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盾构隧道下穿铁路股道带压换刀施工技术研究

( 中铁二局工程有限公司城通分公司)

0 引言
城市轨道交通快速发展，盾构穿越既有建( 构)筑物施工越来越多地出现，所遇地质情况也越来越复杂，极易发生安全风险。复杂地质情况下，盾构极易出现故障。以刀盘为例，遇到软硬不均，孤石等，磨损严重，则需及时更换刀具。虽然盾构用于隧道施工已经有几十年历史，但在盾构换刀技术上，特别是带压换刀，其经验还是有所不足。
本文以杭州地铁 1 号线秋涛路站—城站站区间盾构隧道下穿铁路股道带压换刀施工为例，采用地面加固、换刀前掘进控制、气压值确定、膨润土泥浆压注、土仓清仓建压等多种措施，确保了盾构隧道下穿铁路股道带压换刀安全，并形成了一套富水粉砂地层带压换刀施工技术。
1工程概述
杭州地铁1号线秋涛路站至城站站区间隧道工程，双线全长2238. 442 m，共计管片1866 环，其中左线长 1116. 447m( 931 环) ，右线长 1121.995 m( 935环) 。区间平面最小半径450 m，纵向最小坡降为2. 000‰，最大坡降为25. 567 ‰。隧道中心最小埋深为12. 635 m，最大埋深为20. 350 m。秋涛路站—城站站区间穿越土层为:＜3＞－3层砂质粉土，＜3＞－5层砂质粉土夹粉砂，＜3＞－6层粉砂夹砂质粉土，＜3＞－8层砂质粉土夹粉砂，＜6＞－1层淤泥质粉质黏土，＜7＞－1粉质黏土层，＜7＞－2层粉质黏土。区间粉土、粉砂层均呈饱和状态，渗透性略好，属弱透水层，为主要的潜水含水层，具有明显的触变性和流动性，在水动力条件作用下，易产生管涌、流砂及振动液化现象，从而降低土层结构强度，影响施工安全。地质纵断面，见图 1。
由于盾构自秋涛路站始发经过 900 m 掘进后下穿既有铁路多排钢筋混凝土围护废桩，废桩位于铁路的正下方，尤其是其中的一排钢筋混凝土桩正好位于铁路 4 股道正线下方，为了顺利完成盾构隧道下穿铁路围护废桩的施工，须在杭州火车站铁路股道正下方进行换刀作业，将周边齿刀和刀面齿刀更换为单刃滚后，再进行穿越多排钢筋混凝土围护废桩的施工。

2 地面加固措施
换刀加固位于铁路 11，12，13 股道范围，此 3股股道为城站火车站存车线，加固深度为地面以下25. 45 m，距地表 3. 45 m 不加固，即有效加固深度为 22. 00 m，加固长度 37. 2 m，宽度 7. 60 m。采用600 mm 高压旋喷桩进行加固，桩间搭接 200 mm，水泥掺量35 % ，加固体设计要求 28 天无侧限抗压强度不小于 2. 0 MPa。换刀加固详图，见图 2。

3 刀具配置
3. 1 砂性土层刀具的配置
刀盘刀具通过合理组合，以保证在砂性土掘进。配置如下: 中心齿刀 8 把，单面齿刀 29 把，先行刮刀 38 把，刮刀 56 把，周边先行刀 4 把，铲刀 8 把。
3. 2 过废桩刀具的配置
将周边齿刀和刀面齿刀更换为单刃滚刀，配置如下: 中心齿刀 8 把，单面齿刀 24 把，单面单刃滚刀 5 把，先行齿刀 38 把，刮刀 56 把，周边先行单刃滚刀 4 把，铲刀 8 把，有利于切割混凝土和钢筋。
4 换刀作业前施工措施
( 1) 地表孔洞检查。盾构到达加固区前应对地表进行检查，发现有孔洞应及时利用水泥浆进行密封。
( 2) 盾构机精准定位。对城站站内第 11 股道进行里程测量，通过其与加固土的相对关系计算出加固土边缘里程，通过计算区间右线盾构在推进 740( 左线 735) 环时刀盘接触加固土。由于加固土的扩散性，有可能盾构机提前接触加固土，因此，在推进 739 环时，盾构司机须严密关注盾构机参数，如刀盘扭矩、推力等，从而判断刀盘是否接触加固土。
( 3) 盾构机换刀里程确定。盾构机机身共 2 种预留孔，一种为 8 个膨润土注浆孔( 接至注浆机的为4 个) ，另一种为 10 个超前注浆孔，距离盾构刀盘面均为 2. 365 m。加固土厚度为 7. 600 m，因此，盾构机至少进入加固土 2. 500 m 以上为宜。
( 4) 机械检修。盾构在到达加固土前 10 环必须完成机械的全面检修。
( 5) 膨润土发酵。由于盾构停机后要往土仓内压注膨润土泥浆，为了确保泥浆质量，应提前 24 小时拌制好膨润土，进行发酵。
5 到达换刀点前盾构推进
( 1) 盾构机姿态调整。在盾构到达检查更换点前 30 环复核一次盾构机的掘进姿态和方向。通过前15 环把盾构机的姿态和掘进方向调整到正常范围，确保盾构机顺利到达检查换刀点。
( 2) 盾构施工参数。土压力: 盾构机切口进入加固土后，应根据监测情况缓慢降低土仓压力，土仓压力不得小于 1. 5 bar。盾构推进速度: 控制在1 cm /min以内。刀盘转速: 控制在 1 转/分。盾尾油脂: 原先的 23 kg /环提高为 30 kg /环。
( 3) 膨润土泥浆的技术指标。根据室内试验确定的配比和黏性关系，结合其他类似地层带压换刀尝试的经验，膨润土质量配比( 膨润土粉末 ∶ 水) 取9. 8 % ，膨润土浆液相应的锥形漏斗稠度仪计量值 ( 发酵 24 小时后) 为 35 秒左右较为合适。
( 4) 盾构膨润土压注。利用盾构机机身的径向孔向机身与加固土之间的缝隙进行膨润土的压注，膨润土采用外接管道直接进行压注，压注方式如下:①提前 5 环盾中径向孔压注，建立盾体周边泥膜，膨润土压注依照压力控制，当压力大于 5 bar 后，停止压注; ②土仓内压注膨润土，建立掌子面泥膜，建立泥膜时，通过螺旋输送机不断进行土仓内渣土置换，当螺旋输送机出土口出的渣土均为膨润土时停止置换; ③利用新鲜膨润土浆液做好掌子面泥膜的养护工作，养护采用新鲜膨润土注满土仓。膨润土压注示意，见图 3。

6 气压值确定
6. 1 气压值计算
根据相似地层多次成功带压换刀经验来看，可按以下经验公式计算带压换刀所需气压值: p下限 = k γ水 h水 ( 1)式中: p下限为带压换刀气压值下限; k 为气压的取值系数，取值范围为 0. 9 ～ 1. 0; γ水为水容重，kN/m3h水为水位计算高度，m。按照式( 1) ，在设定工作面最终压力时，要求比计算得出的水土压力值高 0. 1 ～ 0. 2 bar 左右。由于换刀为加固土内，初始进仓压力设定为1. 2 bar。
6. 2 现场进仓检查
气压值的设定是否能够满足土体稳定要求，必须经过现场的试验确定。现场进仓检查如下:
( 1) 人员第一次进仓观察 1. 2 bar 的土压力能够维持掌子面稳定，但是局部地方有渗水现象。由于渗水量较小，地表沉降最大累计值仅为－ 1. 6 mm，根据《城市轨道交通工程监测技术规范》( GB50911—2013) 一级监测沉降最大值 20 mm，则此次沉降满足规范要求。第一次进仓检查，见图 4。
( 2) 根据第一次现场试验的情况，将气压增加为1. 45 bar，发现仍旧局部渗水。其中地表情况稳定，最大累计沉降－1. 8 mm。第二次进仓检查，见图 5。

( 3) 将气压增加为 1. 8 bar。空仓放置 8 个小时后发现，土仓内干燥，掌子面稳定。因此，换刀气压取值为 1. 8 bar。第三次进仓检查，见图 6。

7 换刀作业
7. 1 清仓建压
加压过程采用分阶段排土、分阶段加压的方式进行。第一步: 将土仓中的碴土输出约至土仓最上部观察孔，此观察孔位于机身顶部向下 0. 97 m 处，出土 2. 41 m3。此时利用工业气保持土压力，需先加气，后出土，土压力降至 1. 5 bar。出土完成后，利用钢筋等物体通过观察孔探测土仓内情况。第二步:在第一步良好的情况下，继续出土至人闸下方 5 cm 处，出土 1. 92 m3，此时派员进入人闸观察土仓环境。第三步: 再次出土 8. 27 m3，此时土仓内土位已于盾构机物料闸以下，满足换刀要求，派员进入换刀。此时，需要从出土口检测土仓中是否有有害气体。清仓建压出土口，见图 7。

7. 2 换刀作业
换刀原则: 在保证安全的情况下高效换刀，要求拆一把，装一把。刀具更换的原则是先易后难，螺栓拆除和紧固均采用风动扳手，确保刀具安装质量。换刀步骤如下: ①每次更换时，工作人员先将刀具周围的泥土清掉，保证留有一定的工作空间;②用套筒及加力杆卸下固定螺栓，将拆下的螺栓及附件放入随身携带的工具袋内，以防丢失; ③将换下的刀具递到人闸内，同时将固定螺栓和固定座用水清洗干净，并检查是否有裂纹，如有裂纹必须更换新螺栓，以确保新装刀具有足够的固定强度; ④将新的刀具按原来的位置安装好，并将固定螺栓拧紧; ⑤每次带一批刀具和螺栓进舱，每批刀具换完后，把废刀具和没有安装的新刀放进料闸内; ⑥操作手( 人闸内) 转动刀盘，工作人员通过料闸把下一批刀具送入土仓内，再继续更换下一组刀具; ⑦每换完一批刀具后，由值班机械工程师检查一遍安装质量，并检查是否有漏掉的或者没有固定好的，机械工程师确认无误后方可继续作业; ⑧更换速度按实际情况定，必须以保证安装质量为前提; ⑨换刀过程中当遇到断螺栓时，一般采用以下两种处理方案: 若断口在螺孔之外，则直接拆除; 若断口在螺孔里面，则要用风动手钻打孔，用取丝器取出断螺栓，严禁采用电动工具。带压换刀，见图 8。

7. 3 恢复推进
换刀作业结束后，待人员与设备撤出土仓和人闸后，通过压力传感器可以看到舱内压力变化，此时通过向土仓内压注膨润土，并从土仓内排气阀排出一部分气体，以保持恒定的支撑压力，重复以上动作至满舱。此时，土仓内重新建立了土压平衡，启动刀盘与千斤顶恢复盾构掘进。
8 结语
富水粉砂地层中带压进舱有两方面主要技术要点: 一是通过气压抵抗地下水土压力，阻止地下水向土舱流动，以确保砂性土的自稳，二是通过泥膜渗透来提高砂性土地层的气密性，防止开挖坍塌和确保开挖地层的气密性。通过采取以上技术措施，铁路正线最大沉降为－ 12. 5 mm，根据《城市轨道交通工程监测技术规范》( GB50911—2013) 一级监测沉降最大值 20 mm，满足规范要求，确保了盾构隧道下穿既有铁路带压换刀施工安全，避免了施工风险。
文章来源：中国知网

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