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复杂地层中的泥浆护壁带压换刀技术探讨

摘 要:对于不同地质,盾构刀盘刀具的切削原理和配置形式不同,为了提高掘进速度,往往需要根据刀盘的适用性,不断更换刀具。而对于湖底下穿隧道工程,水土压力高,水系发育,往往导致掌子面稳定性较差,刀盘密封失效,气压保压困难等现象发生。为了解决该问题,依托南京地铁三号线新庄站—鸡鸣寺站隧道长距离下穿玄武湖工程,针对盾构全断面穿越岩层、半土半岩地层和砂土过程中泥浆护壁带压换刀技术施工工艺进行了系统分析。研究表明,换刀过程中泥浆护壁法能阻断地下水的影响,SAN-SON 保压系统能够有效保证换刀过程气压稳定。
  对于复杂地质条件下的盾构掘进,刀具更换往往不可 避免。由于盾构在软土地层和岩石地层的刀具切削原理和配置形式不同,对于不同地质,尤其复合地质刀盘刀具的适应性配置与磨损刀具的安全更换一直是当前大型盾构施工中遇到的技术难题。翟世鸿针对南京纬三路过江通道工程带压进舱作业期间开挖面失稳坍塌问题进行了研究。缪忠尚依托深圳地铁2 号线东延线 2222 标段工程,针对的设备情况,总结了NFM 土压平衡盾构机开舱前的准备工作和带压开舱换刀作业的整个实施流程及相关技术要点。本文在目前研究基础上,依托南京地铁三号线新庄站—鸡鸣寺站区间隧道下穿玄武湖工程,详细介绍一种泥浆护壁带压换刀技术,为类似工程施工提供参考。
1 工程概况
1. 1 工程背景
  南京地铁三号线新庄站—鸡鸣寺站区间位于南京市玄武区,隧道埋深达到 26 m,盾构施工要长距离下穿玄武湖,并且需要在湖底进行带压换刀,区间隧道线路如图 1 所示。
1. 2 带压换刀必要性
  盾构长距离在玄武湖底硬岩段掘进,刀具易磨损,但掌子面地层稳定性差、不具备常压开仓条件,需在湖底进行带压开仓换刀,更换磨损超限刀具,以加快硬岩段掘进速度。 由于换刀位置处于玄武湖下方,距离湖底九华山隧道较近,鉴于掌子面稳定性较差,为确保气压换刀的安全可靠,进而采用水泥砂浆泥膜护壁法换刀。本工程区间共进行 3 次带压换刀,换刀环号分别为右线的 1 037 和 1 145 两环以及左线的 1 012 环,换刀地点位于玄武湖底,此处土层为粉质粘土、混合土层以及强风化角泥岩,此土体特点为自稳定性差、透水性强,三处环号处的水泥砂浆护壁工期分别为 15 h,12 h 和 11 h,更换刀具的数量分别为 16 把滚刀、6 把滚刀和 27 把滚刀,气压换刀作业时间分别为 13 d,5 d 和 18 d。
2 换刀工艺
  以右线隧道 1145 环带压换刀为例,盾构隧道覆土 26 m,盾构位于玄武湖下方掘进约 120 环后将顺利通过中风化角泥岩,开始进入全断面软土层中掘进,为加快盾构推进进度,提高推进效率,需将 1 号 ~ 4 号中心滚刀和 9 号 ~ 12 号滚刀更换为齿刀,并清除刀盘泥饼,疏通被堵的泡沫管,计划在盾构即将进入全断面软土地层之际停机换刀。为保证换刀安全和保护新更换的齿刀,选择掌子面中部地质由岩层转变为非岩层时停机换刀,因此计划盾构机在 1 145 环停机( 掌子面里程 1 151 环) ,掌子面上部 1 /3 为③-2b2粉质粘土夹粉土层、中部 1 /3 为③-4e1 混合土层,下部 1 /3 为Th-2j强风化角泥岩层,盾构停机前几环渣样中岩石含量约为 10% ,其他为灰黄色粘土状。掌子面稳定,地下水含量少,渣土干。
2. 1 施工难点
  湖底水土压力高,湖底最大水土压力达到4.5 bar ~5.0 bar,会造成刀盘密封、铰接密封和盾尾刷失效; 水系发育,尤其在复合地层和粉细砂层中,会发生闸门密封失效,渗漏或严重喷涌; 湖底段长达1.37 km,若水力贯通,进一步加剧水土压力和螺旋机喷涌;此外,气压保压困难,换刀施工难度大,为克服这些施工难点采取泥浆护壁带压换刀工艺。
2. 2 具体施工措施
2. 2. 1 带压换刀压力估算
  首先,通过朗肯土压力理论公式计算得出土体静止土压力为2. 38 bar; 其次,利用停机前的盾构推进参数,进行开仓压力估算。在 1120 环 ~ 1145 环推进过程中,推力 1700 t ~ 2000 t、接触压力 300 t ~ 500 t、扭矩 2.5 MN·m ~ 3.0 MN·m、速度15 mm/min ~25 mm/min、出土 量 60 m3、渣样为粘土含少量碎石、中心土压2.0 bar ~2.3 bar 等等,未出现超挖现象。据此本次开仓压力定为2.5 bar。
2. 2. 2 气压换刀设备的选择与配备
  本项目气压换刀装置的供气设备选择为 3 台空压机,其中2 台为电动机,1 台为采油机,电动机功率为 75 kW。为了保证气压稳定,将 3 台放置于地面上的空压机气体通过过滤系统过滤后接入 SAMSON 系统向仓内补充气压,同时从盾构车架上空压机另接一路管路进入 SAMSON 系统,用以地面设备或管路故障时为仓内紧急补气,确保换刀施工安全。气压换刀设备总配备图如图 2所示。其他设备、材料准备如表 1 所示。
2. 2. 3 换刀过程中的泥浆护壁法
  为了有效的阻止地下水的影响,防止气压换刀时气体的泄露,在换刀过程中需要采用水泥砂浆来置换盾构土仓内的土体,并在刀盘前端位置处形成密实的水泥砂浆“墙体”。具体的操作步骤如下:
  1) 施工准备。
  推进 1 044 环最后一箱土时,将 刀 盘 伸 至 120 mm;拼 完1044 环,将 1 号土压力稳定在 3.0 bar。
  2) 保证密封性。
  a. 盾体周边地层密封性: 为防止气体从盾体周边泄露,将3 m3~ 4 m3的膨润土从盾构机中盾的注浆孔注入盾构机内,注浆终压设定为 3 bar。膨润土压注过程中,应使盾壳与土体之间的空隙充满,这样能够确保气体不向盾尾流窜,同时还能防止盾体的护壁泥浆固结。
  b. 盾尾密封性: 为增强盾尾处密封性,在盾尾处预留孔( 共计6 个) 压注聚氨酯,每孔注入量约 20 kg; 同时向盾尾后 1 环 ~ 3 环管片外部压注聚氨酯施作“止水环”,有效隔水。
  c. 止水环箍: 为了防止盾尾位置处的地下水流窜,需要在盾尾后的 4 环 ~ 6 环管片外部注入双液浆。浆液的配合比为: 水灰比为 1. 5,水泥浆与水玻璃体积比为 3∶ 1。浆液的注入方式为逐环压入。浆液的初凝时间控制为 25 s ~ 45 s。
  3) 土体置换。
  a. 连接注浆管路: 注浆管路位于土仓压力墙的 3 点和 9 点位置处( 钟表盘) 。
  b. 向土仓内分阶段注浆,置换渣土。第一阶段: 置换注浆时,盾构刀盘需缩回 8 cm,1 号土仓内的压力需保持在 3. 0 bar ~3. 6 bar,置换过程中坚持“等量替换、土压不变”的置换原则。此阶段,盾构刀盘需要间隔转动,转速为 0.5 r/min,主要采用螺旋机进行出渣。注浆停止的标准是: 螺旋机初步搅出浆液。注浆量为20 m3。浆液配比如表 2 所示。第二阶段: 保持土仓 1 号压力在3.6 bar ~ 4.0 bar 之间进行置换注浆,每 30 min 转动刀盘 10 min( 转速为 0. 5 r/min) ,适量出渣,注浆量为 12 m3,浆液配比如表 3所示。

2. 2. 4 保压试验
  1) 人舱准备。
  a. 清理人舱,保持整洁;
  b. 检查人舱内各压力表、温度表、电话机、管路等,将损坏的物件全部更换;
  c. 关闭舱门,打开 SAMSON 保压系统供气,检查人舱的密封性和保压系统的工作状态是否良好。
  2) 土仓保压试验。
  在作业人员进入仓前进行无人保压试验:
  a. 降低土仓上部压力至 2.5 bar ~ 2.7 bar。
  土体置换完毕后,需等待 1 h,若没有发现异常问题,可以在保证不转动盾构刀盘的情况,仅利用螺旋机进行出渣,从而将土仓压力降低到 2.5 bar ~ 2.7 bar。
  b. 保持土仓上部压力为 2.5 bar ~ 2.7 bar 时出渣。
  将 SAMSON 系统的液体球阀关闭,并利用其供气管道向土仓内施加气体,用于保持土仓的上部压力稳定在 2.5 bar ~ 2.7 bar不变。在此基础上,保持盾构刀盘不动,将土仓内的渣土高度降低至土仓门底部的球阀位置以下。总出渣量约为 10 m3~ 12 m3。
  3) 保压条件下观察保压系统运行及工作环境状况。
  SAMSON 系统的补气压力控制在 2.5 bar,在此情况下,等待3 h,观察保压系统的运行和工作状态,同时注意地层的密闭性状况和土压力的变化情况。若无异常,可继续出渣。
  4) 分步继续出渣至指定位置。
  在保压系统无异常的情况下,可继续利用螺旋机出渣至 2 点和 10 点的位置( 钟表盘) ,出渣量约为 10 m3。然后,观察等待1 h,若一切正常可判断地层保压成功。此时可根据土仓内的情况,进一步压气进仓,继续降低渣土渣位至 3 点和 9 点的位置( 钟表盘) ,大约出渣量为 13 m3~ 14 m3。
2. 2. 5 进仓换刀
  1) 换刀作业时,坚持“三人一组进仓、组长进仓带班、操仓人员及医生 24 小时舱门值班”的工作原则。作业人员的体感状况及掌子面土体情况是判断换刀人员能否继续带压工作的标准,若出现作业人员身感不适或掌子面土体有剥落现象等立即关闭土仓门减压出仓。
  2) 仓内水位上涨时,安排专员在操仓人员指导下,打开位于土仓面板上相应位置处的球阀进行排水,在排水过程中,应保证仓内气压的平衡,若发现漏气现象,需立即关闭球阀。
  3) 每一组换刀人员带压工作的时长应小于 2 h,然后根据带压作业时长来进行减压时间的控制。
3 结语
  本文依托南京地铁三号线新庄站—鸡鸣寺站区间隧道长距离下穿玄武湖工程,详细介绍了全断面穿越岩层、半土半岩地层和砂土时泥浆护壁带压换刀技术操作流程和注意事项,为类似工程提供了参考。

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