柴高炯

(中鐵上海工程局集團有限公司城市軌道交通工程分公司，上海 200443)

0 前 言

某地鐵項目于2020年7月14日掘進至409環(huán)，其中，掘進401～409環(huán)，盾構(gòu)掘進速度1～5 mm/min，刀盤扭矩平均值2 000～4 000 kN·m，最大值4 000～5 000 kN·m，總推力1 900～2 200 t。速度慢，扭矩高，于2020年7月17日帶壓進倉作業(yè)，在第三倉作業(yè)過程中土倉內(nèi)CO含量超標，人員緊急關(guān)閉倉門，開始正常減壓出倉，停止帶壓作業(yè)。

出于安全考慮，帶壓開倉存在安全隱患，因此，考慮砂漿置換法進行開倉，更換墊高刀具，更換土壓傳感器，安裝、試驗高壓沖洗裝置，清理泥餅。

1 工程概況

盾構(gòu)機停機位置位于河道泄洪堤內(nèi)桐口村居民果樹林地下方，刀盤里程為CDK1+519.458(415環(huán))，管片拼裝至409環(huán)。該位置隧道覆土為10.5 m，隧道上方為村民菜地和果樹林地。刀盤前方地層從上到下主要為粉質(zhì)黏土(0～1.8 m)、淤泥(1.8～3.7 m)、全風(fēng)化閃長巖(3.7 m～7.5 m)、強風(fēng)化閃長巖(砂土狀)(7.5～13.5 m)、中風(fēng)化閃長巖。洞身范圍地質(zhì)主要為強風(fēng)化閃長巖(砂土狀)、中風(fēng)化閃長巖。

勘察范圍內(nèi)所有鉆孔均遇見地下水?？辈鞎r測得鉆孔中初見水位埋深為1.00～9.20 m，初見水位標高為6.73～16.63 m；穩(wěn)定水位埋深為0.80～9.00 m，穩(wěn)定水位標高為6.33～16.23 m。

盾構(gòu)機位于泄洪堤內(nèi)，距離鐵路路基40 m，周邊無管線、高大建筑物，主要為果樹林地。

2 施工工藝

砂漿置換法是近年來國內(nèi)盾構(gòu)開倉較為常用的一種加固方法[1]。拌置一定強度砂漿，通過盾構(gòu)土倉壁檢查孔注入混合砂漿，置換盾構(gòu)土艙中部分或全部土體，利用砂漿與土體混合物將盾構(gòu)機刀盤前方、開口處裹住，尤其是上方砂漿混合物到達一定強度后形成具有防水及自立性的止水帷幕，然后開倉，分層、有序清除土倉內(nèi)砂漿進行檢查、換刀。

盾構(gòu)掘進參數(shù)異常，通過經(jīng)驗判斷刀具磨損嚴重，必須換刀后進行作業(yè)。但盾構(gòu)機所處地層為上軟下硬地層，穩(wěn)定性差，無法進行常壓開倉，且由于地層中CO含量較高，也無法進行帶壓開倉。而在砂土地層中，砂漿置換法常壓開倉作業(yè)具有較高可靠性、工期較短、成本較低、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點。

2.1 砂漿置換施工流程

地面加固及降水井施工→環(huán)箍注漿→正常推進5 cm→渣土置換→注水泥砂漿→盾體后退5 cm→回縮螺旋機關(guān)閉下閘門→開倉清倉→土倉回填→恢復(fù)推進。

2.2 地面注漿加固

由于前期帶壓開倉施工需要，已采用WSS后退式注漿進行地面加固，樁間距為橫向1.5 m、縱向1.5 m，梅花形布置，隧道范圍外采用水泥-水玻璃雙液漿加固，隧道范圍內(nèi)采用水泥漿加固，漿液配比水灰比為1∶1，水玻璃∶水=1∶1，水泥漿∶水玻璃液=1∶1。為加強刀盤前方土體自穩(wěn)性，在刀盤前方0.5、1.5 m以及刀盤上方采用WSS注漿再次對地面進行加固，距離為1 m，梅花形布置，刀盤前方加固至巖面，刀盤上方加固至盾體，隧道范圍內(nèi)及隧道上方1 m采用磷酸-水玻璃雙液漿，距地面4 m范圍不注漿，其余注水泥-水玻璃雙液漿。

2.3 降水施工

目前盾構(gòu)機刀盤里程為CDK1+519.458，通過地面在盾體及刀盤前方隧道范圍外打設(shè)4口降水井持續(xù)降水，降水井距隧道邊線5 m，間距4 m，降水井深15 m。根據(jù)盾構(gòu)機附近水位監(jiān)測孔將盾構(gòu)機周邊水位降低至地面以下14 m，即降水至中風(fēng)化巖層(刀盤中心埋深13.6 m)。換刀作業(yè)過程中應(yīng)保證端頭連續(xù)降水，定時對地下水位進行監(jiān)測。

2.4 環(huán)箍注漿

由于目前地層處于復(fù)合地層，地層滲透系數(shù)大，地下水豐富，為避免成環(huán)管片背后來水進入土倉造成砂漿置換失敗，在管片背后進行整環(huán)雙液注漿形成止水環(huán)，截斷管片背后來水。注漿環(huán)號選定在脫出盾尾4環(huán)之后進行連續(xù)5環(huán)二次注漿。管片背后注漿范圍見圖1。

圖1 管片背后注漿范圍

二次注漿采用水玻璃+純水泥漿的方式。漿液配比及其相關(guān)參數(shù)指標如下：水泥漿水灰比為0.8～1.0；水玻璃與水按1∶1進行稀釋；注入時漿液與水玻璃體積比為：水泥漿∶水玻璃=1∶1。

注漿過程中應(yīng)有排氣孔，排氣孔原則上設(shè)在預(yù)注漿孔上并安裝注漿單向逆止閥，同時打開球閥，直至出現(xiàn)冒漿時關(guān)閉球閥，10 min后檢查注漿效果，如有水溢出應(yīng)對該孔進行注漿。

2.5 渣土置換

氣壓輔助推進5 cm(左中土壓1.4 bar)，將鉸接伸長至允許最大值(160 mm)后，再使用攪拌站配置的純膨潤土泥漿直接置換。膨潤土泥漿配比為1∶8(質(zhì)量比)，膨化時間≥24 h，黏度40～50 MPa·s，采用同步注漿設(shè)備，將配置好的膨潤土泥漿通過2、10點鐘位置土倉壁胸腔球閥直接注入土倉內(nèi)，在保證土倉壓力不小于理論土壓的1.1倍的情況下，通過螺旋機將土倉內(nèi)原有的渣土置換。置換標準為螺旋機出渣中膨潤土占比為80%或注入膨潤土量大于20 m3后停止置換，開始砂漿置換。

2.6 土倉內(nèi)砂漿置換

根據(jù)福州地區(qū)開倉置換砂漿配比以及本地區(qū)地質(zhì)砂土含量，共設(shè)置8組不同配比試驗，如表1所示。

表1 砂漿配合比試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 單位：kg

綜合考慮掌子面穩(wěn)定、開挖難度、復(fù)推影響程度等因素，最終選定漿液配比為：水泥150 kg、砂820 kg、粉煤灰300 kg、膨潤土200 kg、水400 kg，漿液稠度9～11 cm，漿液初凝時間14～19 h(養(yǎng)護條件擬合土倉條件，封閉潮濕)。

砂漿置換以恒壓的原則進行，一邊通過螺旋輸送機出土，一邊通過同步注漿從土倉隔板球閥注入砂漿，注漿過程中保證土艙壓力維持在2 bar左右，避免壓力太小地面出現(xiàn)沉降及壓力太大對主軸承密封不利。注漿時緩慢轉(zhuǎn)動刀盤，刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.5～1 r/min，保證艙內(nèi)土體與砂漿充分混合，注漿量約60 m3，同時密切關(guān)注刀盤密封壓力并注入油脂，壓力不低于3 bar。

在注漿過程中隨時通過土倉隔板各個位置的球閥檢查置換效果，同時隨時檢查螺旋機出土碴樣中的砂漿含量。當(dāng)注漿量達到要求、螺旋輸送機出土砂漿含量達到90%以上、頂部壓力達到設(shè)定值并保持穩(wěn)定后，再次打開土倉隔板上所有球閥及盾構(gòu)中體的徑向注漿孔進行檢查，并將空心管通過球閥插入土倉內(nèi)取樣進行分析。

提前做好防盾尾后退措施，在盾尾焊接4塊工字鋼，防止盾構(gòu)倒退過多損壞盾尾刷。以注漿壓力使盾體后推約5 cm，同時人工回縮鉸接油缸。盾體回縮后保持土壓不變。必要時可加氣輔助后退。

需注意的是，最后一次轉(zhuǎn)動刀盤時將刀盤超挖刀置于3點鐘位置，便于后續(xù)換刀施工。

2.7 開倉前效果檢查

首先檢查倉內(nèi)漿液凝固情況，先打開土倉壁上的兩個球閥，用氣體檢測儀在球閥口進行氣體檢測，保證土倉內(nèi)無有毒有害氣體，再次利用粗細10 mm左右的鋼筋向土倉內(nèi)砸入，根據(jù)砸入的情況判斷凝固的情況。然后打開土倉門上方的球閥，同樣的方法檢查倉內(nèi)凝固的情況，看是否還有水流出。

檢查前盾側(cè)壁注漿情況，打開盾體上兩側(cè)的球閥，與上述方法相同，檢查注漿后側(cè)壁土體情況，看是否還有未凝固的砂層、是否還有地下水流出。如兩個條件均滿足，則表明側(cè)壁加固效果也比較好。

通過檢查，確保開倉前砂漿置換達到預(yù)期效果，水位到達開倉條件，方可開倉進行下步施工。

2.8 清倉及刀具檢查更換

開倉前先通過球閥對倉內(nèi)氣體進行檢測，無有毒有害氣體后打開倉門，利用鼓風(fēng)機向土倉內(nèi)輸送新鮮空氣，以置換倉內(nèi)污濁氣體，安質(zhì)人員時刻檢測倉內(nèi)是否含有有毒有害氣體，確認其無有毒有害氣體、準備好照明設(shè)施后方可讓人員進入土倉施工。

清艙利用鐵鎬、鐵鍬，采用編織袋裝土，人工送上皮帶機，再由皮帶機送往渣土車。清艙順序由上至下，切口環(huán)及開口處水泥漿保留。如鑿除過程中部分過鑿或局部滲水，立即采用快硬水泥封堵。須在人艙及皮帶機之間搭設(shè)鋼板溜槽，并在人員活動范圍兩側(cè)捆綁麻繩防護欄桿，防止人員墜落。此時艙內(nèi)溫度較高，及時通風(fēng)和用冰塊進行降溫，同時備用1臺2 kW水泵，在清倉過程中如果底部有水滲出則及時用水泵抽水。

清倉過程中邊清倉邊更換刀具，刀盤輻條開口以及中線三角區(qū)暫不清理，直接清理刀箱。清理刀廂時應(yīng)鑿出一把，更換一把，若拆刀過程中掌子面不穩(wěn)有渣土流出，應(yīng)立即封閉刀廂并插管注入水泥漿[2]。

刀具磨損的建議標準：周邊磨損量為15 mm，齒刀磨損量為10 mm左右時更換。這個指標的確定與刀具耐磨層厚度有很大關(guān)系。

3 施工效果

本次砂漿置換常壓開倉換刀各個環(huán)節(jié)整體受控，無質(zhì)量安全事故。

1)加固效果良好。加固后的地面隆起明顯，在加固區(qū)域取芯驗證加固效果，芯樣可見大量固化砂漿；進倉作業(yè)過程中掌子面始終比較穩(wěn)定，未出現(xiàn)掌子面坍塌情況，確保了開倉作業(yè)始終處于安全環(huán)境下。

2)降水效果良好。在開倉前24 h開始降水，并在清倉和換刀過程中始終保持降水，土倉內(nèi)總體滲水量較小，雖然隨著換刀數(shù)量增加滲水點增加，已有滲水點水量不斷減小，始終保持在可控范圍內(nèi)，如圖2所示。

圖2 降水效果

3)填倉。采用泡沫及自動保壓系統(tǒng)將土倉內(nèi)膨潤土排出，注入砂漿并繼續(xù)排土，螺機出現(xiàn)明顯砂漿，縮回螺機關(guān)閉下閘門，繼續(xù)通過漿罐注入砂漿，壓力穩(wěn)定在2 bar后后退刀盤12 cm，繼續(xù)注入砂漿，確保壓力穩(wěn)定2 bar后停止，過程中轉(zhuǎn)動刀盤，注入完成后刀盤停轉(zhuǎn)，停到制定位置。

4)清倉。清倉過程中配置了白班和夜班兩班人員，保證開挖作業(yè)不間斷。清理過程中，土倉內(nèi)砂漿由上向下一次性清理完成，不包含刀盤上的砂漿，作業(yè)過程中做好防墜、防腐蝕、通風(fēng)等安全措施。

5)換刀。換刀分左右兩個作業(yè)面同時作業(yè)，加快進度。在刀盤已提前清理的情況下可左右開展兩個工作面，同時換刀。

4 結(jié)束語

運用砂漿置換法常壓開倉作業(yè)得到了順利實施，各個環(huán)節(jié)未出現(xiàn)質(zhì)量安全事故，主要結(jié)論與建議如下。

1)開倉方案比較。常壓開倉適用于穩(wěn)定地層，工期短、費用低、風(fēng)險低；帶壓開倉適用于較穩(wěn)定地層，但地層中有毒有害氣體含量不能超標，本項目CO超標無法使用，工期較長、費用較高、風(fēng)險高；砂漿填倉法開倉換刀，地層適應(yīng)性較強，地層氣體含量對本工法使用無影響，周期長、費用高、風(fēng)險低。

2)地面加固要在盾體上方、前方均有布置，且下部要使用磷酸-水玻璃溶液進行加固，避免漿液卡盾體影響復(fù)推。

3)砂漿性能要進行提前試驗，驗證強度和凝結(jié)時間，強度不足易造成掌子面失穩(wěn)，強度過大易造成清倉換刀困難。

4)在填倉前，刀盤中心刀調(diào)整成垂直狀態(tài)，方便更換。

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