羅旭

摘 要：某城市地鐵地下區(qū)間施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)穿越上軟下硬復(fù)合地層的過(guò)程中出現(xiàn)了部分刀具損壞嚴(yán)重導(dǎo)致開挖直徑不足而被迫停機(jī)的情況，需要進(jìn)行開倉(cāng)換刀作業(yè)。結(jié)合實(shí)際情況，施工單位通過(guò)比對(duì)，最終采取了人工挖孔+常壓開倉(cāng)的施工方案，較好地解決了換刀問(wèn)題，可為以后類似工程解決這些施工難題提供參考。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)工程;換刀;人工挖孔;常壓開倉(cāng)

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）18-0098-05

Abstract： During the construction of underground section of subway in a city， some cutting tools of shield machine were damaged seriously when it crossed the composite stratum of upper soft and lower hard. As a result， the excavation diameter was insufficient and the machine was forced to stop. It was necessary to open the silo and change the tool. Considering the influence of practical problems， By comparison， the construction unit adopt the key construction technology of manual digging and atmospheric pressure silo opening， the problem of tool change is well solved， and set up a reference case for future similar projects to solve these construction problems.

Keywords： shield engineering;change the knife;manual digging;atmospheric pressure silo opening

在地鐵盾構(gòu)工程復(fù)合地層掘進(jìn)過(guò)程中，砂卵石等強(qiáng)度較高的巖層會(huì)嚴(yán)重磨損盾構(gòu)機(jī)的刀具。為保證盾構(gòu)掘進(jìn)工作正常進(jìn)行，需要頻繁更換刀具[1-2]。而盾構(gòu)施工過(guò)程中的開倉(cāng)換刀作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)較高，如何采取相應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)安全開倉(cāng)是一個(gè)難題[3-4]。如果地層自穩(wěn)能力較強(qiáng)，可在常壓下直接開倉(cāng)進(jìn)行換刀操作;如果盾構(gòu)機(jī)在軟硬不均的地層中掘進(jìn)時(shí)需要換刀，則會(huì)面臨諸多困難[5-6]。本文以某城市地鐵左線盾構(gòu)工程開倉(cāng)換刀經(jīng)過(guò)為依托，在梳理工程實(shí)際難題的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述人工挖孔+常壓開倉(cāng)的關(guān)鍵施工技術(shù)，為以后遇到類似問(wèn)題提供參考。

1 工程概況

某盾構(gòu)區(qū)間左線全長(zhǎng)897.617 m，洞徑6.000 m，區(qū)間設(shè)有一座聯(lián)絡(luò)通道。該區(qū)間地質(zhì)從上至下依次為素填土層、粉質(zhì)黏土層、卵石層、礫砂層和灰?guī)r層，隧道范圍內(nèi)大部分為礫砂層和灰?guī)r層。

根據(jù)鉆探觀測(cè)到的水位結(jié)果，該區(qū)間基巖水屬于微承壓水，承壓水頭為3～6 m，承壓水位埋深為5.60～12.00 m，局部不具承壓性。

本工程使用的是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)刀盤共配置滾刀35把，其中邊緣滾刀7把，正面滾刀20把，中心滾刀8把，最大開挖直徑為6.280 m?？紤]到砂石地層的影響，將原設(shè)計(jì)的8把保徑刀增加到12把，開挖直徑6.260 m。此外，超挖刀最大開挖直徑6.380 m。

按施工計(jì)劃要求，施工單位在聯(lián)絡(luò)通道位置（274環(huán)，每環(huán)1.5 m）進(jìn)行了一次全面的常規(guī)開倉(cāng)檢查，并更換了磨損的刀具。

2 地質(zhì)情況

盾構(gòu)機(jī)左線在384環(huán)～389環(huán)的推進(jìn)過(guò)程中，垂直姿態(tài)開始出現(xiàn)上浮。389環(huán)掘進(jìn)完成時(shí)的垂直姿態(tài)為前端191 mm、后端198 mm（規(guī)范要求不超過(guò)100 mm），單環(huán)垂直變化量約為26 mm。過(guò)程中盾構(gòu)司機(jī)及時(shí)進(jìn)行了糾偏，但上浮趨勢(shì)無(wú)明顯改善。根據(jù)384環(huán)～389環(huán)推進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的推力增大、刀盤震動(dòng)以及土倉(cāng)內(nèi)異響明顯等情況，初步判斷盾構(gòu)機(jī)部分刀具損壞，其中邊滾刀的損壞使得刀盤無(wú)法切削進(jìn)板巖，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)上飄，需要再次更換刀具。

本次盾構(gòu)機(jī)停機(jī)所處位置為市政道路下方，線路上方北側(cè)為4 m×4 m大小的箱涵;線路南側(cè)為已建小區(qū)，距離左線隧道邊線約35 m;線路北側(cè)為待建項(xiàng)目基坑;線路南側(cè)為公園;線路東側(cè)為河流，水量較豐富。具體環(huán)境如圖1所示。盾構(gòu)機(jī)停機(jī)處地層從上到下依次為素填土層、粉質(zhì)黏土層、卵石層、礫砂層和強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r層，地質(zhì)縱斷面圖如圖2所示，其中盾構(gòu)機(jī)處于礫砂層中。

3 盾構(gòu)帶壓開倉(cāng)作業(yè)

停機(jī)位置隧道斷面內(nèi)大部分為砂卵石地層，地質(zhì)條件相對(duì)較差，加劇了換刀的危險(xiǎn)性。為降低本次壓氣換刀的風(fēng)險(xiǎn)，提高換刀的成功率，經(jīng)研究選擇帶壓開倉(cāng)方式進(jìn)行換刀作業(yè)。

3.1 換刀流程

對(duì)刀盤前方、盾體周圍地層注入漿液形成泥膜，保證刀盤前方周圍地層和土倉(cāng)滿足氣密性要求的條件;通過(guò)在土倉(cāng)內(nèi)建立合理的氣壓來(lái)平衡刀盤前方的水、土壓力，達(dá)到穩(wěn)定掌子面和防止地下水滲入的目的;作業(yè)人員在土倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行安全檢查、維修保養(yǎng)和刀具更換等作業(yè)，具體流程見(jiàn)圖3。

3.2 刀具檢查及更換

根據(jù)實(shí)際情況，此處進(jìn)行了兩個(gè)階段的帶壓開倉(cāng)換刀。

3.2.1 第一階段。帶壓開倉(cāng)換刀采用注入膨潤(rùn)土的方法建立泥膜，共計(jì)完成7次帶壓開倉(cāng)作業(yè)，換刀6把。從開倉(cāng)的情況來(lái)看，刀具磨損情況比預(yù)計(jì)嚴(yán)重（見(jiàn)圖4），同時(shí)印證了推斷的準(zhǔn)確性。但是，在帶壓開倉(cāng)過(guò)程后期，掌子面左上部有膨潤(rùn)土土渣掉落形成了空洞，且有水流入，已不能安全進(jìn)行換刀操作。

3.2.2 第二階段。帶壓開倉(cāng)換刀時(shí)，考慮到第一次采用注入膨潤(rùn)土建立泥膜未達(dá)到預(yù)期效果，施工單位改用衡盾泥建立泥膜開倉(cāng)，共完成12次作業(yè)，換刀11把。但是，由于盾構(gòu)機(jī)無(wú)法后退，掌子面與泥膜之間未形成一定厚度的泥墻結(jié)構(gòu)。因此，在刀箱清泥的過(guò)程中泥膜出現(xiàn)了破裂，導(dǎo)致壓力不穩(wěn)定，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行保壓換刀作業(yè)，其中剩余計(jì)劃的34B#刀具未完成?？紤]到換刀工作基本完成和停機(jī)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，施工單位計(jì)劃進(jìn)行試掘進(jìn)與復(fù)推，到達(dá)一定位置后再次安排檢查。

3.3 復(fù)推情況

由于前期盾構(gòu)姿態(tài)超限，經(jīng)設(shè)計(jì)調(diào)線調(diào)坡做了下壓20 cm的處理。在復(fù)推掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)速度變慢，同時(shí)存在姿態(tài)來(lái)回波動(dòng)較大、姿態(tài)不穩(wěn)定等問(wèn)題。另外，螺旋輸送機(jī)后閘門無(wú)法緊閉且伴隨有螺機(jī)噴涌現(xiàn)象;刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)至一定位置時(shí)會(huì)出現(xiàn)異響和震動(dòng)，且響聲較大。在396環(huán)位置出現(xiàn)了土量超方、地面脫空等問(wèn)題，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)再次停機(jī)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)渣樣分析及地勘圖對(duì)照，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)目前狀態(tài)，施工單位認(rèn)為隧道范圍內(nèi)可能存在底部基巖突起的情況，且高于地勘圖標(biāo)明的強(qiáng)度。同時(shí)，由于換刀不完全，致使部分新?lián)Q刀具受力過(guò)大而崩壞，見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，盾構(gòu)機(jī)的破巖能力不足，最終導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)繼續(xù)上飄，推進(jìn)速度慢且對(duì)地層的擾動(dòng)導(dǎo)致了地面出現(xiàn)脫空，已無(wú)法再次進(jìn)行帶壓開倉(cāng)換刀，需要實(shí)施新的換刀方案。

4 人工挖孔輔助常壓換刀作業(yè)

4.1 換刀流程

經(jīng)過(guò)多次研究，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定采用人工挖孔輔助常壓換刀方案，即在盾構(gòu)機(jī)刀盤前方位置使用人工挖孔輔助常壓開倉(cāng)的方式對(duì)刀盤外部刀具進(jìn)行檢查及更換。究其原因：①此處地下水位較高，且掌子面大部分為卵石層和礫砂層，透水性較好，不具備洞內(nèi)常壓換刀條件;②掌子面前方超方量較大，脫空層延伸至地面，已不具備帶壓進(jìn)倉(cāng)換刀條件;③通過(guò)補(bǔ)勘顯示刀盤前方還有基巖突起地層，若要最大限度地保證盾構(gòu)機(jī)安全順利地通過(guò)前方基巖突起段，必須對(duì)刀盤外圈的耐磨層進(jìn)行修復(fù)并加強(qiáng)刀具的破巖能力，而要完成此操作需要在刀盤前方作業(yè)。目前，人工挖孔輔助常壓換刀已經(jīng)是較為成熟的一種換刀方式，成功案例較多。

4.1.1 人工挖孔輔助。用于盾構(gòu)檢修的人工挖孔樁直接實(shí)施于盾構(gòu)刀盤位置，樁徑2 m，開挖深度至盾構(gòu)機(jī)中心。根據(jù)地質(zhì)和水文條件，孔樁采用倒掛井壁法施工，內(nèi)齒式護(hù)壁。孔樁在盾構(gòu)機(jī)以上結(jié)構(gòu)為圓形護(hù)壁結(jié)構(gòu)，下部為半圓形護(hù)壁。在孔樁護(hù)壁結(jié)構(gòu)施工完成后，在孔樁下部護(hù)壁結(jié)構(gòu)內(nèi)整體安裝鋼護(hù)筒?？讟杜c盾構(gòu)機(jī)平面位置關(guān)系和剖面圖，分別如圖6和圖7所示。

4.1.2 刀具優(yōu)化方案?？紤]到之前的施工過(guò)程和更換刀具后出現(xiàn)的問(wèn)題，必須對(duì)刀具進(jìn)行優(yōu)化處理：①在邊緣刮刀迎渣面的大圓環(huán)處焊接貝殼刀，保證開挖直徑的同時(shí)，保護(hù)邊緣刮刀外側(cè)合金;②安裝邊緣滾刀（32#、33#）時(shí)，要在刀座部位加裝適當(dāng)厚度的墊片，增大開挖軌跡線的半徑，確保開挖直徑足夠;③在邊滾刀刀座4個(gè)邊角加裝保護(hù)塊，在滾刀端蓋處增加耐磨設(shè)計(jì);④根據(jù)刀具檢查的實(shí)際情況確定是否恢復(fù)超挖刀，并對(duì)超挖刀具進(jìn)行改進(jìn)，升級(jí)為窄刃刀;⑤對(duì)破損的刀具進(jìn)行常規(guī)更換。

4.2 刀具檢查及更換

在孔樁開挖完成后，對(duì)刀盤進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，刀盤外圈的耐磨塊磨損較為嚴(yán)重，最大磨損量約為3 cm，因此需要更換刀盤耐磨環(huán)。另外，邊滾刀和正面滾刀磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)崩刃情況，大部分刀具已不具備破巖能力。此次人工挖孔樁內(nèi)換刀作業(yè)共計(jì)完成刀具更換24把，加裝貝殼刀16把，更換合金耐磨塊16塊。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)說(shuō)明

4.3.1 地層加固。為保證盾構(gòu)換刀過(guò)程的安全，采取地面注漿的方式對(duì)松散地層進(jìn)行加固處理，處理效果滿足要求。

4.3.2 降水井施工。為防止地下水對(duì)盾構(gòu)刀具更換造成阻礙，避免帶水作業(yè)，在地面布設(shè)降水井。初次擬定降水井的數(shù)量為6口，見(jiàn)圖8。但是，挖孔至18 m深時(shí)，樁底水位停止下降，無(wú)法繼續(xù)開挖，因此施工單位決定增設(shè)4口降水井，使地下水位下降至21 m處。

4.3.3 上部結(jié)構(gòu)施工。上部為內(nèi)徑2 m的圓形護(hù)壁結(jié)構(gòu)的下人通道，孔中心與刀盤面距離為400 mm，井深約15.8 m，開挖至盾體上方10 cm高度。

①超前探孔?？讟妒┕で霸诙軜?gòu)停機(jī)位置布置探孔點(diǎn)，采用地質(zhì)鉆機(jī)對(duì)停機(jī)區(qū)域孔樁周圍進(jìn)行探孔，避免地層中含有孔洞。

②測(cè)量放線、施作井圈。測(cè)定樁位確定好樁位中心，以樁位中心為圓心，以樁身半徑加護(hù)壁厚度為半徑，畫出上部護(hù)壁結(jié)構(gòu)的圓周?？讟吨行木嗟侗P刀具平面中心500 mm。

③孔樁開挖。挖孔樁使用鐵鍬或風(fēng)鎬等工具人工開挖土方，每次開挖深度為1 m，開挖面上口從井圈內(nèi)向下挖，下口護(hù)壁外形呈“八”字形。開挖的渣土采用自制提土筒裝卸和提升機(jī)運(yùn)輸。

④通風(fēng)照明。隨挖孔深度的下降，設(shè)置孔內(nèi)照明系統(tǒng)?？變?nèi)照明使用36 V安全礦燈。在孔內(nèi)設(shè)置通風(fēng)管，根據(jù)孔深、不同的地層等情況，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)向井下送風(fēng)。每次施工前的通風(fēng)時(shí)間不低于15 min，每次下孔前必須使用專用探測(cè)儀器檢查孔內(nèi)氣體。

⑤井內(nèi)降水?？讟堕_挖至一定深度后，樁內(nèi)會(huì)出現(xiàn)積水情況。應(yīng)在樁底開挖積水坑，坑內(nèi)放入潛水泵，將積水抽至地面排水溝。

⑥支模澆筑護(hù)壁。本處采用兩套模板重復(fù)周轉(zhuǎn)使用，每挖完一節(jié)（1 m）立即澆筑混凝土確?？妆诘姆€(wěn)定性。每節(jié)拆模時(shí)間不小于24 h，以確?；炷镣耆?。另外，每節(jié)護(hù)壁都要利用吊線墜檢查是否出現(xiàn)井位偏差。

⑦位置校核。掏底挖出刀盤頂，測(cè)量刀盤面與孔樁中心的距離及與刀盤中心的橫向偏差，確定盾構(gòu)是否需要推進(jìn)以及需要推進(jìn)的距離，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤至檢修需要的角度。

4.3.4 下部結(jié)構(gòu)施工。下部孔樁深4.2 m，采用半圓形倒掛井壁，遠(yuǎn)離刀盤側(cè)為半圓井壁，靠近刀盤側(cè)采用1 cm厚木板直接緊貼刀具及土倉(cāng)內(nèi)土體。下部孔樁豎筋采用Φ10@200玻璃纖維筋，不設(shè)螺旋筋。挖孔過(guò)程中做好定位工作，下部孔樁開挖到底后，在孔樁內(nèi)安裝鋼護(hù)筒，如圖9和圖10所示。

①鋼護(hù)筒的安裝。在孔樁開挖完成且周邊注漿加固穩(wěn)定井壁后，采用吊裝設(shè)備吊整體鋼護(hù)筒至井底。鋼護(hù)筒采用直徑1 950 mm、壁厚10 mm、頂部1 m為整圓，下部4.5 m為切割成開口的半圓形，鋼護(hù)筒筒身采用Φ20@500螺紋鋼進(jìn)行加肋處理。鋼護(hù)筒下沉至井底后進(jìn)行固定，鋼護(hù)筒開口處距刀具10 cm。鋼護(hù)筒上部1 m在圓形井壁結(jié)構(gòu)內(nèi)，采用鐵楔子固定;下部在半圓形井壁結(jié)構(gòu)內(nèi)，對(duì)鋼護(hù)筒與半圓井壁間進(jìn)行注漿填充;鋼護(hù)筒外側(cè)涂抹脫模劑，以便于后期的拆除工作;鋼護(hù)筒開口處用方鋼焊接作撐桿，鋼護(hù)筒底焊接半圓形鋼板封底。

②井內(nèi)降水。在積水坑內(nèi)放入潛水泵將積水抽至地面排水溝。

4.3.5 作業(yè)檢查。刀具更換完成后進(jìn)行全面檢查，確保沒(méi)有遺漏。

4.3.6 人孔回填。檢修完成后，從下往上拆除鋼護(hù)筒底板鋼板、開口處對(duì)撐及鋼板，最后拆除上部鋼楔子。在地面采用千斤頂整體拉動(dòng)鋼護(hù)筒，護(hù)筒松動(dòng)后再采用吊裝設(shè)備將鋼護(hù)筒整體吊出?？紤]到盾構(gòu)機(jī)土壓平衡的需要，回填時(shí)先使用沙袋回填至盾構(gòu)機(jī)頂部以上2 m，待刀盤通過(guò)后回填M10水泥砂漿至地面下0.5 m。回填完成后恢復(fù)道路基層和瀝青路面，盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)。

4.4 風(fēng)險(xiǎn)控制

此處風(fēng)險(xiǎn)主要指人工挖孔過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)：開孔定位偏差過(guò)大，不能達(dá)到操作面;鋼護(hù)筒的定位不準(zhǔn);挖孔過(guò)程中發(fā)生坍塌;降水不到位、抽水不及時(shí)等，導(dǎo)致不能滿足作業(yè)條件;孔中存在有毒氣體等。

4.5 復(fù)推情況

由于盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)且刀盤頂部已經(jīng)與地面貫通，復(fù)推時(shí)應(yīng)為常壓模式。在能推動(dòng)的情況下，盡量采用低推速、小推力、刀盤低轉(zhuǎn)速等方式來(lái)保護(hù)新?lián)Q的刀具。隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，逐步建立倉(cāng)壓，最終實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的順利復(fù)推。

5 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)在經(jīng)過(guò)人工挖孔樁輔助常壓換刀作業(yè)后順利進(jìn)行了復(fù)推并完成了效果驗(yàn)收，但本次問(wèn)題的處理歷經(jīng)近半年，耗費(fèi)了大量人力和物力。通過(guò)對(duì)本次施工過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，可以得到以下經(jīng)驗(yàn)。

①盾構(gòu)在復(fù)合地層掘進(jìn)前選擇合適的刀具至關(guān)重要。砂卵石及強(qiáng)度較高的巖層會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的刀具磨損嚴(yán)重甚至發(fā)生崩裂，因此應(yīng)選擇耐磨且硬度不高的刀具。

②盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中如遇到姿態(tài)不可控的情況，在姿態(tài)糾正過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行緩慢糾偏，每環(huán)管片糾偏量不超過(guò)5 mm，防止盾構(gòu)機(jī)形成拱背狀態(tài)，也防止管片在急糾偏過(guò)程中出現(xiàn)破損、錯(cuò)臺(tái)等質(zhì)量問(wèn)題。

③做好盾構(gòu)區(qū)間的超前補(bǔ)勘非常重要，特別是對(duì)于比較復(fù)雜的地質(zhì)條件。

④在開倉(cāng)換刀前應(yīng)制定好完善的刀具更換方案，提前準(zhǔn)備好各類盾構(gòu)刀具，避免因材料、工具不到位而耽誤時(shí)間。開倉(cāng)完成后需清點(diǎn)好各類工具并帶出倉(cāng)外，防止工具遺留在倉(cāng)內(nèi)影響掘進(jìn)工作。

⑤在泥漿配置過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照配比精確把控各種材料的用量，使配置好的衡盾泥能夠達(dá)到理想效果，有利于后期保壓工作的順利進(jìn)行。

⑥在帶壓開倉(cāng)過(guò)程中關(guān)注空壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，及時(shí)對(duì)地面進(jìn)行巡視及監(jiān)測(cè)，檢查地面是否存在漏氣情況。如出現(xiàn)土倉(cāng)突然失壓或者泥膜破裂等現(xiàn)象，維修人員應(yīng)立即減壓出倉(cāng)。

該施工單位在經(jīng)過(guò)帶壓開倉(cāng)、人工挖孔樁輔助常壓換刀后，順利完成了刀盤修復(fù)及刀具更換工作。實(shí)際施工過(guò)程中使用的人工挖孔樁輔助常壓開倉(cāng)換刀方法以及相關(guān)的技術(shù)措施，為類似的復(fù)雜地層下盾構(gòu)隧道開倉(cāng)換刀工程積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。

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