮調整方案或增加措施。

（4）帶壓過程中巖土交界面最先出現流水現象，是類似地層帶壓開倉最不利部位，應高度重視并在盾體注漿時予以加強，倉內作業時隨時觀察。

（5）在該類水文地質環境帶壓換刀，過程中應盡量避免為清倉換刀方便隨意轉動刀盤影響土體及泥膜氣密性和穩定性，轉動刀盤后應重新建立泥膜降低風險。

參考文獻

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