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地铁盾构隧道填仓换刀施工技术研究

摘 要:为解决盾构施工过程中刀具更换的难题,以武汉市轨道交通 8 号线洪山区政府站—文昌路站区间工程为依托,研究了填仓和常压换刀过程的系列技术。根据施工情况及地层条件总结出一种盾构填仓换刀施工技术,并给出了开仓准备及填仓换刀的具体流程。经多方面研究表明,该技术手段的应用可以有效地完成盾构机的常压状态换刀工作,保证了盾构掘进施工的进度。
1  概述
  近年来,随着我国大力建设发展地下空间,盾构由于其具有机械化程度高、功效快、施工影响小以及安全性能高等特点得到了广泛的应用。由于盾构穿越的地层条件通常比较复杂,这使得盾构机刀盘的磨损程度较为严重,需要及时更换刀具从而继续掘进。盾构机换刀的方式主要分为常压换刀及保压换刀两种,在掌子面稳定性较好时通常选择常压换刀,其具备较高的施工效率且对人员的作业安全有保证,当掌子面不稳定时可采用先填仓后进行常压换刀。保压换刀通常应用于地层环境恶劣、地下水发育严重掌子面无法维持稳定的盾构隧道工程中,由于其高压环境加大了人员操作的风险,且施工流程较为复杂。
  本文以武汉市轨道交通 8 号线洪山区政府站—文昌路站区间工程为实例,在充分调研施工实际情况及地层环境的基础上,选定开仓换刀的位置,给出了开仓前期的准备工作,形成一套盾构填仓换刀技术。
2  工程概况
  武汉市轨道交通 8 号线洪山区政府站—文昌路站区间右线全长 1 287. 241 m,左线全长 1 306. 305 m,设置 2 处联络通道( 其中 1 处兼泵房) 。本区间采用盾构法施工,从文祥街的文昌路站小里程端出来后沿文祥街向东左转,横穿书城路、下穿南湖连通渠,横穿文馨街后沿珞狮南路向北到达洪山区政府站大里程端接收。
  左线区间隧道始发段以黏土及强风化岩为主,隧道中间段以中风化石灰岩为主,隧道接收段以强风化岩及黏土层为主。右线区间隧道始发段以黏土及强风化岩为主,隧道中间段以中风化石灰岩为主,隧道接收段以强风化岩及黏土层为主。在施工过程中,右线在掘进至 369 环处时,盾构机扭矩明显增大,刀具磨损严重,无法进行安全掘进,应停机采取换刀措施进行处理。
3  开仓换刀准备工作
3. 1  开仓位置确定
  洪山区政府站—文昌路站区间右线在掘进至 369 环处刀具磨损严重,常压进仓更换滚刀 9 把,由于掌子面不稳还剩 12 把滚刀未更换,其中包括 3 把已拆未装,1 把拆除完成80% ,8 把中心刀未拆除。计划在 369 环位置进行填仓后再常压进仓更换剩余 12 把损坏的刀具,根据右线地层及地表实际情况制定此次刀具更换点。
  盾构机刀盘掘进至 DK29 + 499. 85 处( 369 环) 进行填仓后再常压进仓更换剩余损坏刀具,该处刀盘位于南湖连通渠正下方,隧道埋深 16. 55 m,连通渠水位高约 2. 5 m。
  地层从上至下依次为:杂填土、黏土、原生红黏土、中风化石灰岩; 盾构穿越地层为中风化石灰岩及溶洞填充物,地质自稳性较强,中等透水性,且停机位置前期有地质勘探孔及岩溶注浆孔为彻底封堵,南湖连通渠水和掘进断面有水源补给情况。
3. 2  开仓技术准备
  1) 编制盾构填仓换刀作业专项的施工方案,报监理工程师审批完成,并在开仓前对参与作业人员进行施工安全技术交底,明确人员分工。
  2) 从盾尾后 5 环往后,对管片壁后进行二次注浆,注水泥水玻璃双液浆,注浆量以注浆压力控制,形成止水环,保证盾体后方止水效果。注浆时要密切关注管片状态及注浆压力。将需要二次注浆位置的管片注浆孔凿开,安装注浆接头及阀门,连接管路; 用清水冲开管片壁后水泥浆并形成通道,开始进行压注水泥浆,然后再打开水玻璃液阀门,注入双液浆。注浆在 3 点位、9 点位并保证两侧同时进行。
  3) 开仓条件确认分两步实施:打开人闸内出气闸阀,观察有无气及水排出,若有气排出,直至常压,观察 30 min后,并未见有水及泥浆排出,则满足开仓条件; 如果有水则在土仓隔板中部打开球阀,进行排水;如果此时水流不止,则不能够开仓,需重新注浆。
  4) 开仓后首先需要通过气体探测仪检查仓内气体情况,主要是仓内通风、降温等条件满足人体基本需求后方能进仓。进仓后首先对土仓内浆液强度进行判定,同时检测土仓内是否有有害气体,以便采取相应的措施。
  5) 清理前先对土仓内水泥浆进行清理,然后对刀盘上刀具、刀座等主要位置进行清理及冲洗,应避免对掌子面及切口环位置的破坏。
4  填仓换刀关键技术研究
4. 1  总体施工流程
  填仓换刀技术通常应用于在常压下盾构机掌子面无法维持自身稳定的工况,它是通过向土仓内注入适量水泥浆液等加固掌子面,强度储备充足后采用人工将仓内泥浆清理出来使仓内具有一定的空间,然后在常压状态下进行刀具更换的施工方法。在进行盾构换刀时,需要确保盾构机盾体、注浆管道等设备的安全。图 1 给出了填仓换刀施工工艺的具体流程。
4. 2  填仓换刀技术要点
4. 2. 1  盾体及刀盘保护
  为避免水泥砂浆及超前导管注浆造成盾构机停机、刀盘密封受损、同步注浆管堵塞等后果,在进行注浆之前需要采取下列措施:
  1) 通过盾体径向注浆孔向盾壳周围注入膨润土泥浆或黄油,防止由于盾体被浆液抱死而造成盾构机停机。泥浆采用膨润土∶ 水 = 1∶ 3 的比例拌制,注入量不小于 6 m3。注浆完成后应通过盾体径向孔检查注入质量。
  2) 在浆液储存罐内拌制膨润土泥浆,并通过同步注浆系统注入,避免盾构机尾部被浆液凝结破坏以及注浆管道堵塞。
  3) 为避免刀盘的主轴承等构建密封性能遭到破坏,采用刀盘密封系统注入适量的 HBW 油脂。
4. 2. 2  填仓作业
  填仓作业的关键是要在掌子面及刀盘上方形成一层保护膜,在一段时间内保证掌子面的稳定,给换刀作业提供一个稳定的作业环境,填仓换刀工序如下:
  1) 中盾径向孔注聚氨酯,确保中盾、盾尾与土体的间隙之间填仓满聚氨酯,以保证土仓压力稳定,不漏气。
  2) 土仓内注入泥浆( 主材膨润土) ,渗透掌子面,每次注入令土仓顶部压力达到 3. 8 bar,待土仓顶部压力稳定在3. 5 bar( 3 h 不下降) ,停止注入。
  3) 通过土仓前壁球阀向土仓内部注浆,用于置换土仓中渣土。
4. 2. 3  盾构机超前注浆
  盾构机超前注浆用于填充、加固土仓周围地层土体,主要是刀盘及切口环上部土体,确保清仓换刀时不漏水,不塌方,有较好的工作环境,其注浆流程如图 2 所示。
  1) 钢花管采用 6 m 长 φ48 mm 的钢管,对穿梅花形布孔,孔径 8 mm,纵向间距为 10 cm,布孔长度 1 m。
  2) 浆液采用 P. O32. 5R,1∶ 0. 8 ~ 1∶ 1 水泥浆液。
  3) 将定制的注浆导管插入倾斜超前注浆孔进行注浆。注入水泥浆液,注浆压力保持在 0. 3 MPa ~ 0. 4 MPa 范围内,在压力稳定后持续注浆,直至压力上 升 后,再 进 行20 min ~ 30 min 注浆操作。
  4) 以 1 m 为一个注浆段,注完一段,拔出一段,逐步进行注浆加固,特别是刀盘前方 0. 8 m ~ 1 m、切口环上方位置重点注浆。
4. 2. 4  检查土仓及地层条件
  在开仓换刀前需要进行土仓内部环境检查,打开阀门插入钢筋,通过钢筋的插入深入判定凝固情况,当浆液已呈硬塑状态不再流动时,表明土仓内的土体已经固结。开仓前进行降压试验,监测地面情况。使用螺旋机进行出土降压,同时打开土仓壁上的球阀进行放水降压。
  当土仓压力降至常压,土仓内渣土降至人闸下以后,如果地面沉降在允许范围之内,可进行常压换刀。若地面沉降超出了 25 mm,应停止土仓降压,并向土仓内注入惰性浆液,恢复土仓压力,重新采取注浆加固措施。注浆加固完成
后重复以上降压试验过程,直至地面沉降稳定,即可进行开仓换刀工作。
4. 3  土仓清理及换刀
  待所注入浆液凝固稳定 3 d 以后,进行人工清仓,一次性清仓到底。然后采取自下而上的顺序,进行刀具更换。通过土仓壁球阀和人仓门上方的球阀孔,采用钢钎检查仓内固结情况,确认砂浆固结且探孔无渗水后,方可开仓门。打开仓门后先进行适当的通风、气体检测,然后从仓门口开始用铁铲、洋镐、编织袋进行清仓工作,清仓顺序见图 3。
  1) 清理人仓附近的①号区域,宽度 1 m,高度 1. 5 m,进尺 0. 7 m,右侧区域暂不清理,上部留 1. 5 m 暂不清理;
  2) 清理②号区域;
  3) 清理③号区域,高度 1. 5 m,更换③号区域的刀具;
  4) 清理④号区域,并更换④号区域的刀具,同时检查并清理螺旋的出土口;
  5) 清理⑤号区域,并更换①,②,⑤号区域的刀具;
  6) 清理⑥号区域,并更换⑥号区域的刀具;
  7) 清理切口环、清理开口,确保刀盘不被卡住;
  8) 关闭仓门,转动刀盘,如可以转动刀盘,直接恢复掘进即可;如无法转动刀盘,则从下至上清理刀盘与掌子面之间的砂浆,直到刀盘可以转动为止。
  开挖到切口环及刀盘开口位置,立即用模板将切口环及刀盘开口位置封堵,预防土体掉落。清仓期间必须持续不断的给土仓送风,确保仓内空气流通。
5  结语
  本文以武汉市轨道交通 8 号线洪山区政府站—文昌路站区间工程为依托,基于实际施工情况及地层条件总结出一种盾构填仓换刀施工技术,给出了开仓前期准备流程及填仓换刀的具体流程。该技术的实施完成了常压状态下盾构机的换刀工作,同时保证了盾构隧道施工的顺利进行。
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