上軟下硬地層中盾構(gòu)刀具置換前掌子面加固技術(shù)

（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 100000）

1 工程概況

廣州地鐵13 號線5 標(biāo)夏園站至南崗站區(qū)間，西南起夏園站，東至南崗站，線路大體上沿黃浦東路敷設(shè)，途經(jīng)金竹山路、丹水坑路、亨元路等路口，黃浦東路現(xiàn)狀為雙向6 車道，交通繁忙；區(qū)間沿線的重要建構(gòu)筑物主要有新港鐵路支線、開發(fā)大道立交、領(lǐng)好廣場、砂涌人行天橋、沙步天橋等。本區(qū)間共設(shè)置五個聯(lián)絡(luò)通道，三個工作井（一個臨時礦山法施工豎井，一個中間風(fēng)井兼礦山法施工豎井，一個盾構(gòu)井兼軌排井）。區(qū)間右線起止里程為YDK47+683.200～YDK50+198.400，全長2515.200m；左線起止里程為：ZDK47+683.200～ZDK50+190.013，全長2506.813m。

隧道地層起伏變化較大，穿行區(qū)域在花崗巖及粘土層、砂層中不斷變換，致使刀盤刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻繁。區(qū)間在第3次換刀處的地層構(gòu)成為人工填土、淤泥質(zhì)粘土、花崗巖及微風(fēng)化花崗巖，地下水勘探期間埋深約0.0～7.6m，水量豐富，主要為第四系孔隙潛水，局部具承壓性。

2 工程難點(diǎn)

工程難點(diǎn)具體體現(xiàn)在以下兩方面：

1）換刀時掌子面要求穩(wěn)定。盾構(gòu)機(jī)刀具更換時間成長，需要掌子面長時間穩(wěn)定。掌子面地層上軟下硬，且地下水豐富，開倉后土體沿著基巖面滑動的可能性非常高，因此，換刀時隧道掌子面穩(wěn)定、不發(fā)生坍塌及滲水是工程的重中之重。

2）隧道正上方為主干道，交通流量大，換刀時除不發(fā)生塌陷外，還要確保地面正常交通，因此，換刀時控制地表沉降為工程的又一難點(diǎn)。

3 解決難點(diǎn)的技術(shù)措施

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔勘查資料，掌子面土體主要為人工填土、淤泥質(zhì)粘土及花崗巖，地下水豐富，地下水位-1.8m。換刀處巖層與土體之間為斜面，傾斜角度約40°，與土體接觸面巖石抗壓強(qiáng)度85MPa，土體及巖層強(qiáng)度突變明顯，如果不采取措施，掌子面土體不能自穩(wěn)。為了確保掌子面穩(wěn)定，防止土體滑塌尤其是沿著巖石面滑塌，決定采取以下幾個措施：

1）在掌子面前方30m×30m范圍內(nèi)對土體進(jìn)行注漿加固，注漿管采用直徑φ100mm@1.5m×1.5m的PVC塑料管，梅花形布置。

2）巖石與上部土體的連接緊密不滑移是技術(shù)關(guān)鍵。用地質(zhì)鉆機(jī)從地面進(jìn)行鉆孔，孔徑120mm，鉆孔深度以進(jìn)入巖層1m為控制深度。鉆孔完成后，將加工好的PVC管（管上布置直徑φ8mm@15mm×15mm的注漿孔）插至孔底，然后進(jìn)行后退式注漿，注漿完畢后形成一個以100mm為中心的水泥土柱，類似于垂直的土釘，通過土釘?shù)目辜粲行Х乐雇馏w滑動。

4 措施實(shí)施

4.1 后退式注漿

在注漿管內(nèi)插入活塞，通過輸送管將水泥凈漿送至注漿管，水泥漿液通過出漿孔進(jìn)入土體。淤泥質(zhì)粘土孔隙率小，漿液不容易擴(kuò)散，因此注漿前要進(jìn)行計算，控制注漿壓力及注漿量，目的是以填充的注漿管為中心，擴(kuò)散范圍0.75～1m內(nèi)形成一個水泥土柱。土體在漿液的填充、壓密作用下，土體內(nèi)的自由水及空氣由水泥漿液取代，形成土體與水泥顆粒物組成的混合體，注漿后巖土介質(zhì)的物理性能和化學(xué)性能會發(fā)生相應(yīng)改變，其中最能反應(yīng)巖土工程穩(wěn)定狀況的參數(shù)內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ及壓縮模量Es都會有不同程度地提高[1]。

4.2 注漿壓力確定

注漿壓力是能否形成水泥土柱的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[2]。壓力過大漿液擴(kuò)散范圍太大，壓力過小漿液擴(kuò)散不足，均達(dá)不到注漿效果。本工程根據(jù)現(xiàn)場鉆孔勘察，淤泥質(zhì)粘土孔隙比0.75，注漿填充后預(yù)期土柱平均孔隙比0.15；漿液擴(kuò)散半徑控制在1.2m。對單個注漿管進(jìn)行分析，注漿時出口壓力隨著擴(kuò)散半徑的增加很快衰減，出漿口注漿壓力為P1時對應(yīng)的填充后孔隙率為e1，擴(kuò)散到1.2m時注漿壓力與土體空隙水壓相同，漿液停止流動；漿液填充后土體的密度由中心逐漸遞減，取R=0.75m為單根注漿管的有效擴(kuò)散半徑。

經(jīng)過半徑R擴(kuò)散后注漿壓力衰減為P2，對應(yīng)的填充后孔隙比為e2，注漿壓力與注漿填充后土體孔隙比的關(guān)系見式（1）：

式中，

e0—注漿前土體孔隙比；

e1—注漿壓力為P1時，注漿后土體孔隙比；

e2—注漿壓力為P2時，注漿后土體孔隙比；

P1—出漿口注漿壓力，MPa；

P2—衰減后注漿壓力，MPa；K—擬合系數(shù)。

通過計算，出漿口壓力0.8MPa。考慮到注漿管壓力損失，注漿機(jī)儀表壓力取1MPa。

4.3 注漿量確定

注漿量由土體的孔隙填充率、漿液擴(kuò)散半徑等參數(shù)決定。本工程注漿量=注漿管填充量+有效擴(kuò)散量。

注漿空隙填充率可通過式（2）計算：

式中，

n0—注漿前土體孔隙率；

n1—出漿口土體孔隙率；

n2—0.75m處土體孔隙率。

結(jié)合式（2），本工程土體注漿量如下式（3）所示：

式中，

R1—注漿管半徑，m；

R2—有效擴(kuò)散半徑，m；

H—注漿加固體長度，m；

B—漿液損耗系數(shù)，取1.1～1.3。

經(jīng)計算，本工程每孔注漿量為9m3。

5 加固后土體指標(biāo)及效果分析

5.1 土體指標(biāo)

土體加固前的物理參數(shù)見表1。

表1 加固前巖土物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)表

加固完畢后，為檢驗(yàn)注漿后土體孔隙比是否合格，在注漿孔及距離注漿孔0.75m處分別鉆孔取芯并實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)表明土體各項(xiàng)指標(biāo)有了明顯的改善，見表2。

表2 加固后土體巖土物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)表

5.2 實(shí)施效果

土體加固完成后，進(jìn)行開倉試驗(yàn)，倉門打開后，掌子面土體穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象，具備常壓換刀的基本條件，方案獲得成功。

同時，在換刀期間對地表進(jìn)行了加密監(jiān)測：注漿加固前地表最大沉降9mm，注漿使得地表輕微隆起，最大隆起5mm，刀盤刀具置換時間是8d，置換后地表最大沉降7.5mm。在施工過程中管線一直處于安全狀態(tài)，取得了滿意的實(shí)施效果。

6 結(jié)語

綜上所述，由于盾構(gòu)機(jī)在穿越粘土、基巖等復(fù)雜地層時刀盤刀具極易磨損，因此，頻繁更換刀具就成了必然。在更換刀具過程中，不僅要保證掌子面穩(wěn)定，還需有效控制地表沉降。本文通過對地質(zhì)情況分析，采取在巖層中嵌固水泥柱體及加固巖層上方土體的方式，有效地解決了上述難題，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。