土压平衡盾构在富水砂卵石地层带压换刀工法

土压平衡盾构在富水砂卵石地层带压换刀工法

吴保应赵永刚

中国水利水电第四工程局有限公司青海省西宁市810000

1.前言

盾构施工以其安全、快速、高效在城市基础设施——城市地铁、市政公用管路建设中得到越来越广泛的应用。当盾构机在硬岩或自稳能力较强的地段掘进时，因地层本身有自稳能力，不需要在土舱蓄压以提供额外支撑压力，这种情况下可在无压下直接进入刀盘作业。盾构施工中不可避免的要遇到复杂地层、要穿江过河、也要经过密集建筑群。而盾构上承担掘进功能的刀盘刀具是损耗件，在施工一定长度后达到磨损极限就得检查更换，在这种复杂施工环境条件下，很难实现敞开式检查和维修保养、刀具更换，利用人员舱带压进行换刀可以安全快速地解决这一难题。

2.工法特点

1采用新型材料“克泥效”进行土仓外壁止水。（克泥效：一种新型止水材料，成牙膏状不易分散，止水效果明显）。

2采用稠、稀两种膨润土交替灌注方式，进行土仓泥膜建立，泥膜稳定性好、密封严实。

3利用土压平衡式盾构机土压平衡的特点，向土仓中持续送风保持土仓压力与仓外土体压力持平，支撑土体防止塌方。

4采用双观测法保证施工安全，洞下观察土仓压力变化，隧道上方测量人员每10钟进行地表沉降观测，随时反应隧道变化。

3.适用范围

盾构机在上软下硬地层、地下水量丰富、砂卵石层带压换刀

4、应用实例

深圳地铁7号线皇岗口岸站至福邻站区间盾构施工

4.1工程概况

深圳地区地貌大体可分为山地、台地及海岸3个地貌带地质条件极为复杂多变，即有类似于北京、河北地区的硬土，也有类似于上海、浙江地区的软土，还有类似于重庆、青海等地区的硬岩，这决定了盾构施工必然也具有复杂、多样、多变、困难等特征。

深圳地铁七号线皇岗口岸~福邻区间左线设计里程范围为DK19+258.078～DK20+109.011，长链8.795m，全长859.728m，右线设计里程范围为DK19+258.078～DK20+109.017，长链40.730m，全长891.669m。地质复杂多为上软下硬地层，上软下硬地层本来对地铁施工难度就大，且隧道上部地层多为砂砾、卵石层，区间又邻近深圳河土层中地下水量丰富、土层渗透性强，是地铁施工一大难点。

区间隧道在DK19+258.078~DK19+382.848（全长111.5米）段施工过程中，由于该段地质为上软下硬地层，隧道上部多为粗砂圆砾层，下部为中微风化花岗岩，典型的上软下硬地层。

4.2施工情况

区间隧道埋深16~18m，隧道采用6280土压平衡式盾构机施工开挖半径3.14m，盾构机在上软下硬地层掘进，容易对刀具造成偏磨，导致掘进进度缓慢，需将刀具进行更换，区间地质对刀具更换是一大难点，本次施工在DK19+382.848位置采用带压换刀工法进行刀具更换。

隧道施工时，通过新型材料克泥效良好的止水效果对盾体周围进行止水，充分利用了土压平衡式盾构机地下土体的受力与平衡作用，通过土仓泥膜密封作用保证土仓内气压稳定与土仓外土压保持平衡，有效地控制住了地层沉降变形。利用双观测法观测保证安全更换刀具。

5.施工工艺流程及操作要点

根据实际位置确定盾构机停机开仓位置，开仓前对开仓作业人员进行专项技术及安全交底。

带压换刀施工流程图详见图1-1：

图5-1带压换刀施工流程图

5.1进仓前期工作

5.1.1材料准备

备齐所需浓度及已发酵好的膨润土，克泥效，水泥和水玻璃（膨润土罐要求100：8，砂浆罐100：10）。

5.1.2管片止水环

从盾尾后三环对管片背后进行二次注浆，注水泥水玻璃双液浆，注浆量以注浆压力控制，保证管片后止水效果。注浆时要密切关注管片状态及注浆压力（一般不超过0.5Mpa）。水泥浆水灰比采用1：1，水泥浆与水玻璃溶液注入按体积比1：1，凝结时间按30s控制。将配置好的浆液用桶装好，放置在管片车上，运输至2#台车位置（双夜注浆泵固定在2#台车）；将需要二次注浆位置的管片注浆孔凿开，安装注浆接头及阀门，连接管路；用清水试压，正常后，向压注水泥浆，再打开水玻璃液阀门，进行正常注浆。在3、9点位注浆时，保证两侧同时进行。

5.1.3盾体止水

盾壳外止水采用克泥效注入，充填盾壳与土体之间的空隙。克泥效采用配比三，克泥效与水的比例为400：846，克泥效浆液与水玻璃的比例为20：1。浆液搅拌完成后，从中盾和前盾径向孔注入，按从下至上从两侧向中间的顺序进行。注入克泥效时注意观察土仓压力的变化，上部压力升至2.6bar，则停止该孔位的注入，换下一点位继续注入，直至盾壳外间隙完全充填完成。

5.2制作泥膜

将两根注浆管路接到土仓壁3、9位置，泡沫组位置膨润土管路开启。

出渣12m3，同步注入膨润土保压。停止出土后，用同步注浆管打膨润土，加压。上部土压不高于2.0bar，刀盘转速0.5rmp，每隔1h转30min，泡沫管注浆，如此重复24h.

如果在未注入浆液的情况下，上部压力下降0.1bar，用时超过1h，说明泥膜效果有效，则试压。如果下降幅度过快，应采取往径向孔8个方向注克泥效工作。

要求：

1径向孔从下往上依次注入；

2土仓上部不超过2.3bar，到达2.3bar停止注入，待压力降到2.0bar以后再次注入，如压力降到2.0bar之后，再次注入，如压力升高迅速，则换点位。

径向孔完成后，如果保不住压，则注入高稠度膨润土100：11-100：12，注入泥浆土仓压力升高至2.5bar，停止注浆，待土仓压力下降至2.3bar重复注浆，2h转30min刀盘，注意观察顶部土压下降0.1bar的时间，以及每次的注入量，时间越长，注入量越少说明密封越好。

注意：泥膜制作过程中，认真做好记录，包括时间、土压力值，注入量等，以便分析泥膜质量。

如果泥膜建立完成后土仓压力稳定，进行出土试压；

如果保不住压，改注稠度小的膨润土，注入压力升高至2.8bar，3h转30min刀盘，压力越高，扰动越大，则刀盘转动时间间隔越长。高压力模式，绸度小的膨润土更容易渗入土体间隙中，如此重复24h。

5.3出土试压

做好应急准备，足够的膨润土，备用空压机、发电机等。

做好地面监测工作，及时汇报。

试压：启动保压系统，选择自动模式，边出土边调节保压系统的压力，出土、进气基本一致，如出土后压力稳定，1台空压机可以供给足够的气量，说明泥膜制作成功。如果不成功，及时填充膨润土。

5.4人闸气密性试验、保压进仓

人闸气压从0升压（不装消音器）至设计值不超过10min即为合格；降压操作过程中通常会出现土舱门漏气现象，造成气压降不到0，现场实践得出若降压后气压能小于0.3bar则为安全，若气压降不到0.3bar以下，则需要带压进行土舱门密封的处理。试压合格后按照设计压力进行保压，进行进仓换刀。

6效益分析

1本工程采用新型材料“克泥效”进行盾构机外壁止水，在富水砂卵石地层由于水量较大止水较困难，克泥效相比其它止水材料止水效果明显、施工操作简便，有效的节省了施工所用时间，减小盾构机地下停机时间过长存在的风险，提高了工期进度，形成了非常良好的经济效益。

2采用双观测法监测，能够及时发现地层变化，保障施工人身财产安全，为施工财产提供保障。

3新颖的工法技术将促进地铁施工技术进步，社会效益和环境效益明显。

7结果评价

采用此工法进行盾构机带压换刀，施工全过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态，仅利用3天时间就完成了盾构刀具的更换，共更换滚刀：15把，刮刀：12把，未影响施工总工期进度，由于此工法施工更加安全，更加节省时间，得到了各方的好评与借鉴学习。