陈俊毅
（广州市盾建地下工程有限公司，广东，广州，510030）
Application of fill and reinforcement chamber for replacing cutters technology in shield construction
Chen Jun-yi
(Guangzhou Municipal DunJian Underground Construction Engineering Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510030)
【摘 要】盾构开仓换刀作业是盾构施工中的重点和难点之一，但在某些地质环境及地面环境制约情况下，盾构施工中存在无法直接常压和带压进仓进行刀具更换的问题。针对此问题，本文结合东莞市城市快速轨道交通R2线工程某标段的工程实例，介绍回填加固土仓换刀技术在盾构施工中的应用情况，并总结经验，指出存在问题及注意事项，对以后工程遇到类似情况的处理有借鉴意义。
【关键词】盾构施工；开仓换刀；回填土仓；加固
【Abstract】Entering chamber for replacing cutters is one of the emphases and difficulties in the shield construction, but in some geological environment and the ground environment constraints cases, have such a problem unable to entering the chamber no matter under the working pressure or under the normal pressure in the shield construction. To solve this problem, This paper combines with one of the Dongguan city fast rail transit line R2 engineering project example, introduce the application situation of fill and reinforcement chamber for replacing cutters technology in shield construction, and sum up experience, points out existing problems and matters needing attention, it has reference significance to deal with the similar situation of construction in the future.
【Keywords】Shield construction, entering chamber for replacing cutters, fill chamber, reinforcement
1．前言
随着城市轨道交通建设规模的不断扩大，盾构施工技术得到越来越广泛的应用[1]。盾构施工也存在各种疑难杂症，其中一个很重要的问题就是盾构施工过程中的刀具更换问题[2]。由于受地层条件及刀具耐磨的影响，掘进施工过程会出现刀具磨损的情况，从而盾构施工中难免出现盾构机开仓换刀的情况[4]。目前国内外主要方法为常压和带压进仓更换刀具[1,4,5,6]，但在某些地质环境及地面环境制约情况下，盾构施工中存在无法直接常压和带压进仓进行刀具更换的问题，因此需针对上述问题有必要进行深入研究并采取合适可行的方法进行刀具更换，确保施工安全和施工效率，回填加固土仓换刀技术是针对特定环境下进仓作业的一种较好选择。
2．工程概况
2.1 工程简况
东莞市城市快速轨道交通R2线工程2305标土建工程施工项目【东城站～旗峰公园站区间】线路长度1.47km，采用两台海瑞克盾构机进行区间隧道掘进。【东城站～旗峰公园站区间】右线盾构隧道在掘进至里程ZDK13+815.724位置（154环）时掘进参数异常，掘进困难，初步判断刀具磨损，需停机开仓更换刀具。
2.2 地质及环境条件
停机位置掌子面地层为<10-3>中风化混合片麻岩、<10-2>强风化混合片麻岩、<10-1>全风化混合片麻岩组成的上软下硬混合地层，其中刀盘顶部及往下约2米范围为<10-1>全风化混合片麻岩，该地层在地下水化作用下容易软化、崩塌，掌子面地层自稳时间较短不具备在常压下开仓换刀作业。
2.3存在问题及选择解决方案
在154环位置先后经历了2次常压开仓均不成功，主要是由于掌子面上部及顶部土层软化坍塌。由于盾构机压气作业系统不完善，因此经项目部研究后决定采用盾构机回填加固土仓后开仓换刀的方案。
3．回填加固土仓换刀技术应用
3.1 技术要点
回填加固土仓换刀技术主要为清除仓内渣土，往土仓内注满水泥膨润土浆液加固掌子面及土仓，使掌子面前方及刀盘周边形成一道不透水的水泥浆护墙，护墙与刀盘共同维持掌子面的稳定，创造常压状态下开仓换刀作业条件，在水泥浆初部凝固后打开土仓门，人工清除土仓内多余的水泥浆固块，使仓内具有一定的空间，然后在常压状态下同步更换刀具[3]。
3.2 工艺流程
3.2.1 管片背后注双液浆止水
首先对脱出盾尾的第142～150环管片进行二次双液注浆，对管片外部的空隙填充密实，防止后方土层与管片间隙渗漏水流向刀盘前方。注浆量根据注浆压力而定，注浆压力接近0.3Mpa便可。
3.2.2 盾体超前注浆加固
进行盾体超前注浆，利用盾构机中体上部2个超前注浆孔注入水泥浆，每孔注浆量约6m3。用于填充盾体与土层之间的空隙，防止开仓后盾体周围的水涌向土仓，并可对刀盘前上方土体进行加固。
3.2.3 土仓排渣
本次回填加固土仓根据掌子面地质情况，主要为上部土体不稳定，因此只需加固掌子面上部即可。通过计算，土仓容量约28m3，将土仓内的碴土排出一半左右，约16m3。开始打开螺旋机排渣，此过程不能转刀盘，避免上部软土再次被刀盘扰动剥落造成上部塌方，出碴的同时，向土仓内注入压缩空气，使土仓上压力计压力维持在0.8bar左右，保证掌子面的稳定，并避免气压上下波动过大；渣土排完后，关闭螺旋机后闸门，继续开动螺旋机，使螺旋机内装满碴土后停止转动，防止回填加固的水泥浆流进螺旋机内，并向螺旋机内注入膨润土，增加润滑效果，保证螺旋机内碴土的流动性、和易性，主要为避免螺旋机再次启动时被浆液固结而卡住。
3.2.4 土仓回填加固
开始从土仓隔板9点和3点部位向土仓内注入水泥膨润土浆液，浆液配比为：水泥：膨润土：水＝1：0.2：1。注浆压力控制在0.3Mpa内。在注浆的同时，打开土仓门隔板上面位置的排气口排气，在这过程中土仓压力要保持平衡置换，直到排气孔排出浆液后关闭排气孔，最后利用土仓门隔板上面的注入孔注入浆液，上土仓压力控制在2.5bar左右，避免压力过高使地面隆起。注浆的过程中当压力达到土压平衡时可以短时间正反方向转动刀盘，刀盘扭矩会越来越大。但浆液开始初凝后不能再转刀盘，最后刀盘停止转动时需使刀盘与中心旋转接头位置处于水平位置，便于刀具更换。注浆的时间控制越短越好，由于盾构机注浆设备效率较低，本次注浆用时20小时，大约注浆量为52m3，上部土压压力最高时达到2.8bar，土仓饱满后停止注浆，等待浆液凝固；为了避免水泥浆液凝固螺旋机，停止注浆后螺旋机每1小时点动反转一次。
图1 仓门开启后检查回填加固效果
3.2.5 开仓清理及更换刀具
注浆停止约24小时后，打开土仓隔板上9点、3点和上部注入孔，用钢筋往土仓内试捅，检验水泥浆液凝固情况，如果用力很难往里捅进，说明浆液凝固已经达到稳定掌子面的目的，准备清理工具，可以打开仓门清理凝固的水泥结块。在清理及换刀的过程中必须注意以下几点：
1）刀具未更换完成前，刀盘不能转动，开口、切口水泥结石不能破坏。
2）清理出一把刀具马上更换一把。
3）如有开口渗水现象，采用木板、木方、小钢筋顶住开口，同时利用小管把水引出。
4）先在一侧清理水泥结块换刀，直至清到螺旋机前口，可利用螺旋机排渣。
图2 清渣及刀具更换
3.2.6 关闭土仓
仓内水泥结块清理及道具更换完毕后，清理切口及周边结块。试转刀盘，复紧刀具螺栓，关闭土仓门。
4．总结及效果分析
1）本次回填加固土仓效果比较理想，回填加固后掌子面非常稳定，在换刀过程中掌子面未出现异常情况，且土仓底部水泥浆不多，便于清理，没有固死螺旋机，达到预想效果。
2）刚开始螺旋机可以转动排不出渣土，估计是因为螺旋机里面渣土水分流干后包住螺旋机叶片，当时采取在螺旋机上部注入水，待螺旋机底部有水流出来后，确定螺旋机里面已有通道流通，开始尝试排渣土，结果效果理想，渣土正常排出。
3）在刀盘停止转动时，由于刀盘没有停到中心旋转接头位置处于水平位置，给换刀带来困难，又加上掌子面下半部分是<10-3>中风化硬岩，每安装一把滚刀都要利用风镐破除装刀位置前方硬岩才能有足够空间安装滚刀，造成换刀较慢。在装刀过程中，由于刀盘停止位置不佳，造成37号滚刀经过几次反复安装都无法装上，最后决定把其它刀具都安装完后转动刀盘到合理的位置再安装。
4）刀具换完后，由下往上快速破除刀盘开口、切口，用时1天，试转刀盘，经过反复左右方向，刀盘在高油压控制在300bar下试转，刚开始刀盘没动静，试转约30分钟后刀盘慢慢有点动静，再经过正反方向转动刀盘，把刀盘转到便于刀具安装的位置，快速处理把37号刀装上，关仓门同步注入膨润土保压推进。刚开始往前推进时会出现推力大速度低的现象，主要因为盾体周边被浆液裹住的原因，待盾体往前推进大概3到4环后盾体脱困，推力恢复正常参数。
5）本次回填加固土仓换刀时间为2013年3月14号至2013年3月25号，用时12天，共换21把单刃滚刀、3把右向内刮刀、一把左向内刮刀。
5．结语
本次盾构回填加固土仓换刀技术的成功应用，丰富了盾构机开仓换刀作业的施工方法，成功解决在地面不具备加固条件及不具备压气作业条件下盾构机开仓换刀作业的难题，效果良好。本文结合盾构工程实例中回填加固土仓换刀技术应用情况的经验与教训，做简要的总结介绍，与有关同行交流借鉴。
参考文献：
[1]杜健伟；隧道盾构机开仓换刀环境的选择；广东公路交通，2005年第3期：54-61
[2]饶龙华；盾构隧道填仓换刀工艺的研究；城市建设理论研究，2015年第2期
[3]蒋中军；填仓换刀法在盾构区间施工中应用的原因与对策；城市建设理论研究，2012年第16期
[4]林宁；地铁盾构加压开仓换刀施工中的质量安全控制；福建建筑，2014年第11期：64-66
[5]易广俊；土压盾构机在掘进过程中常压开仓换刀的技术研究；建筑施工，2014年第4期：435-437
[6]朱红华；岩层中常压下盾构更换刀具技术浅析；江苏建筑，2011年第2期：93-96
论文作者:陈俊毅
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/13
标签：盾构论文; 刀具论文; 螺旋论文; 浆液论文; 注浆论文; 作业论文; 水泥浆论文; 《工程建设标准化》2016年4月总第209期论文;