摘要：盾构机在上软下硬的复合地层中掘进施工，刀具的易损而需要开仓换刀，因顶部覆土及掌子面土层自稳性差，气密性差，裂隙水发育等不良因素，气压作业极易失败进而导致更严重的后果。本文结合了广州地铁十四号线某标段在上软下硬复合地层中采取填仓换刀工艺的成功案例，论述了在复合地层中水泥填仓换刀的一些要点及关键技术。
关键词：盾构法；常压换刀；复合地层；惰性浆液；关键技术
1.工程概况
广州市城市轨道交通14号线某区间复合地层隧道掘进工程总长度为1968.3米，采用海瑞克Ø6280土压平衡盾构施工。主要穿越中、微风化地层、强风化地层、上软下硬复合断面地层及裂隙水发育地段，顶部覆土深度10.4—11.2m，地下水位标高7.50—21.74米，岩石抗压强度最大为110Mpa。
当盾构掘进至+919环即里程ZDK15+440.561时，掘进参数异常，掘进速度小于5mm/min，推力、扭矩增大，919环当前有效行程为1500mm，掘进时间已长达7h，渣土内铁屑含量较多。
根据地质勘察报告，盾构停机处隧顶埋深为11.4米，所在地层自上而下分别为<1>人工填土层、<7-2>炭质页岩、炭质泥岩强风化、<9C-2>微风化灰岩，其中停机处隧道开挖面上部为<7-2>，下部为<9C-2>，其中<9C-2>中夹有部分<7-2>地层，地层裂隙水较为发育。此时根据勘察报告基本判定盾构前方底部存在2-3m范围的基岩面，刀具状况极不理想，盾构已无法继续掘进施工，必须开仓换刀。
2.气压开仓工况概述
根据地下水位及土体情况，首先采用气压开仓的方式，希望通过土仓注入浓泥浆，保持土压在一个高于地层压力的数值，使浓泥浆渗入裂隙及土体中，形成封闭的泥膜，并利用空气压缩机将空气加压注入土仓，以气压代替土压，通过在土舱内建立合理的气压来平衡刀盘前方水、土压力，达到稳定掌子面和防止地下水渗入的目的，从而有序开展的开仓换刀作业。但由于该地段地层裂隙发育较多，盾构机土仓先后两次用浓泥浆保压至1.8bar，持续30分钟之后，都出现了气体无法保压的情况，在进行第三次浓泥浆保压时，地表出现松陷，形成约16m3的空洞，经由多次研究，最终决定采用化学浆液+水泥砂浆填充实现常压开仓换刀的目的。
3.化学浆液+惰性浆液填仓换刀工况概述
3.1地面化学注浆加固
盾构机筒体上方地面布置两排梅花形注浆孔，间距0.75m，加固深度11m（筒体上方0.5m）；刀盘前方布置2排注浆孔，间距0.75m，加固深度岩面以下0.5m。化学注浆主要采用丙烯酸盐高分子化学浆材料，它具有固化时间可调性、良好的堵水性能和耐水性能力、具有一定的固结形态等优点，和水泥浆经混合管路灌入土层，混合后的浆液在压力的作用下，对加固地层进行渗透，土层劈裂形成骨架网格，挤压密实，孔隙水胶化，水泥浆液形成网络骨架，从而使盾构机周边土体封闭固结，形成U型止水帷幕。
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3.2碴土置换
通过盾构机膨润土注入系统在中隔板3/9点位置的预留注浆孔注入高浓度泥浆，注入时打开顶部的观察孔，置换土仓内碴土，置换过程中保持仓内压力在2.0bar，并收集顶部排出的泥浆进行粘度测试，粘度大于40S则可停止置换，否则继续置换。
盾尾及仓内充注浓泥浆、径向孔注水溶性聚氨酯，使盾尾位置、盾体与中体之间的空隙填满浓泥浆和聚氨酯，防止填充浆液流进盾体与土体之间裹住盾体；
3.3惰性浆液填仓
1、提前进行惰性浆液配比（水泥：粉煤灰：膨润土：砂：水＝100kg：400kg：100kg：200kg：500kg）试验，浆液的性能指标为：12小时终凝，72小时达到固结，确保土层渗漏、固结密封效果。
2、利用同步注浆泵通过中隔板下部压注惰性浆液，同时打开3、9点位（或上方）的球阀缓慢释放空气和泥浆，直至排出惰性浆，再用1点位的球阀缓慢释放空气及稀泥浆，注约30方浆填满土仓后，人闸上方观察孔排出的浆液判断为惰性浆后停止注浆。
3、换排过程中保持仓内压力的稳定，惰性浆液的压注压力以2.0bar～2.5bar为宜。压注过程中，需间隔90分钟转动刀盘2～3圈。
4、待惰性浆初凝后（约12小时），使用二次注浆机，将惰性浆从10点位的球阀向土仓加注，打开人闸位置的球阀缓慢释放土仓内空气。直至人闸上方球阀流出浆液后，继续注惰性浆，并实行分级加压，直至将仓压维持在2.0bar后停止注惰性浆。
3.4土仓清理、检查换刀作业
土仓回填完成，每隔2小时通过泄压孔处判断浆液凝固强度，仓内固结体达到自稳要求后，施工人员准备好工具，按照开仓作业程序表要求进行气体检测和施工作业。
土仓清理作业顺序应由上往下分段进行，刀具、刀箱检查与更换应先中间后边缘。同时为保证仓内施工人员的安全，先期开挖的部分必须在切口环、刀盘开口角部位置采用快速水泥加固，有水流的采用塑料管引出仓外，减少水压力，刀盘开口处用“九分板”加钢筋进行加固封闭，保证刀盘面的砼完整性。
仓内作业完成后对土仓、刀具及刀盘前方进行全面的检查，确保刀具螺栓及拉杆锁紧，土仓没有遗留工具、杂物，刀盘前方没有障碍物。
4.结语
经实际工程检验，填仓常压换刀施工技术，能有效解决上软下硬地层保压效果较差且不具备加固条件的换刀难题。同时施工所采用的化学浆液，能有效地封堵岩层裂隙、抑制来水，并大大地降低了清仓的工作难度，同时增强对刀盘、刀具的保护。本次成功的开仓施工经验也为同类地层盾构开仓提供了借鉴。
参考文献：
［1］袁晏仁，徐长胜，王科伟，石佳.上软下硬地层盾构法分区填仓常压换刀施工[J].建筑机械化，2018，39（02）：38-41.
［2］竺维彬，鞠世健等著.复合地层中的盾构施工技术[M].第一版.北京.中国科学技术出版社，2006
论文作者:杨显颖
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/25
标签：浆液论文; 盾构论文; 地层论文; 惰性论文; 泥浆论文; 作业论文; 裂隙论文; 《基层建设》2019年第3期论文;