1.同济大学地下建筑与工程系 上海 200092
2.徐州市城市轨道交通有限责任公司 江苏徐州 221000
摘要：徐州市轨道交通1号线的盾构掘进表明，在富水岩溶复合地层中开挖刀具的磨损非常严重。结合徐州市轨道交通1号线彭文区间，在带压换刀方案进仓鉴定工况时发现掌子面存在喷涌风险的情况下，对富水岩溶复合地层中盾构填仓常压开仓换刀技术进行了有益尝试并获得成功。详细介绍了填仓换刀的施工流程，结合施工效果和地表沉降监测数据，证明在富水岩溶地层中，采用填仓常压换刀可以降低开仓风险，显著提高开仓效率，为今后同类地层施工积累经验。
关键词：富水岩溶；换刀；常压开仓
Construction technology of normal pressure opening and changing cutter for shield in water-rich karst composite stratum
Fan Zi-yang1 Li Zhi-ming2 Liu Xin-xin2 Li Qiankun2
(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji Unviersity, Shanghai 200092, China;2.Xuzhou Rail Transit Group Co., Ltd., Xuzhou, Jiangsu 221000, China)
Abstract：The shield tunneling of Xuzhou metro line 1 shows that the cutting tool wear is very serious in the water-rich karst composite strata. Combined with Pengwen interval of Xuzhou rail transit line 1, under the condition that there is a risk of gushing in the face of the hand when the pressure changing tool scheme is introduced into the cutter chamber, makes a beneficial attempt and success on the normal pressure opening and changing tool technology of shield filling in the water-rich karst composite stratum. This paper introduces the construction process of filling and changing the knife in detail, combining with the construction effect and the monitoring data of surface subsidence, it is proved that the use of filling and changing the knife under normal pressure can reduce the risk of opening cutter chamber, significantly improve the efficiency, and accumulate experience for the construction of similar strata in the future.
Key words：water-rich karst; change the cutter tools; open cutter chamber under normal pressure
1 引言
在复杂地层中盾构施工很大的一个问题是刀具磨损，一方面，硬岩地层自身抗钻性和研磨性强，直接导致刀具磨损严重；另一方面，在软硬不均地层交界面出会产生周期性的碰撞，刀具受到的巨大冲击力，引发非正常损坏。刀具的损坏会降低直接影响盾构的掘进效率，目前的常规解决方法是进仓更换磨损的刀具，根据开挖土体的自稳性选择常压或者带压开仓换刀方案。在富水岩溶地层中，如何保证开仓换刀的施工安全，并且将环境影响降到最低，是一个急需解决的问题。林宁[1]以福州地铁工程为实例，着重从开仓前准备、开仓进仓过程等几方面分析总结了施工中的质量安全控制要点。任晓龙[2]通过对深圳地铁7号线某区间施工中刀具磨损情况、换刀点采取的加固措施以及开仓换刀技术进行分析，总结了盾构机换刀点加固及开仓换刀技术。马瑞升[3]结合具体工程实例，详细介绍了在岩溶地层中填仓常压换刀流程，结果表明在岩溶地层中选择填仓方式进行换刀是可行的。
本文以徐州地铁1号线彭文区间为工程背景，介绍了本工程中所采用的适用于富水岩溶地层的填仓常压开仓换刀施工技术，结合地表加密测点的监控数据，验证了本方法的可行性及安全性，以期对类似工程提供参考。
2 工程概况
2.1 工程地质
彭城广场站～文化宫站区间隧道洞身范围内主要地层为(5)3-4粘土层、(2)6粉砂层、(12)4-3-2中风化灰岩、(12)5-3A中风化粉砂岩，见图1。由区间岩土工程详堪报告显示，其中(12)4-3-2中风化灰岩饱和单轴抗压强度最大值为95MPa，平均值58MPa。
图1 彭城广场站～文化宫站区间左线地质图
2.2 水文地质
根据钻探揭露，地下水（潜水）埋深约3.20~5.40m，水位标高约27.40~35.52m，受地形影响起伏较大，根据地区经验，潜水水位变化幅度约为1.0m。岩溶裂隙水水位埋深为6.66~14.52m，水位标高24.20~26.00。岩溶裂隙水水位受大气降水影响显著，年动态随季节而变化，一般每年雨季降水高峰过后一到两个月，水位达到最高点，其后水位降低，至旱季末水位下降至最低点，年变幅5~10m。
2.3刀具配置
本标段采用海瑞克复合式土压平衡盾构机进行掘进，盾构机在文化宫站始发前，刀具全部更换为新刀，滚刀更换为一盘庞万力滚刀。刀盘配置4把中心双刃滚刀、32把单刃滚刀、38把刮刀刮刀、12把贝壳刀，还配置有保径刀、超挖刀等刀具，见图2。
图2 盾构机刀盘图
3 开仓点情况介绍
3.1周边环境及地质情况
彭文区间左线408环，隧道埋深18.5米，隧道范围内下部4.2米为（12）4-3-2中风化灰岩，上部2米为⑤4-3粘土层；拱顶上部0.8米⑤4-3粘土层，4.9米②-6粉砂层，①1-2老城杂填土，见图3。目前刀盘位于淮海路机动车道与非机动车道下方，医药公司大楼前。地面管线较多，分布有φ600mm的雨污管（钢管，埋深1.5m）、φ400mm的给水管（钢管，埋深1.1m）和5条强弱电管线。
图3彭文区间左线408环地质图
3.2盾构施工情况
盾构前期的掘进过程中依次穿越全断面粉砂层，上部粉砂、下部粘土层，上部粉砂、中部粘土、下部灰岩地层，上部粘土、下部灰岩地层，盾构均掘进正常。掘进至406环时，螺机喷涌严重，水量较大，推力、扭矩增大，速度降低至5mm/min左右，相关施工参数见表1。掘进至408环时，边缘滚刀刀具磨损检测装置报警，通过保压试验发现土仓气密性较差，经分析研究确定采取地表注浆加固，以达到带压开仓条件。
表1 盾构掘进参数统计表
4 带压进仓施工
4.1地面注浆加固
采用地面引孔注浆，孔位共布置30个。刀盘前方2排梅花形布置、间距2m，钻孔深度21m；盾体上4排梅花形布置、间距2m，钻孔深度18m（盾体上方0.5m），孔位布置见图4。钻孔底部1m注化学浆液（磷酸+水玻璃），累计222m³，防止盾体被水泥浆包裹；上部注双液浆，累计763m³，注浆加固范围见图5。注浆完成后，分别在刀盘前方（D2孔）、盾体上部（C3孔），分别钻孔取芯，以检验加固效果。通过现场取芯检验，粉砂层中水泥浆充填固结地层，注浆扩散效果较好，加固土体较为均匀，土体抗渗性能明显提高，土仓内保压效果良好。
图4 地面注浆加固平面图
图5 地面注浆加固剖面图
4.2 带压进仓情况介绍
7月29日进行第一次进仓，土仓保压1.8bar，进仓后立即对掌子面及拱顶土层情况进行检查，掌子面及拱顶土层稳定，土仓内较为干爽，无渗水情况。通过刀盘上部开口用钢管向掌子面取土样，土样为硬塑状粘土，含有化学浆液，无渗水情况。经开仓检查，1、3#及2、4#中心双刃滚刀脱落，中心双刃滚刀被钢筋卡住，刀箱严重变形（见图6），螺栓全部断裂，正面滚刀和边缘滚刀磨损较大。
图6双刃滚刀和滚刀刀箱破损图
8月3日晚土仓做降压试验，土压由1.8bar缓慢降至0.8bar，发现掌子面上部11点位置，有一块空洞，向土仓内喷水，并有粉砂印迹。随后人员撤出土仓，土压恢复并保持至1.8bar。
5填仓常压换刀作业
鉴于目前刀具磨损较为严重，部分刀具、刀箱需采取气刨、焊接作业，同时降压试验过程中发现掌子面出现空洞喷水的现象，为确保安全，最终更换为填仓常压换刀方案，具体实施流程如图7。
图7 回填常压换刀流程图
5.1填仓施工
分区填仓方案为土仓下部4.5米填充化学浆液（磷酸+水玻璃）20方，上部2.0米填充水泥砂浆，见图8。水玻璃混合液加入膨润土罐，磷酸混合液加入盾构机砂浆罐后，将螺机收回，打开两侧闸阀，排出土仓内水。
图8分区填仓图
螺机两侧闸阀开始冒气时，立即关闭螺机两侧闸阀和前闸门（前闸门关闭不能关闭时，则关后闸门）。打开12点位球阀，同时开始从3点位2个球阀分别注入磷酸混合液、水玻璃混合液，调整注入速率，保证磷酸混合液：水玻璃混合液=1:1注入。水玻璃混合液、磷酸混合液第二次注入完成后，第三次注入前关闭保压系统，再进行第三次注入。
第三次注入完成后从土仓连通器接注浆管注入水泥砂浆，水泥砂浆配比水泥：粉煤灰：膨润土：砂：水＝120kg：380kg：100kg：200kg：500kg。注入砂浆15方左右，注浆压力控制在2.0～2.5bar，至12点位球阀排出的浆液后停止注浆。水泥砂浆注入完成后，向膨润土罐里注入3方浓膨润土浆，用膨润土泵向泡沫口注入膨润土1方左右。水泥砂浆注入完成后12小时，从11点位球阀再次注入纯水泥浆（水灰比1:1）1方左右，确保填仓效果，注浆压力控制在2.0～2.5bar。
5.2清理土仓换刀过程
回填土仓完成后，常压条件下进人清仓，由于盾构机所处原地层上部为粘土层、下部为中风化灰岩，因此土仓清理时下部须凿刀盘开口及切口环，用厚度30mm的木板挡住开口位置，木板用槽钢等卡住。在中心双刃滚刀前方挖一个高2米、宽1.5米、深0.7米的猫耳洞，为气刨旧刀箱、焊接新刀箱提供空间。
5.3 地面监测
在开仓过程中，安排专人对刀盘前方5×10m范围内的地面实施全天24小时监测，对监测数据及时进行汇总，发现异常现象立即停止施工，安排仓内人员出仓，关闭土仓闸门。地面监测点布置及沉降值统计见图9，由图可知，8月15日之前带压进仓阶段发生一次突沉，调整为填仓常压方案后沉降值变化较为平稳。开仓阶段地表最大沉降值为12mm，属于可控范围内，表明本次开仓换刀方案实施有效。
图9 地面监测点沉降值
6结论
本文以实际工程为例，对富水岩溶地层中开仓换刀施工技术进行了分析介绍。富水岩溶地层中的溶洞和承压水会在开仓换刀过程中产生难以预料的施工风险，本工程初定带压进仓方案，在鉴定工况过程中发现风险点后变更为常压填仓换刀方案，结合地表沉降监测和最终施工效果，证明富水岩溶地层中采用填仓常压换刀可以降低开仓风险，显著提高开仓效率，本次成功开仓也为同类地层盾构开仓提供了借鉴。
参考文献：
[1]林宁.地铁盾构加压开仓换刀施工中的质量安全控制[J].福建建筑,2014(11):64-66.
[2]任晓龙,王创元,魏百术.盾构机换刀点加固及开仓换刀技术[J].水利水电施工,2016(05):98-101+134.
[3]马瑞升.岩溶地层中盾构填仓常压换刀技术研究[J].城市建设理论研究(电子版),2017(18):129-130.
论文作者:范子阳1,李志明2,刘新新2,李乾坤2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第12期
论文发表时间:2018/7/9
标签：盾构论文; 岩溶论文; 地层论文; 混合液论文; 刀具论文; 粘土论文; 水玻璃论文; 《基层建设》2018年第12期论文;