復(fù)雜地層土壓平衡盾構(gòu)開倉換刀關(guān)鍵技術(shù)研究

曹殿彬、高宏博、左付超

（濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250000）

0 引言

盾構(gòu)法作為地鐵隧道施工的主流工法，在復(fù)雜地層施工過程中需要穿越大量的孤石、超高強(qiáng)度巖層和軟硬不均地層，刀具磨損嚴(yán)重[1]，需要進(jìn)行定期維護(hù)，甚至是換刀作業(yè)[2]。刀具維護(hù)和換刀操作需要開倉作業(yè)[3]，開倉施工中容易出現(xiàn)涌水、涌砂及掌子面坍塌等事故[4]，存在著較高的風(fēng)險[5]。

本文依托濟(jì)南地鐵一期二號線工程，針對復(fù)雜地層土壓平衡盾構(gòu)開倉換刀關(guān)鍵技術(shù)難題開展了以下研究，主要包括了開倉位置選擇、開倉方案、施工監(jiān)測等，取得一定成果為同類工程提供借鑒。

1 復(fù)雜地層土壓平衡開倉換刀技術(shù)

1.1 工程概況

濟(jì)南地鐵二號線車站區(qū)間起點里程右SK2+142.407，終 點 里 程 SK5 + 614.906，區(qū) 間 全 長3473.809m，采用盾構(gòu)法施工，線間距10.2～16.75m，最小曲線半徑R=400m，區(qū)間最大縱坡24‰，拱頂埋深10.12～42.4m。區(qū)間線路主要穿越地層為黃土、粉質(zhì)黏土、黏土、中風(fēng)化石灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r。區(qū)間沿線地下水位標(biāo)高24～36m 不等，以第四系松散孔隙水和碳酸鹽巖巖溶水為主，車站區(qū)間地質(zhì)斷面如圖1所示。

圖1 車站區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖

1.2 盾構(gòu)機(jī)及刀盤配置

工程投入4 臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（2 臺土壓平衡式、2 臺復(fù)合土壓平衡式）進(jìn)行掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)的開挖直徑為6680mm，最大掘進(jìn)速度可達(dá)到80mm/min。穿越黏土等軟土地層與長距離的中風(fēng)化石灰?guī)r、全風(fēng)化石灰?guī)r等硬巖地層時，采用結(jié)構(gòu)為6 個輻條+6 個面板，滾刀開口率為37%，中心雙聯(lián)滾刀6 把，單刃滾刀37 把的輻條面板式復(fù)合式刀盤；穿越黃土、粉質(zhì)黏土等軟土地層時，采用結(jié)構(gòu)為4 個輻條+4 個面板，撕裂刀開口率為40%，中心撕裂刀4 把，可更換撕裂刀33 把的輻條面板式復(fù)合式刀盤。盾構(gòu)機(jī)刀盤如圖2所示，盾構(gòu)工籌圖如3所示。

圖2 盾構(gòu)機(jī)刀盤圖

2 復(fù)雜地層施工技術(shù)措施

2.1 開倉位置選擇

圖3 盾構(gòu)工籌圖

根據(jù)地質(zhì)勘探報告發(fā)現(xiàn)濟(jì)南地鐵二號線車站區(qū)間石灰?guī)r地層穩(wěn)定，巖石強(qiáng)度較高，但存在溶洞及承壓溶巖裂隙水，為保證安全開倉位置，需選擇巖石強(qiáng)度較高、自穩(wěn)性較好、地面無建構(gòu)筑的中風(fēng)化石灰?guī)r中來完成。盾構(gòu)施工前，已對隧道影響范圍內(nèi)的溶洞進(jìn)行處理，溶洞處理施工時勘察孔在隧道中心線上，根據(jù)溶洞處理時勘察孔的情況，換刀點選擇在無溶洞或者溶洞處理達(dá)到要求的地方。

2.2 刀具更換標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)施工狀況和刀具磨耗監(jiān)控量測情況，應(yīng)以主動檢查更換刀具為主、被動檢查更換刀具為輔的方式。根據(jù)所配備刀具類型及磨損規(guī)律，刀具更換磨損量臨界值如下表1所示，若磨損量超出該數(shù)值，則應(yīng)進(jìn)行更換。

表1 刀具更換磨損量臨界值

2.3 開倉方案

帶壓開倉換刀周期長、程序繁瑣且機(jī)械設(shè)備保壓性能要求高，適用于地基軟弱的封閉地層，項目決定采用常壓開倉換刀的方案。常壓進(jìn)倉前，先通過盾體隔板檢查孔對土倉進(jìn)行檢查。

2.3.1 開倉準(zhǔn)備

選擇附近自穩(wěn)性較好地層，盾構(gòu)到達(dá)預(yù)定進(jìn)倉里程點之前的兩環(huán)，必須對渣土進(jìn)行很好的改良，以便于螺旋輸送機(jī)排渣。盾構(gòu)停止掘進(jìn)，刀盤停止旋轉(zhuǎn)，刀盤倉室內(nèi)充滿已經(jīng)得到很好改良的渣土。同時從盾尾倒數(shù)第三環(huán)開始連續(xù)三環(huán)進(jìn)行單液漿和雙液漿密封回填，確保管片壁后空隙填充密實，無流水涌入刀盤，同時根據(jù)地下水位和地質(zhì)條件，確定進(jìn)倉時內(nèi)部的環(huán)境。

2.3.2 開倉措施

刀具更換作業(yè)人員需提前與操控司機(jī)溝通交流，明確開倉時間和地點。在螺旋機(jī)停止出渣后，盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)掘進(jìn)，拱頂土壓力到1.5bar 左右停止掘進(jìn)。把推進(jìn)千斤頂收回3～4cm，并收鉸接油缸，使刀盤和掌子面有3～4cm 的間隙，保證換刀間隙。打開位于土倉壁上方兩個球形閥門，將厚度約15mm 的鋼筋插入土倉，根據(jù)監(jiān)測鋼筋插入過程來判別土倉內(nèi)土體狀態(tài)。同時檢測并記錄土倉中有毒氣體的含量。若有毒氣體的含量超過規(guī)定值，可將空氣注入土倉稀釋，并使用球閥排放。開倉前氣體檢測標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，隧道通風(fēng)如圖4所示。

表2 氣體檢測標(biāo)準(zhǔn)表

圖4 隧道通風(fēng)示意圖

2.3.3 刀具檢查與更換

盾構(gòu)刀具檢查的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：一是檢查刀具上螺栓是否存在脫落現(xiàn)象；二是檢查滾刀刀圈是否存在明顯裂紋、偏磨和斷裂等現(xiàn)象；三是檢查刀環(huán)是否移位；四是檢查滾刀刀體是否有漏油或軸承損壞等。規(guī)定中心滾刀和正滾刀刀圈允許極限磨損量25mm，邊滾刀允許極限磨損量15mm，當(dāng)滾刀達(dá)到極限磨損時，必須進(jìn)行刀具更換。

換刀作業(yè)過程中，應(yīng)該按照從中心刀依次向外圈的順序開始更換。使用2T 手動倒鏈吊起拆掉的刀具，采用按順更換吊點的方法將刀具運(yùn)出。在拆刀時，艙外人員把待更換刀具安裝至機(jī)頭并將刀具旋轉(zhuǎn)到機(jī)頭正上方位置，再利用2T 手動倒鏈將待更換刀具懸掛在頂部后推進(jìn)缸內(nèi)。采用拆刀時反順序依次安裝新刀，按照規(guī)定要求使用相應(yīng)設(shè)備擰緊螺栓。

2.4 施工監(jiān)測

依據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，對比原始數(shù)值，得出時態(tài)曲線，利用回歸分析法推算最終結(jié)果，從而判斷巖土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，根據(jù)分析結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)。

2.4.1 地表沉降

地表沉降監(jiān)測點埋設(shè)時應(yīng)選取1～2 個參照點，參照點應(yīng)選取在地表沉降影響較低的穩(wěn)定性區(qū)域，參照點的確切埋設(shè)位置需根據(jù)現(xiàn)場實際情況而定。此次所測地表沉降監(jiān)測點與參照點之間的相對高差與上次所測相對高差的差值，作為此次地表沉降監(jiān)測沉降值。地表沉降監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)在-20～10mm，日速率為2mm/d。

2.4.2 管線監(jiān)測

在換刀區(qū)域30m 范圍地面附近有管線時，對所有管線進(jìn)行監(jiān)測，每條管線布置2 排斷面監(jiān)測點。有壓管線檢測控制值標(biāo)準(zhǔn)為-10～10mm，無壓管線檢測控制值標(biāo)準(zhǔn)為-20～10mm，日速率為2mm/d。

監(jiān)測頻率和開倉地面檢測點布置如表3、圖5所示。

表3 監(jiān)測頻率表

施工監(jiān)測過程中，施工事故的發(fā)生都會提前引起監(jiān)測數(shù)據(jù)異常，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)后應(yīng)立即停止施工并上報總工程師和監(jiān)理工程師，對發(fā)生事故原因進(jìn)行分析后采取相應(yīng)的措施。

對管線監(jiān)測過程中，如果發(fā)現(xiàn)管線破裂應(yīng)立即采取措施。當(dāng)給水管破裂時，應(yīng)及時聯(lián)系產(chǎn)權(quán)單位并關(guān)閉上游閥門，防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大；當(dāng)電力電纜破壞時，應(yīng)及時通知電力局對其進(jìn)行處理，避免施工人員觸電。

在對地表沉降監(jiān)測過程中，如果發(fā)現(xiàn)地表沉降過大導(dǎo)致局部坍塌，應(yīng)立即停止施工并啟動應(yīng)急預(yù)案，組織施工現(xiàn)場立即撤離土倉，并在土倉內(nèi)填充膨潤土砂漿，然后對坍塌區(qū)域下部注雙液漿防止地表再次坍塌。

2.5 其他

換刀作業(yè)可能會出現(xiàn)落物砸傷，觸電、跌落、坍方、涌水、中毒窒息等突發(fā)情況。出現(xiàn)以上情況時一定要保持冷靜，首先保障人員安全，堅持先救人后救物的原則。

3 結(jié)語

通過對濟(jì)南地鐵二號線車站盾構(gòu)區(qū)間施工土壓換刀作業(yè)與監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究和總結(jié)，成功規(guī)避了盾構(gòu)換刀過程中的主要風(fēng)險，確保了施工人員和周邊環(huán)境安全，使得工程在質(zhì)量、成本、工期等方面得到了有效保障，為后續(xù)盾構(gòu)開倉換刀提供了堅實的技術(shù)支撐。