中铁二十五局集团第五工程有限公司 青岛 410000
摘要：长沙地铁3号线丝茅冲～烈士公园东区间盾构在下穿京广铁路框架桥前进行常压开仓换刀时出现涌水涌砂，导致掌子面顶部坍塌，项目部技术人员研究开发了盾尾超近距离止水环施工技术，通过该技术，顺利完成了二次进仓换刀，为盾构安全顺利下穿京广铁路提供了保障。
关键词：地铁施工；盾构掘进；富水地层；止水环
一、工程简介
（一）基本概况
长沙地铁3号线烈士公园东～丝茅冲站区间长约为1525m，采用两台土压平衡盾构进行施工，区间线路在Y（Z）DK26+110附近需下穿京广铁路框架桥，京广铁路框架桥左、右两侧分别为浏阳河和跃进湖，距离均不超过100m，盾构正式下穿影响框架桥长度约35m。该处盾构机下穿既有线施工风险为长沙地铁3号线一级风险源，为确保盾构安全、顺利下穿京广铁路框架桥，盾构机在下穿前需要开仓进行刀具检修，换刀区域提前进行地面袖阀管加固。
（二）水文地质条件
盾构下穿铁路框架桥前开仓换刀位置地层由上往下依次是杂填土—粉土—细砂—卵石—强风化板岩—中风化板岩，隧道主要位于中、强风化板岩层，隧道覆土层约16.5m，详勘测得隧道拱顶入岩1.5m，岩层裂隙发育，裂隙水与浏阳河和跃进湖水力联系紧密。
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图1.1 盾构下穿铁路前开仓换刀位置地质图
（三）盾构开仓换刀施工情况
2018年7月30日盾构机掘进至367环位置，按照原计划准备在该位置进行常压开仓换刀，此时盾构机隔京广铁路框架桥仅24m，且距离广铁集团批复的慢行计划开始时间8月10日仅10天时间。
7月30日晚班项目部开始进行常压开仓换刀作业，此时掌子面稳定，周边并没有大的水流进入土仓，掌子面岩层有轻微的裂隙水，判断开仓换刀的风险在可控范围，经刀具磨损测量后，决定只更换8把周边滚刀。截止7月31日晚，换刀人员在更换最后一把刀具时，发现在刀盘的左上方位置的漏水点逐渐加大，且水流逐渐变浑，并伴有少量的细砂流下，经现场技术人员检查后，立即组织换刀人员紧急撤离土仓，后漏点迅速扩大，漏下的砂卵石很快将土仓填满后，作业人员紧急关闭了仓门。随后项目部立即从地面开孔对脱空区域进行注浆处理后，未造成地面沉降。
8月3日上午盾构机恢复掘进，推进过程中发现地层含水量非常大，螺旋机喷涌严重，于是暂停掘进，项目部进行仔细分析后，判断为塌孔位置上方富水砂卵石地层水进入土仓引起，经测得地下水压力约为0.9bar。此时盾构机停机位置隔京广铁路框架桥仅24m，且距离广铁集团批复的慢行计划开始时间8月10日仅6天时间。
（四）处理措施
8月4日项目部根据施工现场实际条件制定了紧急开仓换刀的方案：基于对目前掌子面具有一定程度的自稳性的了解，在尽可能控制住螺旋机喷涌的情况下，盾构机继续掘进8环（不能靠铁路桥太近，否则常压换刀会对铁路框架桥产生较大的沉降影响），直至盾构机盾尾拖出塌空位置2m左右，再在尾盾后方设置止水环，堵住经塌空位置的水顺着盾体外壁进入土仓，待水堵住后再进行开仓换刀，止水环的效果是能否安全开仓换刀的关键。
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图1.3 开仓换刀掌子面塌陷示意图
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图1.4 二次开仓换刀方案示意图
二、盾尾超近距离止水环施工工艺
盾构施工一般的止水环的制作方法主要是采用二次注浆机通过管片拼装孔向管片壁后注入水泥浆，水泥浆凝固后则形成一个止水环箍，既可以起到隔离环箍前后水流通道的作用，又可以起到固定管片的作用。
而此次止水环位置挨着盾构机盾尾，且该位置水流动性大，这就对止水材料凝固后的强度和时间要求非常严格，要求既不能将盾构机盾体裹死，又要在水流量非常大的情况下极快的凝固形成有效隔水环箍，由于凝固时间快，则对加注的工艺要求非常高。
（一）止水环材料的选择
表2.1 止水材料性能等指标对比表
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1.通过对单液浆、双液浆、聚氨酯、环氧树脂四种止水材料各种性能的分析对比后，确定水性环氧树脂恰好满足施工需求，较其他材料其优点是：
（1）水性环氧树脂胶凝时间非常快，且遇流动性水时，其反应更加快，符合地层水流量较大的要求。而水泥浆和聚氨酯在该水文地质条件下基本上还未凝固就已经被水流冲走了，难以达到止水效果，否则需要加大注入量，但增加注入量又容易将止水材料压入盾构机土仓内，导致土仓内结泥饼；
（2）水性环氧树脂胶凝后形成一种中软的果胶体，其不仅能达到止水的效果，而且不会将盾构机盾体裹死。而单液水泥浆、双液水泥浆凝固后的强度较大，极易将盾构机盾体裹死，导致盾构恢复掘进后推力过大或推不动。
2.水性环氧树脂的缺点是：
（1）由于水性环氧树脂遇水反应极快，甚至在加注过程中潮湿的空气、泵和管路内的水都可能会在加注过程中堵塞泵和管路，因此对于加注速度和周边环境均有要求，需要加注速度快，且连续加注，另外加注时周边尽可能干燥。
（2）环氧树脂价格较贵，导致施工成本高，只在特殊情况下适合使用。
（二）人、材、机准备
表2.2 止水环施工所需人、材、机清单
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（三）施工步骤
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图2.1 止水环施工步奏和管路连接图
1.施工前先往土仓内注满发酵好的膨润土主要是为了盾构机在长时间停机情况下稳定掌子面和防止盾构机后方来水源源不断进入土仓内。
2.每环管片分为6块，每块上面有一个拼装孔，利用6个拼装孔制作6路注入管，管片上开孔完成后，加装注浆头和球阀。可以先打开球阀，通过流水大小，确定哪个方位是主要的水流通道，这样可以判断选择环氧树脂注入量，因为同步注浆浆液一般会将沉积在下半部分，所以环氧树脂的注入量从上往下递减，上部3#、4#注入量为各6桶，中部2#、5#各4桶，下部1#、6#各加注2桶，如有需要可视情况增加注入量。
3.将齿轮泵和管路按照图接好，所有球阀应先关闭。
4.开始加注少量废弃机油/液压油，将6#球阀打开20s后再关闭，将泵和管路内充满油，主要作用是采用油给齿轮泵和管路内涂上一层润滑层和将潮湿空气排出，防止环氧树脂与泵、管内潮气发生反应，导致泵和管路堵塞。
5.开始加注水性环氧树脂，先将1#球阀打开，开始加注，加注完成后关闭球阀，再依次类推给2#、3#、4#、5#、6#加注环氧树脂。
6.所有孔加注完成后，将6#球阀位置管路先拆除放入事先准备好的桶内，开始加注松香水清洗管路，管路清洗完成后，将所有管路全部拆除。
（四）注意事项
1.土仓内注入膨润土时，土仓压力应大于地层水压力。
2.因为环氧树脂和松香水都具有刺激性气味、易燃、强吸水性，所以隧道内必须保持通风，严禁作业人员在隧道内抽烟和其他动火作业，止水环作业人员均需佩戴胶手套。
3.加注环氧树脂时，同时使用盾构同步注浆系统注入清水，既可以加快发泡速度，又可以防止环氧树脂将同步注浆管路堵死，同时也能阻止环氧树脂流往盾构机前方进入土仓内；
4.加注完成10min后，可以打开球阀观察止水效果，如有水流出，则需要继续加注环氧树脂直至完全封死。
5.准备开仓时，分两次进行降仓，先将仓位降低一般（或土压降低一半），记录此时土仓压力情况，半个小时后土压上升不超过0.1bar，则再次进行降仓至上部土仓压力为零，等待半小时，如压力上升不超过0.2bar，则可以清仓和常压开仓换刀。
三、止水环效果和总结
项目通过采用“盾构机盾尾超近距离止水环制作方法”迅速在盾尾位置制作好止水环，并分两次进行降仓，土仓压力稳定，止水效果良好，作业人员再进入土仓内，迅速完成最后一把刀具的更换，顺利排除盾构机下穿京广铁路框架桥的风险。8月9日上午左线盾构再次恢复掘进，盾构掘进各项参数正常，至8月16日，盾构比慢性计划规定时间提前了3天完成了下穿施工任务。
根据长沙地铁3号线烈士公园东～丝茅冲站区间施工,盾构在下穿京广铁路框架桥前进行开仓换刀时遇到的盾构机盾尾超近距离止水环制作问题，技术人员主要从止水环制作材料、工艺多方面进行研究、对比，提出了富水地层盾构机盾尾超近距离止水环施工技术，通过实践证明该施工技术是可行、有效的，并能为其他类似工程提供借鉴与参考依据。
参考文献
[1]陈馈,洪开荣,焦胜军.盾构施工技术第二版[M].北京：人民交通出版社，2016.3.
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