陳 斌，康志富

（廣東建科建設(shè)咨詢有限公司 廣州510500）

0 引言

盾構(gòu)施工由于其機械化程度高、工作效率高、施工對周邊環(huán)境影響小、安全性高等優(yōu)點在地鐵區(qū)間施工中應(yīng)用廣泛。盾構(gòu)在穿越不良地質(zhì)地段（如上軟下硬地段、砂層、全斷面硬巖、地質(zhì)斷裂帶等）時，盾構(gòu)刀具的磨損程度較為嚴重，需要頻繁的開倉檢查刀具及對磨損嚴重及損壞的刀具進行更換。盾構(gòu)開倉［1-2］換刀的方式通常分為常壓開倉及氣壓開倉2 種形式，在穩(wěn)定性較好的地層或采取加固且效果良好時通常選擇常壓換刀，此種方式施工效率及安全性均較高，對地層穩(wěn)定性差且加固效果［3-5］難以保證的情況下通常采用氣壓開倉方式，氣壓開倉方式相對常壓開倉施工效率差、技術(shù)難度及施工風險較高。

當采用氣壓開倉作業(yè)時，如遇動火的情形，其安全風險加大，往往采用填倉法常壓開倉作為補充，本文以廣州市軌道交通7 號線某區(qū)間為實例，對填倉法常壓開倉的工藝流程及技術(shù)及安全管控重點等進行研究、分析及總結(jié)，形成盾構(gòu)常壓填倉換刀的流程及技術(shù)要點。

1 填倉法常壓開倉施工程序

填倉法常壓開倉應(yīng)編制專項施工方案并通過專家評審及由參建相關(guān)各方審批后實施，其施工具體程序如下：填倉施工準備工作?填倉施工前調(diào)解驗收?填倉作業(yè)施工?倉內(nèi)砂漿鑿除作業(yè)?倉內(nèi)換刀作業(yè)?盾構(gòu)機清倉及脫困?盾構(gòu)恢復(fù)正常掘進。

2 填倉法施工準備工作技術(shù)要點

填倉法開倉準備工作［6］對施工安全管控至關(guān)重要，參建各方需要對填倉施工前的準備工作按計劃逐一檢查落實，具體檢查及管控要點如下：

2.1 地面加固及效果驗證

盾構(gòu)機上方地面允許的情況下對盾構(gòu)開倉區(qū)域的影響區(qū)域土體進行預(yù)加固處理，待加固體齡期及強度達到設(shè)計要求后對加固效果進行驗證。

2.2 填倉材料配合比控制

根據(jù)地質(zhì)及水文特點設(shè)定填倉砂漿的質(zhì)量要求及技術(shù)指標，并對填倉砂漿進行配合比設(shè)計及組織現(xiàn)場試配，保證填倉砂漿質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

2.3 施作止水環(huán)

自脫出盾尾的第3 環(huán)管片開始進行二次注漿，漿液通常采用雙液漿，注漿部位在3/9 點位以上并保證管片兩側(cè)同時進行，注漿壓力不超過0.5 MPa，注漿配比采用水泥∶水∶水玻璃=0.8∶1∶0.2，凝結(jié)時間控制在15～20 s。注漿過程采用信息化控制技術(shù)并實時調(diào)整注漿量，止水環(huán)的施作能保證盾體后方的止水效果良好，注漿過程應(yīng)根據(jù)管片狀態(tài)及時對注漿壓力進行調(diào)整。

2.4 采取盾構(gòu)脫困保護措施

盾構(gòu)脫困的預(yù)控措施是盾構(gòu)恢復(fù)掘進的重點，可利用盾構(gòu)體預(yù)留徑向注漿孔向盾殼周邊及盾體前方注入滿足一定指標要求的膨潤土漿液的方式，保證盾殼不被填倉漿液抱死，保證盾構(gòu)開倉換刀完成后順利恢復(fù)掘進。漿液配比（重量比）按膨潤土∶水=1∶3的比例拌制。膨潤土注入完成后，需通過盾體預(yù)留的徑向孔對注漿效果進行檢查和確認。

2.5 地面監(jiān)測點的布設(shè)及監(jiān)測

在填倉法施工作業(yè)期間必須按報批的專項監(jiān)測方案進行地表沉降監(jiān)測，刀盤上方布設(shè)3 個斷面的監(jiān)測點，在填倉法施工前應(yīng)采取監(jiān)測初始值燕及時開展監(jiān)測工作。監(jiān)測頻率一般為為2 次/1 d，當監(jiān)測數(shù)據(jù)（沉降值或變形速率）達警戒值時需加大監(jiān)測頻率。

同時在填倉作業(yè)至盾構(gòu)復(fù)推全過程需安排專職安全人員進行地面巡視檢查，在盾構(gòu)復(fù)推后仍需持續(xù)監(jiān)測直到地面沉降數(shù)值小于2 mm/d為止。

2.6 其他安全措施

開倉區(qū)域地面進行警戒及圍蔽并安排專人值守，利用盾構(gòu)設(shè)備的主動鉸接使刀盤回退5～10 cm，以保證填倉時砂漿充滿刀盤前方的間隙，并向土倉內(nèi)加注膨潤土。

3 填倉前的安全條件驗收及技術(shù)保證措施

在填倉作業(yè)前，建設(shè)、施工及監(jiān)理方應(yīng)對填倉前的安全條件進行檢查驗收，并采取相應(yīng)的安全防護措施，以保證施工安全，填倉法開倉條件檢查如圖1所示。

圖1 填倉法開倉條件檢查Fig.1 Inspection of Opening Conditions of Filling Method

⑴參建各方的管理人員如項目經(jīng)理、施工安全及技術(shù)負責人、總監(jiān)理工程師等相關(guān)安全質(zhì)量管理人員應(yīng)到現(xiàn)場進行管控。

⑵對施工管理及操作人員進行安全技術(shù)交底并經(jīng)被交底人簽字確認，對參加換刀的操作人員進行安全教育培訓并進行體檢。

⑶填倉前對刀盤前方的工作面的安全情況進行檢查和確認，對地層穩(wěn)定性進行分析和預(yù)判，對填倉過程中安排專職管理及安全人員全程監(jiān)控。

⑷對盾構(gòu)設(shè)備及配合施工的機具進行認真檢查，保證各相關(guān)機具設(shè)備狀態(tài)良好。

⑸填倉前向刀盤主軸承注入足量的HBW密封油脂，保證填倉過程中充填漿液的壓力不損壞刀盤密封。

⑹確認應(yīng)急物資按應(yīng)急預(yù)案要求就位，且狀態(tài)良好。

⑺檢查地面指揮人員與填倉作業(yè)人員通訊是否暢通，檢查視頻監(jiān)控是否接到盾構(gòu)機處，方便地面指揮人員及時掌握填倉情況并進行實時的監(jiān)控指揮。

4 填倉作業(yè)技術(shù)要點

4.1 填倉砂漿的拌制

采用商品砂漿或利用現(xiàn)場砂漿攪拌站，提供滿足設(shè)計配合比的填倉砂漿，采用電瓶車將砂漿運輸?shù)轿徊㈦娖寇噧涞臐{液輸送至漿箱內(nèi)。

4.2 清空土倉渣土

對倉內(nèi)渣土進行外排，排土時需同時開啟倉內(nèi)保壓系統(tǒng)對土倉進行壓保，保證土倉壓力在安全范圍（一般應(yīng)略高于盾機上部水土壓力），排土過程中地面儲漿罐備漿準備隨時土倉回注，排土后需保留螺旋機內(nèi)渣土并保證筒壁內(nèi)渣土充滿，隨后關(guān)閉螺旋機后閘門，操作螺旋機正轉(zhuǎn)，使渣土壓縮密實以利于土倉保壓。

4.3 土倉內(nèi)砂漿填充

通過盾構(gòu)機土倉前壁球閥向土倉內(nèi)部灌注砂漿，灌漿過程應(yīng)保持連續(xù)，漿液灌入同時，便將電瓶車儲備的漿液輸送至漿箱內(nèi)，保證注漿連續(xù)，填倉過程應(yīng)遵守“等量替換、土壓不變”的灌漿原則，即灌注砂漿過程中同步調(diào)節(jié)倉壓，使倉壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)安全范圍內(nèi)，注漿過程中以適當速度持續(xù)轉(zhuǎn)動刀盤，填倉注漿到后期平衡閥有漿液流出進，關(guān)閉盾構(gòu)氣壓系統(tǒng)，繼續(xù)灌漿保壓至一定壓力。

在填倉灌漿過程中應(yīng)隨時利用土倉壁上的不同位置的球閥檢查渣土置換效果。當置換方量及土倉壓力達到預(yù)設(shè)值時，再次通過土倉壁上球閥及盾構(gòu)體的徑向注漿孔對砂漿灌注情況進行檢查，方法為采用空心管在球閥處插入土倉內(nèi)取砂漿樣進行分析，若砂漿置換未達到設(shè)計要求，則需繼續(xù)進行填充作業(yè)，若確定倉內(nèi)砂漿填充飽滿充分，則可終止砂漿灌注。

在整個填倉過程中，每隔30 min，以1 r/min 速度反轉(zhuǎn)螺旋機5 min，預(yù)防填倉砂漿回流包裹螺旋機的葉片，此過程需持續(xù)至灌漿完成后24 h。

4.4 填倉效果檢查及驗證

填倉砂漿達到齡期及設(shè)計強度時方能進行開倉作業(yè)。砂漿灌注完成后24 h后，開始逐步打開盾構(gòu)土倉壁后的球閥，檢查倉內(nèi)漿液凝固情況。填倉效果檢查按以下方法進行：

⑴開倉前首先要檢查土倉內(nèi)漿液的凝固情況，可通過打開土倉壁上半部的球閥，用直徑10 mm 的鋼筋向土倉內(nèi)砸入，根據(jù)鋼筋的砸入難易初步判斷砂漿凝固情況；然后打開人閘倉門近處的球閥，觀察是否有水流出，同樣采用上述方法檢查土倉內(nèi)砂漿的凝固情況；如2種情況均滿足要求，則可開啟倉門進行后續(xù)工作，否則，關(guān)閉球閥等待2 h 再次檢查，直至具備開倉條件。

⑵對前盾側(cè)壁注漿情況進行檢查，先打開盾體上兩側(cè)的球閥觀察是否有水流出，再通采用打入鋼筋的方式，檢查前盾側(cè)壁注入漿液的凝固情況。如條件滿足，則表明前盾側(cè)壁加固效果良好。

⑶對盾構(gòu)刀盤前方砂漿填注效果進行檢查，經(jīng)上兩步的安全確認后，可打開人閘倉門進行土倉內(nèi)砂漿的清理，清理至刀盤開口部位后，使用風鉆向刀盤前方打探測孔，觀察前方滲水情況及檢查砂漿固結(jié)情況，如土體固結(jié)良好且無滲水時，則清倉工作可以繼續(xù)。

4.5 清倉及拆除更換刀具

滿足開倉條件且施工機具準備到位后，打開倉門，從倉門位置開始清倉，開倉前應(yīng)委托專業(yè)機構(gòu)進行有毒有害氣體檢測并達標，且整個清倉及換刀［7-9］過程應(yīng)持續(xù)檢測有毒有害氣體，清倉過程中嚴禁轉(zhuǎn)動刀盤，清倉順序為先清理倉門上部及周邊砂漿體，然后向下清理至中心刀位置。

除砂漿過程盡量不要出現(xiàn)過鑿，否則應(yīng)立即對過鑿部位采用快硬水泥封堵。土倉內(nèi)砂泥處理完全后，再按計劃進行刀具的更換，刀具更換時，應(yīng)先逐一清理及鑿除刀廂內(nèi)漿液，再進行刀具更換工作。每完成更換一把刀具，均要及時用棉紗對刀具周邊空隙進行封堵。

清倉時切口環(huán)縫隙、開口處、土倉上部20 cm砂漿應(yīng)保留不做清理，同時作好照明、通風、氣體檢測及相應(yīng)安全防護［10］工作，以保證清倉及換刀工作的安全。

4.6 清倉、脫困及恢復(fù)掘進

刀具安裝情況檢查正常后，開始對土倉內(nèi)、刀具縫隙、刀盤開口位置的砂漿進行鑿除清理，鑿除時需注意鑿除順序，應(yīng)按照自上而下的順序，作好操作平臺的搭設(shè)。鑿除作業(yè)完成后向盾構(gòu)土倉內(nèi)注入膨潤土建立土壓進行脫困，恢復(fù)掘進。

5 工程實例及應(yīng)用效果分析

5.1 工程實例地質(zhì)及水文條件

廣州市軌道交通7 號線某區(qū)間，區(qū)間沿線地層變化較均勻，主要穿越砂質(zhì)粘性土〈5H－2〉、全風化花崗巖〈6H〉、強風化花崗巖〈7H〉地層，上覆地層主要為砂質(zhì)粘性土〈5H-2〉、粉質(zhì)粘性土〈4N-2〉、中粗砂層〈3-2〉。停機刀盤位置地層為，下部微風化花崗巖層〈9H〉，上部砂質(zhì)粘性土〈5H-2〉隧道埋深11.35 m。區(qū)間孤石發(fā)育，盾構(gòu)掘進施工困難，對周邊環(huán)境影響較大，詳勘中間成果孤石揭露率25%，開倉區(qū)域地質(zhì)情況如圖2所示。

圖2 開倉區(qū)域地質(zhì)情況Fig.2 Geological Conditions of Opening Area

區(qū)間地下水埋深較淺，勘察資料顯示初見水位埋深約為1.4～3.2 m，對應(yīng)水頭標高約為9.6～11.4 m；勘察期間測得的穩(wěn)定水位埋深約為1.5～3.3 m，對應(yīng)水頭標高為9.7～11.5 m。穩(wěn)定水位的含水地層主要為粉細砂層〈3-1〉、中粗砂層〈3-2〉和礫砂層〈3-3〉。

5.2 填倉砂漿質(zhì)量要求

填倉砂漿質(zhì)量要求為試配強度等級為M2.5，初凝時間約5 h，3 d 強度0.5 MPa，7 d 強度1.0 MPa，漿液稠度12.5 m。配合比經(jīng)過現(xiàn)場多次實驗比對，最終確定的填倉砂漿配合比用量如表1所示。

表1 填倉砂漿配合比用量Tab.1 Scale of Mixture Ratio of Grain Filling Mortar

5.3 掌子面超前注漿加固

根據(jù)撐子面地質(zhì)水文情況分析，為保證倉內(nèi)作業(yè)安全及掌子面穩(wěn)定，利用中盾的超前注漿孔向盾構(gòu)刀盤前方上半部土體進行超前注漿，漿液一般采用雙液漿，漿液配比為水泥漿∶水玻璃體積比=1∶1，注漿壓力控制在0.5～0.6 MPa。

5.4 填倉施工

2020年12月6日開始填倉注漿作業(yè)，填倉作業(yè)分7 次置換土倉內(nèi)的渣土，根據(jù)土倉內(nèi)的壓力情況每次置換3～5 m3，共灌注砂漿33 m3。填倉注漿作業(yè)用時1 d，等強時間為6 d。

填倉灌漿過程中同步調(diào)節(jié)倉壓，保持倉壓穩(wěn)定在1.35±0.05 bar范圍內(nèi)，注漿過程中以0.8 r/min勻速持續(xù)轉(zhuǎn)動刀盤，注漿時安排人員隨時觀注土倉門口平衡閥，一旦有漿液流出，即時關(guān)閉盾構(gòu)氣壓系統(tǒng)，繼續(xù)灌漿使倉內(nèi)壓力達到1.4 bar。填倉法開倉效果如圖3所示。

圖3 填倉法開倉效果Fig.3 Effect of Opening Operation by Filling Method

5.5 土倉內(nèi)砂漿鑿除施工

砂漿鑿除采用人工加風鎬的方式，從人倉口開始至中心刀底部，進尺100 cm，深度至中心刀底部，深度約4.0 m，寬度約2.5 m，鑿除方量約15 m3。清倉部位如圖4所示。

圖4 鑿倉清理示意圖Fig.4 Chisel Warehouse Cleaning Schematic Diagram

5.6 刀具拆除及更換

磨損刀具、刀箱采用氣刨形式進行拆除，2020 年12 月18～24 日完成刀具的拆除作業(yè)，共計拆除中心刀5把（編號為1-3、2-4、5-7、6-8、9-11）、刀箱4個（編號為5-7、1-3、2-4、6-8），倉內(nèi)刀箱焊接及更換下的刀具如圖5所示。

圖5 倉內(nèi)刀箱焊接及更換下的刀具Fig.5 Tool Drawing under Welding and Replacement of Tool Box in Warehouse

2020 年12 月30 日至2021 年1 月5 日，完成刀箱定位、安裝及刀盤修復(fù)作業(yè)。

2021 年1 月7 日完成5 把中心刀的安裝，本次換刀工作完成，并于當日開始盾構(gòu)順利復(fù)推掘進。

6 結(jié)論

本文結(jié)合盾構(gòu)施工工程實例，對不良地質(zhì)條件下填倉法盾構(gòu)常壓開倉換刀盾構(gòu)施工技術(shù)進行分析和研究，總結(jié)了填倉法作業(yè)的安全及技術(shù)管控要點，成果在工程實際中應(yīng)用效果良好。研究表明當在地質(zhì)條件不良且通過地面加固難以保證盾構(gòu)開倉安全的情況，采用填倉法常壓開倉進行倉內(nèi)動火作業(yè)適用、安全和可行。