云南昆明中铁开发投资集团有限公司 徐代明
摘要：昆明轨道交通4号线斗南站～鲜花大道站盾构区间隧道局部存在富水砂卵石地层，掘进施工过程中对刀具的磨损非常严重，超出预期，如不及时更换磨损的刀具，将影响盾构机刀盘刀具使用寿命以及造成盾构掘进参数异常，严重影响施工工期进度。综合考虑该地层砂卵石颗粒度不均一、孔隙度大、气密性差、地下水丰富、易塌方等特点，最终选用素桩隔离墙加固常压开仓换刀作业的方法完成了盾构机刀具更换和刀盘检修。本文介绍了施工要点，确定了主要技术参数。结果表明：采用的加固和开仓方式较好的解决了富水砂卵石地层掌子面颗粒度不均一易坍塌、孔隙度大保压难的问题，达到了预期的安全目标、工期目标。
关键词：轨道交通；富水砂卵石地层；素桩隔离墙加固；盾构；常压开仓换刀
城市轨道交通区间隧道在富水砂卵石地层盾构掘进施工过程中，对刀具的磨损非常严重，如不及时更换磨损的刀具，将影响盾构机刀盘刀具使用寿命以及造成盾构掘进参数异常，严重影响施工工期进度。盾构机开仓换刀作业是盾构隧道施工过程中常见的施工工艺，开仓换刀作业通常分为常压开仓换刀作业和带压换刀作业。段浩[1]、陈万强[2]等分别就成都地铁1号线、成都地铁7号线富水砂卵石地质情况施工中合理换刀方案、带压换刀管控流程、关键控制技术进行了研究；如采用带压开仓作业需要较长周期建立掌子面泥膜[3-5]，且作业人员专业性要求高，进仓作业风险系数高；若采用传统的水泥桩加固地层后进行常压开仓作业方法，在富水地层水泥桩加固效果难以保证，且水泥浆容易造成盾构机固结抱死，如何保证在富水砂卵石地层中安全可靠地进行刀具检查更换是盾构区间施工成功的关键。靳利安[6]、曲兆雷[7]、万明[8]等分别以福州地铁、南宁地铁及昆明地铁首期工程为背景，对盾构常压开仓换刀施工技术进行研究及应用。
本文针以昆明轨道交通4号线斗南站～鲜花大道站盾构区间素桩隔离墙加固常压换刀为例，针对富水砂卵石地层下素桩隔离墙加固效果和开仓换刀作业进行研究分析，总结了施工要点，对类似工程施工具有一定的参考意义。
1工程背景
1.1工程概况
昆明市轨道交通4号线斗南站～鲜花大道站区间右线长796.113 m，为单圆盾构隧道，隧道管片外径6.20 m，内径5.50 m，长度1.2 m，管片采用全错缝拼装形式。该区间地层复杂，局部富含砂卵石，砂卵石对刀盘的磨损导致掘进参数异常（推力大，扭矩大，速度小，出土不易控制）。
1.2地质水文条件
区间隧道埋深25 m～29m，钻孔揭示自地表至隧道底部土层自上到下依次为：①1层杂填土、③1层黏土、③4-1层细砂、③4-2层中砂、③5-3层中密卵石土、⑤2层强风化泥岩。
工程区属金沙江水系滇池流域，距离滇池最近仅700m，为滇池渗漏抬升地下水影响区。地下水主要为潜水、孔隙承压水，其中孔隙潜水含水量小，对工程实施影响不大；浅层孔隙承压水主要赋存于③5-3中密卵石层，贯通性及连通性较好，根据场地抽水试验观测，渗透系数3×10-2～2.6×10-2 cm/s（0.35～22.5m/d），属中～强透水层，水量较丰富，单井出水量32.8～129 m3/d。
2.技术特点
富水砂卵石地层素桩加固条件下常压换刀施工工艺适用于常压状态下对磨损量较大的刀具进行更换，地面具备有素桩施工条件，无障碍物和重要地下管线。原理是确定开仓换刀位置后，地面采取素桩咬合加固的方式在换刀位置刀盘前方形成一个素混凝土隔离墙，隔离刀盘和前方的土体及地下水，盾构机刀盘切入素桩墙体后，进行刀具的检查更换。此时盾构机处于的掌子面为素桩混凝土隔离墙自稳性较好，刀盘接触的掌子面能承受埋深土体的压力，盾构机土仓开仓不需保压也能保证地面不发生沉降，掌子面不发生坍塌。刀具处理完毕后对土仓及刀盘前方进行全面的检查，符合要求后盾构机恢复掘进。此方法能均衡换刀作业经济性和安全性的前提下，可满足在富水砂卵石地层进行刀具检查更换作业。
针对实际情况，该技术具有以下特点：
1）相对于常见的旋喷桩、袖阀管地面加固，素桩加固具有更灵活的位置选择性，更好的加固效果完整性；
2）相较于旋喷桩、袖阀管地面加固，素桩加固过程中少泥浆作业，施工现场洁净，减少了地面污染，节约能源；
3）旋喷桩、袖阀管施工完成后一般28 d后开始施钻取芯检测桩体强度，而素桩（4）加固完成2～3 d后桩体强度即可满足开仓要求。素桩加固强度满足要求后即可进行常压换刀，刀具更换约需要3～5 d时间，而泥膜建立完成后进行带压进仓作业，刀具更换约需要15～25 d；
4）考虑到砂卵石地层气密性，相比带压进仓作业，常压下换刀过程安全可靠，换刀工作安全性高，显著改善作业环境的安全状态；
5）该施工工艺技术措施涉及到的设备、材料均为工程常规机械和材料，无需额外购置昂贵的设备及材料。同时相较于带压换刀，常压换刀所需人工费更低。
3施工要点
根据现场实际情况采用素桩隔离墙加固的方式进行盾构常压开仓换刀作业。
3.1施工工艺流程
换刀位置确定→管片壁厚注浆→地面素桩隔离墙加固→刀盘切入素桩隔离墙→开仓前空气稀释→常压开仓换刀作业→完成作业。
3.2换刀位置的确定
盾构机掘进过程中仔细分析盾构掘进参数，发现掘进参数异常后，须立即组织相关人员进行原因分析，确定是否需要对刀具进行检查更换，查阅详勘地质报告和补充地质勘察成果，了解清楚拟换刀位置的地质条件，同时对地表情况进行详细调查，尽量避开建（构）筑物、管线、交通繁忙的道路，减少对市民生活的影响。
3.3管片的壁后注浆
盾构机在开仓换刀作业时为了防止盾构机掘进方向后方地下水从盾体直接涌入刀盘，影响换刀作业，因此需要对管片壁后的地下水进行有效的隔绝处理。施工止水环应保证距离盾尾有5环并连续施作3环，止水环采用管片壁后注入双液浆（水泥—水玻璃双液浆），浆液配合比为水泥浆：水玻璃=1:1，注浆压力控制在0.2 ~ 0.3 MPa，注浆量控制在2 ~ 3 m /环，注浆结束标准以注浆压力与注浆量进行双重控制，以确保管片壁后空隙填充密实，达到止水要求。
3.4地面素桩加固
在地面条件及地下管线、建构筑物条件允许的情况下，采用旋挖钻施做15根直径1 500 mm的C20混凝土素桩并相互咬合，桩中心间距1 200 mm，在刀盘正前方连成两排排桩，形成一堵隔离墙。为便于切割咬合，减少施工过程中相邻孔间的扰动，采用跳桩施做，即施工时，先施工A1桩，再施工A2桩。A桩用超缓凝型混凝土（缓凝剂掺量百分比为0.28 %），要求必须在A桩混凝土初凝后终凝之前完成B桩的施工，以便在B桩施工时，利用旋挖钻机切割掉相邻A桩1/5直径相交部分的混凝土，实现A桩与B桩的咬合。
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素桩打至开仓位置隧道底以下1 000 mm，桩顶升至盾构机拱顶以上5 000 mm位置即可，其余桩顶以上空间采用卵石土回填，刀盘在切入桩墙750～800 mm后停机进行开仓换刀作业。素混凝土桩平面位置偏差不大于50 mm，垂直度偏差不大于1 %，强度满足掌子面稳定且刀盘上方无卵石土掉落，即达到开仓条件方可开仓。
素桩施工前确定实际素桩位置与盾构机位置是否冲突，盾构土仓内填满膨润土防止混凝土灌入，浇筑混凝土前在盾构机刀盘前方、土仓和盾构机盾体外打入足量膨润土，起到保护作用，避免混凝土对刀盘、盾体形成抱死状态；浇筑混凝土期间，随时关注盾构土仓压力变化及混凝土浇筑方量，若发现盾构土仓压力上涨立即停止浇筑，若发现浇筑方量超方，立即停止浇筑，并转动盾构刀盘检查扭矩是否异常，若发现异常，立即注入足量膨润土并打气开始出渣，将仓内混凝土置换。
3.5刀盘切入素桩隔离墙
当盾构机刀盘切入第一排桩墙1/2位置时停机，刀盘需要磨桩约750～800 mm，磨桩期间严格控制速度为5 mm/min左右，推力和扭矩根据实际情况进行调整，尽量减小各项参数，为避免推力过大，在刀盘完全进入桩体后，降低土压，尽量将土仓内积土出净，为开仓做准备，并在地面位置加强监测，确保地面安全可控。
3.6开仓前的空气稀释
开仓前土仓内的空气循环主要利用旋转接头的泡沫系统通过泡沫管路向刀盘前方吹入风，土仓隔板上的原有保压系统的管路为排气通道，排风到盾构机后配套尾部，形成循环，稀释土仓内的气体，气体含量检测达到要求后，方可进行开仓作业。仓内作业过程中，土仓内空气循环主要利用土仓隔板上孔口（原有的土仓隔板上预留的水电入孔）将风吹入，土仓出入口为排气口，形成循环，保证土仓内的空气质量。洞内通风主要利用洞外压入式通风机供风，形成循环，洞内及仓内通风的同时，进行气体检测，保证作业人员作业环境的安全。
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图2 开仓前通风示意图
3.7常压开仓换刀作业
1）掌子面的观察
根据推进螺旋机出土以及土体含水量情况，下达出土清仓的指令，将土仓内土降至约仓壁2/3处，开启仓壁上球阀并用1.5 m长钢筋进行探孔，确定土仓内水含量及土体情况；用撬棍撬开仓门，观察缝隙是否有水及泥沙露出，同时安排专人进行有害气体检测，气体检测符合开仓条件后，打开人闸，仓门打开后先对掌子面土体初步判断掌子面稳定情况后，向土仓内通风降温30min，同时再次对气体进行检测和刀盘前方土体稳定情况进行判断，专业工程师先进土仓观察掌子面的地质情况及其它情况，进入仓内的人员要有绳索绑扎由仓外人员拉紧，如有特殊情况随时拉出。
2）刀具的检查
人员进仓后，先检查土体稳定情况，在确保安全的情况下对刀盘、刀具进行高压水冲洗，便于对刀具尺寸的检查，待刀具都清晰的露出后，再次确认掌子面土体的稳定性后，由指定的换刀人员进入土仓进行刀具检查，主要检查刀具的磨损程度及是否有偏磨现象。对刀具的检查顺序是，优先检查周边滚刀、边刮刀、周边向中心滚刀、中心刀。用刀具标尺量测刀具的磨损情况，作好记录以确定刀具更换数量及位置。检查刀具整个过程中安排专人在人行闸口观察土体稳定情况，如有土体塌落情况，立即通知进仓人员出仓，并及时关上仓门，拧紧螺栓；仓内与仓门口保持对讲机联系，人员进入仓内气体检测仪直接放在土仓口，时刻检测有害气体，开仓后必须保持不间断通风，直到开仓作业完成。
3）刀具的更换
转动刀盘将所换刀具至合适的工作位置，以利于操作人员仓内作业，刀具更换时，每拆除1把、运出1把、运进1把更换后再拆除另外刀具，拆除作业时，谨防小件坠落，影响作业进度以及对后期掘进产生不利影响。更换完毕后，转动刀盘，复紧所有刀具螺栓，清理所用工具材料，确认无误或全部拿出后，关闭仓门，完成换刀工作。新刀具换好后，推进200 mm后再次打开仓门检查刀具，复紧螺栓；刀具处理完毕后对土仓及刀盘前方进行全面的检查，避免工具、杂物遗留在土仓内。确认后关闭所有预留送风口、排气口、阀及仓门，关闭情况符合要求后，盾构机恢复掘进。
4）地面监测
开仓检查更换刀具时，为了及时准确的了解地表沉降情况，需要在开仓里程布置地面监测点，同时安排专人进行地面巡视，发现地面沉降数值异常时，监测人员及时汇报，根据数据分析并做出相应调整和措施。正式开仓施工时监测频率保持在4h/次，可根据实际情况做出调整。在实际监测中，将监测值达到控制基准的50%时作为预警值，当监测值达到控制基准的70%时，进入安全警戒范围，需对该地区重点监测，并采用一定的控制措施，同时当监测值达到预警值时将测量组分成2班，监测频率加密至2h/次。
4质量控制
1）清孔后的沉渣厚度应符合设计要求不应大于100 mm。灌注水下混凝土之前，应再次检查孔内泥浆性能指标和孔底沉渣厚度，如超过规定，应进行第二次清孔，符合要求后方可灌注水下混凝土；
2）A桩混凝土缓凝时间应根据钻机施工咬合桩工序要求时间来确定，为克服“混凝土管涌”应控制A桩混凝土的坍落度，必要时可向套管内注入一定量的水；
3）作业人员的焊接水平必须进行有效的验证，进仓前必须进行相应的考核，并进行探伤检测以验证作业人员的技术水平；
4）开仓程序必须按程序报批许可后方可启动开仓程序；
5）开仓前，通知监理对开仓全过程进行旁站、监督；
6）开仓作业的准备工作必须提前做好，一旦开仓，必须保证作业立即开始，并连续进行；
7）施工结束后对焊接质量进行探伤检测。
5结语
素桩隔离墙加固条件下盾构常压换刀施工技术的应用很好的解决了富水砂卵石地层盾构开仓换刀的难题，减小了作业风险、降低了技术难度、缩短了工期、降低了成本、对周边地层扰动很小，取得了良好的社会效益、经济效益。
1）通过斗南站～鲜花大道站盾构区间常压换刀施工，素桩加固完成2～3 d后桩体强度即可满足开仓要求，刀具更换约需要3～5 d时间，开仓换刀工期短；
2）富水砂卵石地层素桩加固隔离刀盘和前方的土体及地下水，当盾构机刀盘磨桩约750～800 mm时开仓换刀，盾构机处于的掌子面为素桩混凝土隔离墙自稳性较好，刀盘接触的掌子面能承受埋深土体的压力，盾构机土仓开仓不需保压也能保证地面不发生沉降，掌子面不发生坍塌，换刀工作安全性高；
3）盾构机开仓前，防止盾构机掘进方向后方地下水从盾体直接涌入刀盘，影响换刀作业，因此需要对管片壁后的地下水进行有效的隔绝处理。施工止水环应保证距离盾尾有5环并连续施作3环，止水环采用管片壁后注入双液浆（水泥—水玻璃双液浆），浆液配合比为水泥浆：水玻璃=1:1，注浆压力控制在0.2 ~ 0.3 MPa，注浆量控制在2 ~ 3 m3 /环，注浆结束标准以注浆压力与注浆量进行双重控制，以确保管片壁后空隙填充密实，达到止水要求；
4）该技术措施涉及到的设备、材料均为工程常规机械和材料，无需额外购置昂贵的设备及材料，相较于带压换刀所需人工费更低，技术难度更低。
参考文献：
[1]段浩,孙凤江.富水砂卵石地层盾构换刀方案[J].现代城市轨道交通,2010(06):36-38+1.
[2]陈万强.富水砂卵石地层地铁盾构区间带压换刀施工控制技术探讨[J].水电站设计,2018,34(03):22-26.
[3]邝树华.衡盾泥辅助带压开仓换刀技术的实践应用[J].工程建设,2020,52(10):55-60.
[4]竺维彬, 盾构施工“衡盾泥”辅助带压进仓关键技术研究. 广东省,广州地铁集团有限公司,2017-08-18.
[5]黄欢.使用混合泥膜作为衬砌的填开仓换刀技术研究[J].四川水泥,2017(10):135.
[6]靳利安.富水砂层上软下硬地层中盾构换刀技术研究[J].市政技术,2019,37(06):98-102.
[7]曲兆雷.盾构辅助常压开仓技术在南宁地铁隧道中的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2020,47(02):88-93.
[8]万明.昆明地铁盾构常压开仓换刀施工技术[J].中国高新技术企业,2011(02):43-45.
作者简介： 徐代明，男，工程师，现主要从事城市轨道交通建设和安全管理工作。