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(宏潤建設(shè)集團股份有限公司，上海 200235)

對于復雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)掘進，刀具更換往往不可避免[1]。由于盾構(gòu)在軟土地層和巖石地層的刀具切削原理和配置形式不同，對于不同地質(zhì)，尤其復合地質(zhì)刀盤刀具的適應性配置與磨損刀具的安全更換一直是當前大型盾構(gòu)施工中遇到的技術(shù)難題[2]。翟世鴻針對南京緯三路過江通道工程帶壓進艙作業(yè)期間開挖面失穩(wěn)坍塌問題進行了研究[3]?？娭疑幸劳猩钲诘罔F2號線東延線2222標段工程，針對的設(shè)備情況，總結(jié)了NFM土壓平衡盾構(gòu)機開艙前的準備工作和帶壓開艙換刀作業(yè)的整個實施流程及相關(guān)技術(shù)要點[4]。本文在目前研究基礎(chǔ)上，依托南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間隧道下穿玄武湖工程，詳細介紹一種泥漿護壁帶壓換刀技術(shù)，為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間位于南京市玄武區(qū)，隧道埋深達到26 m，盾構(gòu)施工要長距離下穿玄武湖，并且需要在湖底進行帶壓換刀，區(qū)間隧道線路如圖1所示。

1.2 帶壓換刀必要性

盾構(gòu)長距離在玄武湖底硬巖段掘進，刀具易磨損，但掌子面地層穩(wěn)定性差、不具備常壓開倉條件，需在湖底進行帶壓開倉換刀，更換磨損超限刀具，以加快硬巖段掘進速度。由于換刀位置處于玄武湖下方，距離湖底九華山隧道較近，鑒于掌子面穩(wěn)定性較差，為確保氣壓換刀的安全可靠，進而采用水泥砂漿泥膜護壁法換刀。本工程區(qū)間共進行3次帶壓換刀，換刀環(huán)號分別為右線的1 037和1 145兩環(huán)以及左線的1 012環(huán)，換刀地點位于玄武湖底，此處土層為粉質(zhì)粘土、混合土層以及強風化角泥巖，此土體特點為自穩(wěn)定性差、透水性強，三處環(huán)號處的水泥砂漿護壁工期分別為15 h,12 h和11 h，更換刀具的數(shù)量分別為16把滾刀、6把滾刀和27把滾刀，氣壓換刀作業(yè)時間分別為13 d,5 d和18 d。

2 換刀工藝

以右線隧道1145環(huán)帶壓換刀為例，盾構(gòu)隧道覆土26 m，盾構(gòu)位于玄武湖下方掘進約120環(huán)后將順利通過中風化角泥巖，開始進入全斷面軟土層中掘進，為加快盾構(gòu)推進進度，提高推進效率，需將1號～4號中心滾刀和9號～12號滾刀更換為齒刀，并清除刀盤泥餅，疏通被堵的泡沫管，計劃在盾構(gòu)即將進入全斷面軟土地層之際停機換刀。為保證換刀安全和保護新更換的齒刀，選擇掌子面中部地質(zhì)由巖層轉(zhuǎn)變?yōu)榉菐r層時停機換刀，因此計劃盾構(gòu)機在1 145環(huán)停機(掌子面里程1 151環(huán))，掌子面上部1/3為③-2b2粉質(zhì)粘土夾粉土層、中部1/3為③-4e1混合土層，下部1/3為Th-2j強風化角泥巖層，盾構(gòu)停機前幾環(huán)渣樣中巖石含量約為10%，其他為灰黃色粘土狀。掌子面穩(wěn)定，地下水含量少，渣土干。

2.1 施工難點

湖底水土壓力高，湖底最大水土壓力達到4.5 bar～5.0 bar，會造成刀盤密封、鉸接密封和盾尾刷失效；水系發(fā)育，尤其在復合地層和粉細砂層中，會發(fā)生閘門密封失效，滲漏或嚴重噴涌；湖底段長達1.37 km，若水力貫通，進一步加劇水土壓力和螺旋機噴涌；此外，氣壓保壓困難，換刀施工難度大，為克服這些施工難點采取泥漿護壁帶壓換刀工藝。

2.2 具體施工措施

2.2.1帶壓換刀壓力估算

首先，通過朗肯土壓力理論公式計算得出土體靜止土壓力為2.38 bar；其次，利用停機前的盾構(gòu)推進參數(shù)，進行開倉壓力估算。在1 120環(huán)～1 145環(huán)推進過程中，推力1 700 t～2 000 t、接觸壓力300 t～500 t、扭矩2.5 MN·m～3.0 MN·m、速度15 mm/min～25 mm/min、出土量60 m3、渣樣為粘土含少量碎石、中心土壓2.0 bar～2.3 bar等等，未出現(xiàn)超挖現(xiàn)象。據(jù)此本次開倉壓力定為2.5 bar。

2.2.2氣壓換刀設(shè)備的選擇與配備

本項目氣壓換刀裝置的供氣設(shè)備選擇為3臺空壓機，其中2臺為電動機，1臺為采油機，電動機功率為75 kW。為了保證氣壓穩(wěn)定，將3臺放置于地面上的空壓機氣體通過過濾系統(tǒng)過濾后接入SAMSON系統(tǒng)向倉內(nèi)補充氣壓，同時從盾構(gòu)車架上空壓機另接一路管路進入SAMSON系統(tǒng)，用以地面設(shè)備或管路故障時為倉內(nèi)緊急補氣，確保換刀施工安全。氣壓換刀設(shè)備總配備圖如圖2所示。其他設(shè)備、材料準備如表1所示。

2.2.3換刀過程中的泥漿護壁法

表1 其他設(shè)備材料

為了有效的阻止地下水的影響，防止氣壓換刀時氣體的泄露，在換刀過程中需要采用水泥砂漿來置換盾構(gòu)土倉內(nèi)的土體，并在刀盤前端位置處形成密實的水泥砂漿“墻體”。具體的操作步驟如下：

1)施工準備。

推進1 044環(huán)最后一箱土時，將刀盤伸至120 mm；拼完1 044環(huán)，將1號土壓力穩(wěn)定在3.0 bar。

2)保證密封性。

a.盾體周邊地層密封性：為防止氣體從盾體周邊泄露，將3 m3～4 m3的膨潤土從盾構(gòu)機中盾的注漿孔注入盾構(gòu)機內(nèi)，注漿終壓設(shè)定為3 bar。膨潤土壓注過程中，應使盾殼與土體之間的空隙充滿，這樣能夠確保氣體不向盾尾流竄，同時還能防止盾體的護壁泥漿固結(jié)。

b.盾尾密封性：為增強盾尾處密封性，在盾尾處預留孔(共計6個)壓注聚氨酯，每孔注入量約20 kg；同時向盾尾后1環(huán)～3環(huán)管片外部壓注聚氨酯施作“止水環(huán)”，有效隔水。

c.止水環(huán)箍:為了防止盾尾位置處的地下水流竄，需要在盾尾后的4環(huán)～6環(huán)管片外部注入雙液漿。漿液的配合比為：水灰比為1.5，水泥漿與水玻璃體積比為3∶1。漿液的注入方式為逐環(huán)壓入。漿液的初凝時間控制為25 s～45 s。

3)土體置換。

a.連接注漿管路：注漿管路位于土倉壓力墻的3點和9點位置處(鐘表盤)。

b.向土倉內(nèi)分階段注漿，置換渣土。第一階段：置換注漿時，盾構(gòu)刀盤需縮回8 cm，1號土倉內(nèi)的壓力需保持在3.0 bar～3.6 bar，置換過程中堅持“等量替換、土壓不變”的置換原則。此階段，盾構(gòu)刀盤需要間隔轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為0.5 r/min，主要采用螺旋機進行出渣。注漿停止的標準是：螺旋機初步攪出漿液。注漿量為20 m3。漿液配比如表2所示。第二階段：保持土倉1號壓力在3.6 bar～4.0 bar之間進行置換注漿，每30 min轉(zhuǎn)動刀盤10 min(轉(zhuǎn)速為0.5 r/min)，適量出渣，注漿量為12 m3，漿液配比如表3所示。

表2 第一階段漿液配比表

2.2.4保壓試驗

1)人艙準備。

表3 第二階段漿液配比表

a.清理人艙，保持整潔；

b.檢查人艙內(nèi)各壓力表、溫度表、電話機、管路等，將損壞的物件全部更換；

c.關(guān)閉艙門，打開SAMSON保壓系統(tǒng)供氣，檢查人艙的密封性和保壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)是否良好。

2)土倉保壓試驗。

在作業(yè)人員進入倉前進行無人保壓試驗：

a.降低土倉上部壓力至2.5 bar～2.7 bar。

土體置換完畢后，需等待1 h，若沒有發(fā)現(xiàn)異常問題，可以在保證不轉(zhuǎn)動盾構(gòu)刀盤的情況，僅利用螺旋機進行出渣，從而將土倉壓力降低到2.5 bar～2.7 bar。

b.保持土倉上部壓力為2.5 bar～2.7 bar時出渣。

將SAMSON系統(tǒng)的液體球閥關(guān)閉，并利用其供氣管道向土倉內(nèi)施加氣體，用于保持土倉的上部壓力穩(wěn)定在2.5 bar～2.7 bar不變。在此基礎(chǔ)上，保持盾構(gòu)刀盤不動，將土倉內(nèi)的渣土高度降低至土倉門底部的球閥位置以下?？偝鲈考s為10 m3～12 m3。

3)保壓條件下觀察保壓系統(tǒng)運行及工作環(huán)境狀況。

SAMSON系統(tǒng)的補氣壓力控制在2.5 bar，在此情況下，等待3 h，觀察保壓系統(tǒng)的運行和工作狀態(tài)，同時注意地層的密閉性狀況和土壓力的變化情況。若無異常，可繼續(xù)出渣。

4)分步繼續(xù)出渣至指定位置。

在保壓系統(tǒng)無異常的情況下，可繼續(xù)利用螺旋機出渣至2點和10點的位置(鐘表盤)，出渣量約為10 m3。然后，觀察等待1 h，若一切正常可判斷地層保壓成功。此時可根據(jù)土倉內(nèi)的情況，進一步壓氣進倉，繼續(xù)降低渣土渣位至3點和9點的位置(鐘表盤)，大約出渣量為13 m3～14 m3。

2.2.5進倉換刀

1)換刀作業(yè)時，堅持“三人一組進倉、組長進倉帶班、操倉人員及醫(yī)生24小時艙門值班”的工作原則。作業(yè)人員的體感狀況及掌子面土體情況是判斷換刀人員能否繼續(xù)帶壓工作的標準，若出現(xiàn)作業(yè)人員身感不適或掌子面土體有剝落現(xiàn)象等立即關(guān)閉土倉門減壓出倉。2)倉內(nèi)水位上漲時，安排專員在操倉人員指導下，打開位于土倉面板上相應位置處的球閥進行排水，在排水過程中，應保證倉內(nèi)氣壓的平衡，若發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，需立即關(guān)閉球閥。3)每一組換刀人員帶壓工作的時長應小于2 h，然后根據(jù)帶壓作業(yè)時長來進行減壓時間的控制。

3 結(jié)語

本文依托南京地鐵三號線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間隧道長距離下穿玄武湖工程，詳細介紹了全斷面穿越巖層、半土半巖地層和砂土時泥漿護壁帶壓換刀技術(shù)操作流程和注意事項，為類似工程提供了參考。