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上软下硬特殊地层的加固换刀方法

0 引言
盾构法的主要优越性在于安全，但当遭遇特殊地质条件导致刀具损坏且不具备换刀条件时，如何在保证人员安全的条件下进行刀具更换便成为重中之重。加固类型可分为地层超前预加固及停机位置现加固。预加固的目的在于保证盾构机到达指定位置时具备刀具更换条件，现加固是盾构已遭遇灾害性地质的解决方法。
1 工程概况
深圳地铁一号线五标前鲤区间左线起始里程SK25 +008.700终点里程SK25 + 733.674 长度724.974 m。该区间平面转弯半径400 m，转弯角度90°，隧道范围内主要穿越黏土和砂质黏性土，在SK25 +232.02 ～ +452.71段在隧道范围内存在岩层，其中SK25 + 280.58 ～ +406.326 段为中风化花岗岩。
2 地质情况分析
根据地质剖面图原计划在低刀盘转速，小推力的前提下顺利通过。但掘进至SK25 + 257.52 处，出现刀盘转动扭矩及刀盘转速跳动，范围120 ～200 bar，且伴随巨大声响。通过以往经验得知刀具已受到损坏决定实施开仓换刀。在螺旋出土清仓过程中发现土仓压力自行增长且含水量较大，证明掌子面失稳需压气换刀。
经过保压试验，土仓无法确保1.0 bar 稳定压力，说明无法进行压气作业。通过出渣情况和地面钻孔分析，隧道范围内存在大量海泥，不是砂质黏性土，而且该处不是全风化岩石，岩石风化程度较低，经对出土石块的强度检测最大单轴抗压强度达到了161 MPa。远远超过刀具的设计破岩强度120 MPa，侵入隧道范围约4 m，为典型“上软下硬”地层。针对此情况需制定专项加固方案。

3 加固方案
拟采用地面加固和地下加固相结合; 当前加固及对后续掘进的预加固相结合的方案。
3．1 地面加固
3．1.1 旋喷桩加固
计划地面采用600 mm @ 500 mm 的旋喷桩，加固范围10 m×4.5 m，加固深度为隧道底板向上12 m。隧道底板标高－14.2 m，地面标高 + 5.8 m。采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥掺入量150 kg /m3，浆液水灰比为1∶1，提升速度8 ～15 cm /min，旋转速度为5 ～10 r/min; 旋喷桩的孔位偏差＜50 mm，桩体垂直度＜1.5%。同一桩体需数次喷射时，上下桩体的搭接大于200 mm。
3. 1.2 旋喷桩布置
施喷桩加固平面、断面图见图 2、3、4。

3．1.3 旋喷桩加固施工工艺
旋喷桩加固施工工艺流程图见图 5。
1) 施工前根据现场环境和地下埋设物的位置等情况，复核高压喷射注浆的设计孔位。施工前先挖设排浆沟及泥浆池，施工过程中将废弃的冒浆液导入或排入泥浆池，沉淀凝结后运至场外存放或弃置。

2) 钻机安放保持水平，钻杆垂直，其倾斜度不得大于1. 5% 。施工前检查高压设备及管路系统，其压力和流量满足设计要求。注浆管和喷嘴内杂物清除干净，注浆管接头的密封圈良好。
3) 正式施工前进行试桩，以确定合理的水压力，提升速度，浆液配比和压力等参数。
4) 旋喷过程中保证桩体的连续性，若因故停止，第二次旋喷的接桩长度必须大于20 cm。
5) 施工中若出现大量冒浆，立即停止并采取措施。
6) 钻孔位置和设计位置的偏差不大于50 mm。实际孔位、孔深和每个钻孔内的地下障碍物、洞穴、涌水、漏水及与工程地质报告不符等情况均详细记录。
7) 高压喷射注浆完毕，迅速拔出注浆管彻底清洗注浆管和注浆泵，防止凝固堵塞。为防止浆液凝固收缩影响桩顶高程，必要时在原孔位采用冒浆回灌或二次注浆等措施。
3．2 仓内注浆加固
3．2. 1 土仓砂浆填充
在进行地面旋喷注浆的同时对土仓进行了砂浆填充。通过盾构机盾体上的预留孔将搅拌好的水泥砂浆充填至土仓中，将目前土仓中的土体和水分置换出来。其主要作用在于防止旋喷浆液侵入刀盘造成刀盘无法转动。
3 .2. 2 超前小导管注浆
待土仓中的砂浆与土体混合物达到一定强度后，再进行超前注浆。超前注浆采用纯水泥浆液进行，水灰比1：1，在满足施工的需要下可加入适量水玻璃，缩短凝结时间。
超前注浆主要针对上半部分土体，即在盾构机的预留超前注浆孔3点、9点，10点、2点11 点、12 点进行注浆。注浆采用钢质注浆导管，插入前方深度5．0m。控制注浆压力在3.0 bar，一旦超过该数值即停止注浆，待压力降低后打开球阀将部分水放出。
3．3 地层预加固
因此段地层较长，很难保证更换刀具后一次通过，所以需要对此类地层进行后续的预加固，目的是到达预加固地点进行刀具检查及更换保证换刀工作的顺利实施。同时对缩短施工工期，避免再次停机加固有着至关重要的作用，预防方为上策。具体加固面积可参考停机加固方案适当减小，但预加固的间距需要根据岩石硬度及所用刀具情况进行估计。
4 开仓换刀
4. 1 施工步骤
开仓前准备→检查土仓情况→开仓清理。
4．1.1 开仓前准备
对地面加固进行抽芯检测，准备换刀相关物资。
4．1.2 检查土仓情况
根据降水井抽水的情况，开仓前首先对土仓进行检查。先打开土仓壁上方的2个球阀，利用粗细10mm 左右的钢筋向土仓内砸入，根据砸入的情况判断凝固的情况，如浆液已变为塑状且无水流出，则表明可进行下一步的开仓工作。
4．1.3 开仓清理
打开人闸内的土仓仓门，观察仓内土体情况，用钢钎打孔若干后，观察有无喷涌现象。若无喷涌现象且掌子面情况稳定，则直接对土仓内的土体进行人工清理，清仓顺序如图 6 所示。
清仓利用洋镐、铁锹，采用编织袋装土，人工送上皮带机。再由皮带机送往渣土车。清仓过程中，保留刀盘开口及切口环处水泥，尽量不扰动刀盘开口和切口环处的土体。如凿除过程中部分地方过凿，立即用快硬水泥封堵。在清理到9点位的球阀时，将球阀周围的土体清理干净，将抽风机接到球阀的外侧，进行土仓内的通风。根据情况，一边清理，一边对掌子面薄弱点进行封堵，保证掌子面稳定。在清仓过程中如果底部有水渗出，则及时用水泵抽水。

5 换刀施工监测

为确保安全，在盾体上方、土仓上方、刀盘前方埋设监测点，施工过程中加强监测频率，24 h现场进行监测。如图7所示布置观测点5个，对每日的监测数据进行评估，一旦沉降值达到30 mm 即停止施工，及时判断换刀施工是否安全，能否继续进行。隧道内设一名专职信息联络员，主要与地面监测队进行联系，确保隧道内各种情况及时反应到监测队，监测的各种信息能及时反馈到盾构机内。

6 结束语
通过对深圳地铁105标在遇到“上软下硬”地层后采用以上措施，从开始加固至开始清仓仅用了10 d时间( 其中仓内回填1 d，超前注浆2 d。地面旋喷7 d)且切口环及刀盘前方掌子面水泥含量高，加固区抽芯检测水泥含量在90%以上。无涌水、涌沙现象。人员实现安全作业及常压换刀。由此可得出以下结论:
1) “上软下硬”地层换刀加固不应只注重外围旋喷作业，仓内的回填可作为一种有力的保障措施。超前小导管注浆则重在对切口环的保护;
2) 旋喷加固的参数控制直接决定加固的效果;
3) 地质灾害可以通过提前采取有效措施进行预防;
4) 地质的预加固与停机加固的范围应有差别，做到成本投入最低;
5) 清仓应按区域进行，不可盲目施工;
6) 为保障换刀安全应选择合理的检测点;
7) 比较打竖井等换刀方法，本方案在工期、成本上有很大优势。
本文所述的加固方法固然可行，但在实际应用中应抓住主要的施工环节，尤其是地面注浆量，实际可以通过考察单孔注浆量来确定加固效果。切不可在施工中“以包带管”，导致前功尽弃。如实际加固效果不甚理想，建议在加固区内进行压气作业。
参考文献:
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文章来源：（中国知网）

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