富水砂卵石地層盾構開倉換刀對掌子面穩定性影響

摘要：基于南水北調配套工程團城湖到第九水廠（二期）工程第二標段工程，通過數值模擬研究砂卵石地層盾構開倉換刀對掌子面穩定性影響，以此選出合適的倉內換刀方法。研究結果表明：在開倉換刀時確定極限支護壓力和氣壓值，可以防止開挖面涌水和穩定性問題；通過加壓開倉換刀技術完成了10次刀作業，累計更換213把刀具；采取倉內加壓方法、穩定開挖面措施和安全保障措施，可減少安全事故發生。

關鍵詞：盾構機；數值模擬；開倉換刀；壓力值

0" "引言

目前，已有許多學者對盾構機掘進應用進行了研究。鄺樹華[1]利用新型泥膜技術，對開倉換刀方法進行研究。張德文等[2]通過分析盾構掘進的工程經驗，研究了含水量在較高地層中開倉換刀作業的危險系數。谷星[3]對施工現場地質環境進行分析，在此基礎上對盾構開倉換刀技術進行研究。連小濤等[4]通過實際工況總結了相關技術要點。林寧[5]以福州地鐵工程為實例，通過研究開倉準備以及施工過程等分析施工質量控制要點。張宗喜等[6]總結盾構機在復雜地層中的施工工藝，得出泥膜需全部覆蓋于掌子面上，且加壓和降壓過程需要分部進行。

上述文獻對開倉換刀研究較少，且考慮不夠全面，導致施工易出現施工風險。本文基于南水北調配套工程團城湖到第九水廠（二期）工程第二標段工程，通過數值模擬，研究砂卵石地層盾構開倉換刀對掌子面穩定性影響，以此選出合適的倉內換刀方法，為規定工期內完成作業提供保障。

1" "工程概況

項目為南水北調配套工程團城湖到第九水廠（二期）工程第二標段。工程輸水隧洞通過盾構機進行施工，斷面為圓形，外徑達到6.0m，凈尺寸達到5.4m，屬于襯砌結構。工程盾構采用C50W10F150型預制混凝土管片。該項目途經海淀區西北旺鎮等地，地貌屬于斜坡帶，基巖起伏較大，西側背靠香山，最高海拔571m。

南水北調調線段屬于永定河流域與北運河流域交錯地帶，途徑清河。清河由西向東，河底低于地平面7～8m。施工現場附近有大量市政基礎設施，且分布復雜，地上擁有各種大橋，地下地鐵和城市管線環繞。施工場地屬于暖溫帶半干旱季風氣候。氣溫在11～12℃，降雨量變化較大，降雨多集中在夏季，最大年降水量可達到1050mm。

2" "極限支護壓力和氣壓值確定

面對盾構隧道施工過程中，開倉施加氣壓是盾構機開倉作業的基本工序。但施加氣壓情況主要靠經驗來判斷，沒有相關依據，因此存在不可預測性，從而增加換刀作業的風險系數。本文通過數值模擬，確定開倉換刀作業的極限支護壓力和氣壓值，從而為實際工況提供可靠性。

2.1" "避免開挖面涌水壓力值

在開倉換刀時，面對殘積土等軟土地層或者斷面層上部為可塑狀黏土層、下部為部分砂卵石地層時，易出現危險事故。本文通過數值模擬計算換刀工況個壓力值，本文工況主要分為兩種，具體情況如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知，工況1在下行線第6次開倉換刀處，全斷面為殘積土，且在隧道頂部7.2m處為地下水位線；工況2在上行線第2次開倉換刀處，該處為砂卵石地層，且隧道頂部7m處為地下水位線。該區域的土層力學指標如表1所示。為防止開挖面涌水，在工況1中加壓值設為0.11MPa，工況2加壓值設為0.1MPa。

2.2" "開挖面穩定壓力值

利用數值模擬分析盾構機開挖面在穩定狀態下的壓力值。計算模型以三維模型為基礎，長寬高分別為64m、51m以及34m，模型自由邊界在地表之上，底部固定。為保持模型穩定性，在模型邊緣附加法向位移約束，具體情況如圖3所示。

模型以3個流程開始：一是開挖面處施加支護壓力加上支護壓力；二是土體剛度折減和圍巖應力釋放；三是移除土體并加上管片，之后便進行下一步開挖。計算模型采用摩爾-庫倫理論，并模擬盾構機管片力學情況，其中泊松比為0.17，盾構管片重度為24.5kN/m³，彈性模量為34500MPa。通過數值模擬，可以得到支護應力比與開挖面位移情況，具體情況如圖4和圖5可知。

由圖4和圖5可知，支護應力比與開挖面最大水平位移呈反比，開挖面最大水平位移越小，支護壓力比越大。盾構機在開倉換刀時面對工況1時，支護應力比為0.14；工況2在開倉換刀時的支護應力比為0.13。

通過控制開挖面土體位移絕對值大小，可以使工況1開倉換刀支護應力為72kPa，而工況2的支護應力為42kPa。在加壓開倉換刀時，渣土被移除后，土壓會有所降低，使得盾構機頂部氣壓高于原有土壓，由此可得到兩種工況下開挖面失穩破壞準則與支護壓力平衡的氣壓值。其中工況1的位移突變為44kPa，其限制土體位移絕對值為82kPa；工況2的位移突變為41kPa，其限制土體位移絕對值為52kPa。

2.3" " 氣壓值確定

在安全狀態情況下壓力值是最高的，開挖面也較穩定，但壓力值太高會對個人身心健康帶來威脅。因此需在滿足開挖面穩定性及工人身心健康基礎上，選出最佳氣壓。本試驗采取3種氣壓值，以50kPa為最小氣壓值，并以此類推增加50kPa進行加壓試驗，最終設定開倉換刀氣壓值的工況1的加壓值為150kPa；工況2的加壓值為 130kPa。

4" "穩定狀態下開挖措施

4.1" "基于泥膜的穩固措施

開挖面復雜松散時，在試驗前期，通過制作泥膜來達到開挖面穩固的目的，從而使氣體不會輕易流失。泥膜在注入泥漿時可將倉內渣土替換出來，直至倉壁釋放出高黏度泥漿。

泥膜制作分級加壓過程中，檢測泥漿的基本參數，每30min進行一次比重和黏度檢測。確認泥漿應用效果是否能夠達到預期，并在此基礎上觀察泥漿是否被稀釋，從而引起地層出現沉降。開倉換刀狀態下工況1的加壓值為150kPa，工況2的加壓值為130kPa。選用高黏度膨潤土泥漿，其中3級加壓分別為150kPa、180kPa、200kPa，且泥漿注入、置換以及靜置過程時間每次不能超過8h，確保壓力穩定時間大于3h，讓穩定壓力值波動在10kPa。

4.2" "壓力維持措施

在富水砂卵石地層盾構開倉換刀作業過程中，采取分段排土的方法，并在此基礎上實行加壓方式。壓力維持措施具體操作過程如下：采用分階段排土和加壓方式；向盾構機倉內加氣，使倉內氣壓比初始土壓力高出0～10kPa；之后便進行下一階段排土，直至達到倉內1/3高度處。在富水砂卵石地層盾構開倉換刀過程中維持此壓力，使氣壓波動值維持在10kPa。

4.3" " 注漿加固措施

對于注漿加固措施，需要對鄰近盾尾1到3環管片注漿需保持平穩，保證壓力一致，用量一致，并加做環箍封堵可能出現的裂隙水。在盾構機前部注漿，為在拱頂部位孔中打入注漿芯管，并在此基礎上對地層進行加固，從而封堵盾構機殼周圍的孔隙水。其操作要點如下：

盾構機通過鉸接油缸掘進向前，當掘進路程駛出80mm時，停止盾構機移動，收縮鉸接油缸，使刀盤離開掌子面小段距離，離開距離維持在50mm左右。注漿前需開啟加泥系統，使泥漿灌滿倉內，泥漿量通過倉壓來控制。

注漿須自上而下進行，通過控制注漿速度，使每次漿液擁有1min的凝結時間。在作業過程中漿液易外溢，從而導致盾構機無法正常工作，為此通過保壓注漿尤為重要。通過保壓系統向盾構機倉內加入壓。氣壓值不得大于刀盤主軸的承壓值，以防漿液外溢現象。

在拱頂超前注漿時，注漿芯管需鑲嵌入巖層，然后對切口環進行封堵并加固地層。之后將作業面清理干凈，進行澆筑C25混凝土，混凝土墊層厚度為20cm。

5" "施工效果

該項目附近有各類市政基礎設施，分布復雜，為施工帶來一定困難。施工地點地上有五環路紅山口橋、北安河橋等，地下則是地鐵密布以及一些基礎設施管線等。該工程突出特點是地層復雜且存在硬巖層。在該地層施工容易引起盾構機刀具磨損加劇、更換頻繁。

將該工程分為兩段，其中樁號2+201～3+050段為上行線，樁號3+050～3+908為下行線。2020年8月29日至2021年5月14日，該工程通過加壓開倉換刀技術完成了10次刀作業，并對刀具進行檢修，累計更換213把刀具。 本工程由于采取倉內加壓、相關開挖措施和安全措施，降低了因盾構機作業換刀發生事故的風險，使作業得以順利完成，為工程在規定工期內完成作業提供了安全保障。

6" "結語

本文基于南水北調配套工程團城湖到第九水廠（二期）工程第二標段，通過數值模擬，研究砂卵石地層盾構開倉換刀對掌子面穩定性影響，研究結果如下：

為了防止開挖面涌水和穩定性問題，在開倉換刀時確定極限支護壓力和氣壓值方法，并通過試驗得出該方法的合理性。通過加壓開倉換刀技術完成了10次刀作業，并對刀具進行檢修，累計更換213把刀具。采取倉內加壓法、相關開挖措施和安全措施，降低了因盾構機作業換刀發生事故的風險，使作業得以順利完成，為工程在規定工期內完成作業提供了安全保障。

參考文獻

[1] 鄺樹華. 衡盾泥輔助帶壓開倉換刀技術的實踐應用[J].工程建設，2020，52（10）：55-60.

[2] 張德文，魏慶溫，黃興.富水巖溶地層衡盾泥帶壓開倉換刀技術及應用[J].土工基礎，2020，34（1）：4-8.

[3] 谷星.盾構開倉換刀施工技術研究[J].工程機械與維修，2022（1）：109-111.

[4] 連小濤，劉鵬程，林寶剛，等.上軟下硬地層土壓平衡盾構機常壓開倉換刀技術[J].鐵道建筑技術，2019（10）：143-146+159.

[5] 林寧.地鐵盾構加壓開倉換刀施工中的質量安全控制[J].福建建筑，2014（11）：64-66.

[6] 張宗喜，辛振省.復雜地層泥水盾構開倉換刀施工技術研究[J].鐵道工程學報，2013，30（3）：62-65+96.