南昌富水砾砂上软下硬地层盾构带压换刀施工技术
来源:用户上传
作者:王锐 王春明
摘 要：盾构带压换刀能否成功的前提条件是地层或经处理的地层具备一定程度的自稳性和气密性，通过气压辅助地层能够较长时间稳定隔水提供作业环境，在全风化岩、粘性土等地层工艺成熟、应用广泛。但在离散性大、黏聚力差的富水砂土、砾砂、卵石等地层带压换刀适应性差，成功率低、风险高、事故频发，行业研究应用相对有限。因此，对南昌地铁3号线某区间特殊地面环境和富水砾砂上软下硬地层中盾构带压换刀技术进行研究和总结，在无开挖面地层加固情况下，通过洞内盾体周围注浆改良加固土体气密性、泥膜渗透改良等技术措施，在临近地面水系市政主干道下成功带压开仓检换刀具三次，相关施工关键技术和经验教训可供类似工程借鉴。
关键词：富水砾砂;上软下硬;带压换刀
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.09.101
0 引言
南昌赣江流域特有的河相冲积砾砂层厚度大分布广泛，沉积在泥质粉砂岩上呈现饱和、中密状态，均匀性较差渗透系数大，尤其岩土交界面地下水处理困难。盾构在该富水砾砂上软下硬地层掘进，因砾砂自稳性差，石英含量高刀具磨损快、泥质粉砂岩黏性高极易造成刀盘和土仓结泥饼、刀具偏磨等问题，严重影响盾构正常掘进且经常发生出土超量地面塌陷等险情，过程中主动和被动开仓清理检换刀具无法避免。行业内研究富水风化岩、粘性土甚至砂土、砂卵石带压换刀技术已较多，如中铁二局相关人员在成都富水砂卵石带压换刀技术系列研究成果和专利技术等。但对南昌富水砾砂上软下硬地层带压换刀技术研究相对较少，其中上海公路桥梁公司董泽龙对南昌地铁1号线房屋建筑下富水砂砾石复合地层盾构气压开仓施工技术进行了创新研究和应用，但也是在设置砾砂层双液注浆预加固区后，盾构刀盘进入加固区情况下带压开仓。本文对南昌地铁3号线某区间盾构在临近地面水系、重要管线和市政主干道下方等复杂环境中被迫停机，且已被扰动的掌子面土体无预加固措施等情况下原位带压换刀技术进行研究和应用，通过地面管线局部注浆保护、盾体周围气密性封堵、泥膜渗透加固等技术措施，最终实现三次带压清仓和换刀成功，地面影响小盾构安全顺利贯通，其关键技术措施及经验总结成果具有较高创新和借鉴价值。
1 工程概况
南昌地铁3号线某区间右线长1277m，隧顶埋深约8～17m。线路沿南昌主干道迎宾大道下方敷设，道路交通繁忙，因市政桥梁施工围挡造成盾构停机处道路重型货车及社会车辆长期拥堵。盾构主要掘进富水砾砂、泥质粉砂岩或其组成的上软下硬地层。砾砂以石英、云母、长石及硅质岩为主，粒径大于2mm的含量约占40%，SiO2含量90%左右，渗透系数为127.5m/d。泥质粉砂岩为中风化泥质结构，RQD=80%～95%，天然抗压强度约11MPa。地下水位位于隧顶上6m，与邻近梅湖连通。
隧道采用中铁装备6280复合式土压平衡盾构机施工，刀盘为4辐条面板式复合刀盘，开口率36%。初装中心刀为2把鱼尾刀和2把齿刀，除周边38#至40#采用17寸单刃球齿耐磨滚刀之外，其他滚刀位安装超前齿刀。
盾构掘进异常被迫停机位置地面为迎宾大道，有两根承插式DN1000给水管和DN800雨污合流管位于盾构上方两侧埋深1m左右。隧顶埋深11.7m，紧邻梅湖水平净距约43m，隧顶与湖底垂直净距约7.5m。自上而下分别为杂填土、素填土、粉质粘土（厚约2m）、砾砂（厚约8m）、强风化及中风化泥质粉砂岩。洞身上部3/5及隧顶以上为富水砾砂、下部2/5为中风化泥质粉砂岩。
停机位置平面及地质纵断面见图1和图2。
2 主要问题及风险分析
根据区间水文地质断面，原计划盾构掘进至第500环进入全断面岩层后开仓检换刀，但实际掘进过程中岩面提前出现。分析由于刀具配置及渣土改良控制不当等原因，盾构掘进至第370～372环期间，出现推力大（22000～24000kN）、扭矩大（4500～5500kN·m）、推进速度缓慢（5～10mm/min）、连续多出土地面塌陷等异常状况，综合评估若继续掘进到前方道路中央风险更大，决定紧急停机就地开仓清理检换刀具。综合分析停机位置地面环境、地下管线和水文地质情况，开仓清理检换刀存在以下几个方面问题需要研究解决。
（1）盾构停机位置地面为主干道交通繁忙，盾构两侧有大直径承插给水管、污水管且已存在渗漏风险，地面无交通疏解和大型设备长时间地基加固预处理或深井降水条件。
（2）刀盘位于上部富水砾砂、下部泥质粉砂岩的上软下硬地层，降水效果有限，砂砾层和岩土交界面强风化层渗透系数大，且邻近梅湖地层水力连通涌水风险高。
（3）隧道埋深較浅，砾砂层本身孔隙率大，加之盾构前几环掘进沉降已强烈扰动地层，砾砂自稳性和其顶部粉质粘土层气密性可能已被破坏，同时路面重型货车等震动荷载对开仓作业也极为不利。
3 总体技术方案思路
综合上述施工环境和类似施工经验，对比各种盾构开仓方案适应性及优缺点，考虑到砾砂层及岩土交界面注浆加固止水效果无法保证，且有抱死盾构机风险，故仅利用有限地面场地对粉质粘土层以上的局部浅层杂填土进行袖阀管注浆，加固掘进沉降范围松散土体和管线，同时增加地层气密性。然后采用聚氨酯、膨润土、CMC等非凝固性材料对盾构机周围土体进行注浆改良和加固，土仓内置环压注膨润土泥浆渗透改良刀盘前方土体并形成泥膜，具备条件后人员带压进仓清理检换刀具。
分析研究剩余区间隧道水文地质条件、前期盾构掘进情况和相邻标段刀具配置经验教训，决定采用带压方式进仓，先全面清理土仓和刀盘泥饼，检查并保留周边38～40#17寸滚刀，视情况更换;其余滚刀位安装的齿刀，按每根辐条逐一从外向内全部更换为17寸单刃滚刀。换刀方案根据仓内情况动态调整，若仓内稳定情况变差而刀具未全更换完，则立即停止人员带压作业，回填惰性砂浆建压恢复掘进，后续另行计划检换刀点。 4 施工关键技术研究应用
4.1 地面辅助措施
临时占用地面道路非机动车道及部分主车道，夜间围挡进行地面注浆，选择灵活性较好的袖阀管双液注浆工艺。鉴于富水砾砂层注浆效果有限，同时避免钻孔进一步破坏粉质粘土层气密性，主要对粉质粘土层以上的回填土层范围钻孔注浆，管线两侧孔位适当倾斜加固管道下方，填充加固盾构机上方已沉降扰动的杂填土层和加固可能渗漏的管道周围土体，增加地层气密性及管道抗沉降渗漏能力。
注浆加固施工和监测布点完成后，在盾构刀盘上方路面铺设2cm厚钢板，地面人员全程监控量测反馈情况实时指导施工，带压作业期间监测频率不低于3h/次。
注浆加固范围平面尺寸5m×9m，刀盘前方3m后方2m，盾构机左右两侧各1.5m，加固深度为地面以下3m至7.5m，孔间距按1m×1m梅花形布置，钻孔不得击穿粉质粘土层。采用水泥水玻璃双液浆跳孔一次性注入，量压双控，共注入水泥约35t。注浆加固主要参数见表1，注浆加固剖面见图3。
4.2 盾体周围土体改良
盾体周围土体因连续掘进不正常，土层损失造成较大沉降扰动破坏，其气密性和稳定性必然变差，为确保带压成功，须对周围土体进行改良和加固。考虑到保护盾尾刷、盾体及刀盘不被抱死，研究对比各类注浆材料，最终选取聚氨酯、膨润土、CMC等非凝固性材料对盾体周围砂砾层进行改良和适当加固，增加砂砾层黏聚力、气密性、止水性和稳定性，仅在远离盾尾刷3环以外的管片注入双液浆加固止水。
为保护盾尾刷不被管片双液注浆包裹，利用盾构4路同步注浆管注入膨润土浆液保护管路和盾尾刷，总量按6m3控制。并在盾尾后三环管片注浆孔全环开孔注入聚氨酯隔离，顺序从远离盾尾环开始到距离盾尾三环止，每环先注下半部再注上半部，若压力明显升高或达到注入量即换注下一孔，最后开孔检查周围土体有无渗漏水情况，必要时补注。
然后同步对盾尾三环以外6环管片全环双液注浆加固，在盾体径向注浆孔和超前注浆孔上部岩土交界面和砾砂层先注入膨润土泥浆，再注入聚氨酯改良加固。膨润土注入量可适当加大，并反复多次压注以尽量扩展改良周围地层。盾体周围土体改良见图4。注入方法和控制原则同上，控制参数见表2，注浆时随时观察管片渗漏和变形情况。
4.3 浆液材料试验研究
结合以往经验，市面上的聚氨酯、膨润土及CMC等材料品牌繁杂性能参差不齐，为保证土体改良加固效果，提前对上述注浆材料性能及配比等进行试验研究。
4.3.1 聚氨酯材料试验选择
聚氨酯主要有水溶性和油性两大类，差异在于发泡率、发泡后状态和发泡时间等，由于非应急封堵暂不考虑添加催化剂辅助。通过购买市面上主要品牌聚氨酯进行试验研究对比发现：水溶性聚氨酯遇水后，膨胀速度快，膨胀率较高，呈完整均匀类似橡胶的块状，结构密实具有一定柔韧性;油性聚氨酯遇水后，膨胀稍慢，膨胀率更高，呈现具有一定硬度和强度的不规气孔泡沫则状。根据砾砂土体改良和止水需求，考虑浆液尽量以渗透改良加固为主，故综合比选最终选择某品牌性能较好的水溶性聚氨酯。聚氨酯性能实验照片见图5。
4.3.2 膨润土泥浆配比研究
常用膨润土分为钙基和钠基类，CMC分为粉末型和絮状型，其产地品类繁多，不同批次性能差异巨大，产品标识参数和经验配比参考意义有限。为保证注浆改良加固和土仓泥膜建立效果，购买了市面上多种优质钠基膨润土和CMC进行现场配比试验。最终泥膜建立要求膨润土泥浆具有良好的密水性、稳定性和高粘稠度，直观判断手抓后沾手基本不掉落、水洗不易分解。泥膜配合比实验见图6。
通过不同品牌类型的膨润土和CMC材料现场配比试验，达到上述目标效果的浆液配合比见表3。纯膨润土浆液粘度计检测在120s以上;混合后漿液比重约1.25g/cm3，泥浆稠度仪检测在12cm内。
4.4 土仓泥膜建立技术
地面辅助措施、盾尾管片和盾体注浆施工完成检查确认后，开始土仓泥膜建立。将盾构同步注浆管路转接两路到土仓承压墙的球阀，按要求拌制好膨润土泥浆转入同步注浆箱，直接利用盾构同步注浆系统向土仓内注入膨润土置换仓内渣土和建立泥膜，盾构操作室可观察注浆参数和土仓压力等，全程地面巡视监测，可能存在冒泡冒浆，地面轻微隆起等，属正常情况。
开始注入膨润土泥浆（A：不加CMC）时先不转动刀盘，通过注入速度和螺旋机出土速度调节土仓压力，使其略高于设定值0.2bar左右，由上至下缓慢置换土仓内的松散渣土。当注入膨润土量达到6～10m3或螺旋机出土开始出现膨润土泥浆时，说明松散渣土面已到底或膨润土泥浆已串入底部螺旋机，此时以0.8r/min左右低速转动刀盘搅拌，同时恒定土压注浆和出土，以此逐渐置换提高仓内膨润土泥浆浓度，直到螺旋机出土与注入膨润土浆液表观相近，视为渣土置换基本完成。根据土仓和刀盘结饼程度，膨润土注入量15～20m3左右。
然后将同步注浆管路转接至承压墙下部球阀，关闭螺旋机，向土仓内注入膨润土浆液（A+B：加CMC混合），同时以1.2～1.5r/min转速正反转动刀盘。膨润土浆液根据土仓压力恒定递增需求注入，即恒定土仓压力2.0bar转动刀盘10min观察土压下降到基本稳定后，继续同样方式反复注入加压恒定土压到2.5bar、3.0bar转动刀盘观察，同步收回推进千斤顶5～10cm和收回铰接千斤顶，利用土仓压力和铰接回收力尽量使盾构机刀盘后退，让出掌子面形成完整泥膜厚度空间。最终以上部土压在2.5bar以上，1h以上无明显下降作为泥膜建立完成的控制标准。最后将刀盘停止在主辐条竖直的安装点位，利于后续作业。泥膜建立示意见图4。
4.5 带压进仓关键技术
确认土仓泥膜建立完成后，即可进行气压置换和带压进仓作业，盾构Samson自动保压系统向土仓内按需动态压注空气恒定土仓内气压，提供作业人员安全作业环境。带压进仓相关作业技术已十分成熟，按照规范规定执行即可，过程中关键技术和措施总结有以下几个方面。 4.5.1 土仓气压设置
根据《盾构法开仓及气压作业技术规范》，气压理论计算方法为P=Pw+Pr=1.3bar。根据停机位置地下水位情况，刀盘中心水压Pw=0.9bar;Pr为压力调整值，取0.4bar。
4.5.2 加气置换进仓
将自动保压系统压力设置到1.3bar，螺旋机开始缓慢出土，当土压降至1.25bar时，立即开启自动保压系统并继续出土，通过主仓旁承压墙上的平衡阀出气情况，判仓内渣土位置，同时进行有害气体检测。根据出土量估算仓内渣土高度，将渣土降至刀盘中心或稍偏下位置位置。随后进行保压试验，2h左右土仓压力基本没有变化视为达到进仓条件。出土气压置换及换刀过程中，全程严禁转动刀盘。
保压试验合格后，作业人员做好准备进入人闸主仓，操仓人员开始加压，按照0.1bar/min匀速加压，总时间控制在15min左右。加压到土仓压力后，开启平衡阀使土仓和主仓气压平衡，人员打开仓门确认仓内情况。
4.5.3 仓内作业关键技术
仓门打开后，作业人员送入移动摄像头，地面监控人员通过移动摄像头先观察仓内情况，确认安全后作业人员再进仓仔细观察，确认仓内稳定无渗水现象，但土仓内主臂和刀盘结泥饼严重，随即按照既定方案首先进行土仓泥饼清理作业，再清理刀箱泥饼，然后按照先周边、后面板中间和先易后难的原则将具备更换条件的撕裂刀更换为单刃滚刀。由于砾砂层稳定性差风险大，清仓过程中严禁为方便清理转动刀盘及向刀盘冲水，清理的渣土在人员出仓后可利用螺旋机将仓内渣土缓慢出空。
每仓作业人员3人，带压作业时间控制在3.5h内，总共配置4仓12名带压作业人员连续作业，其余操仓人员、各岗位值班人员、辅助人员按需两班配置。过程中按照规定频率及时查看记录空压机负荷率、气压表压力以及仓内稳定情况，地面监测和巡视随时反馈情况。作业完成后，必须将拆卸刀具、螺栓、换刀工具等机具材料全部清理出土仓，经管理人员清点确认无遗留后，作业人员撤离关闭仓门。
在清仓后发现刀盘周边38～40#滚刀磨损较小无需更换，第一次利用8仓将上部具备更换条件的撕裂刀更换为单刃滚刀后，仓内气压稳定情况明显下降，随即同样方法填仓重新建立泥膜，每次重建泥膜后可连续工作约10仓，地层保气效果逐渐变差岩土交接面有流水现象，地面泼水检查冒气情况由无到有再到大量冒气，最终在更换19把刀具后判断风险较高不宜继续进仓作业，决定填仓恢复掘进。仓内结饼情况和周边单刃球齿滚刀照片见图7。
5 恢复掘进效果
土仓清理和刀具更换完毕后，向土仓内注入惰性砂浆填仓建压到掘进土压。过程中通过承压墙平衡阀排气，使仓内压力基本恒定直至满仓状态，然后缓慢转动刀盘，逐渐增加推力掘进，避免因起始贯入度过大造成新换刀具异常损坏。恢复掘进过程中尽快建立正常土压，并根据监测情况适当增加同步注浆量控制地面沉降。恢复掘进后各项施工参数明显改观，顺利掘进400多环全断面岩层到计划换刀点。换刀前后掘进参数对比见表4。
6 结论与建议
通过上述试验研究和相关关键技术措施，成功在复杂环境富水砾砂上软下硬地层中带压开仓将19把撕裂刀更换为单刃滚刀，恢复掘进参数明显改观并顺利掘进400多环至计划换刀点。带压换刀期间地面累积沉降-3.69mm，DN1000给水管累积沉降-2.24mm。该区间两台盾构采用同样施工技术在后续类似水文地质情况下成功带压换刀两次，对类似工程具有较高的借鉴价值。总结试验研究和关键技术应用过程还有以下经验教训和建议以供参考：
（1）该类复杂环境和富水砾砂层总体稳定性和气密性较差，即使在泥浆渗透改良和泥膜建立后保气时间有限风险较高，应尽可能避免带压开仓作业，在地面整体预加固地层后刀盘进入带压或常压开仓。
（2）市场上膨润土、CMC、聚氨酯品类繁多批次性能差异极大，标称性能参数和经验配比参考意义有限，必须进行现场实验确定配比参数。
（3）该类地层带压值应根据计算值和实验稳定气压值综合选择，一般带压值高于计算0.2～0.3bar，并宜在1.6bar内。带压超过1.6bar人员加减压时间大幅增加效率骤减，应考虑调整方案或增加措施。
（4）带压过程中岩土交界面最先出现流水现象，是类似地层带压开仓最不利部位，应高度重视并在盾体注浆时予以加强，仓内作业时随时观察。
（5）在该类水文地质环境带压换刀，过程中应尽量避免为清仓换刀方便随意转动刀盘影响土体及泥膜气密性和稳定性，转动刀盘后应重新建立泥膜降低风险。
参考文献
[1]董泽龙.富水砂砾石复合地层土压平衡盾构气压开仓施工技术[J].城市道桥与防洪，2016，（3）：127-130.
[2]李金龙.土压平衡盾构在富水复合地层中的带压开仓技术[J].江西科技学院学报，2017，（3）：34-38.
[3]李志军，高波，王光伟.土压平衡盾构在复合地层中带压进仓施工技术[J].都市快轨交通，2014，（5）：70-75.
[4]孙海波.土压平衡盾构全断面富水砂层带压进舱地层气密性封堵及其检测技术[J].隧道建設，2015，35（9）：962-967.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-15202439.htm
