富水砂卵石地层盾构换刀技术的研究

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摘要：成都地铁隧道工程主要穿越地层为富水砂卵石地层，盾构在砂卵石地层中施工，刀具磨损是一个较为严重的问题，需要通过适时更换刀具以保护盾构刀盘和其它部位，并保证盾构机正常施工进度。通过对地铁4号线、1号线施工中采用的换刀技术的研究和总结，为在类似地质情况下盾构施工提供借鉴。

关键词：地铁隧道工程；富水砂卵石地层；盾构；换刀技术

中图分类号： A715 文献标识码： A

1 概述

成都地铁砂卵石地层石英含量高，刀具磨损快，据施工统计，每掘进300～500m就需进行刀具的检查与更换，因此进仓进行检查和更换刀具是成都地铁盾构法施工的关键工序。进仓换刀主要有带压和不带压进仓作业两种方式，由于成都地铁的砂卵石地层含水丰富且气密性差，线路埋深较浅，带压作业易造成地面喷发和引起地表坍塌，因此，成都地铁在施工中主要采用降水辅以地面加固手段为主的常压进仓的换刀办法，同时也进行了一些带压换刀实践。

2 地质条件

成都地铁4号线某区间段主要穿越砂卵石地层，20～80mm颗粒卵石含量约50～85%，粒径100～130的大约占10%。地层岩体松散，自稳能力差，单个石块强度高，卵石块在地层中起骨架作用，填充物以细砂为主。

本区间砂卵石土均为强透水层，地下水连通性好，隧道基本位于卵石土层中，受地下水影响较大。地下水埋深为6.8～7.5m， 在施工时应考虑地下水压力对隧道结构的作用。

3 换刀施工总体安排

3.1换刀方法

根据隧道地质条件，本工程刀具更换主要采用常压换刀方式，当地面受条件限制不能进行常压换刀时，使用带压换刀。

根据本区间地质报告，隧道开挖断面为中密卵石土和密实卵石土地层，在降水条件下地质稳定，可采用降水条件下常压换刀。

3.2换刀地点选择

在盾构掘进过程中，需要根据刀具磨损情况进行开仓换刀，根据盾构设备刀盘及刀具都经过合金加固的情况、施工经验和区间地质条件，确定正常情况下换刀间距300-500m，换刀地点地面上远离建筑物和主要管线。因此，

本段换刀点左线地面为道路绿化

带，右线处于行车道下方，距离建筑物较远，左右线雨污水管线均离开隧道范围，预计换刀地点位置大致如下。

3.3 常压换刀方案

3.3.1换刀点地层加固

在预定换刀位置，采用地面袖阀管注浆形式对换刀点地层进行加固，加固区设三排孔，每排设5个孔，孔间距为1.5米，孔深至隧道底部，孔位布置如图。浆液采用水泥-水玻璃双液浆。注浆过程中时刻监测地面沉降和隆起情况，当地面隆起1cm时，终止注浆。

3.3.2 降水井施工

在换刀区域打设三口降水井，一口位于左右线中间位置，其余两口位于左右线边线外，具体布点位置见停机位置平面图。

降水井用旋转钻机成孔，钻孔直径800mm,钻孔深度为隧道底部以下3米，井管直径600mm，采用钢筋笼制作,外包3层60目尼龙布，在井壁间隙回填砾石至地面以下1～1.5m，孔口部分用粘土填实。降水井施工完成后安排专人抽水，降水

过程中注意降水对周边建筑物及管线的影响。整个换刀过程中不间断抽水，保证地下水位在隧道底部以下1米。

3.3.3换刀前盾构操作准备

1、对盾构各部位进行详细的检修，通过十五环把盾构的姿态和掘进方向调整到正常范围，当刀盘切口环位置到达加固区中心里程时停止掘进。

2、开仓准备：转动螺旋，将土仓内渣土渣位降至1/2左右，打开盾构机下部土仓壁球阀，观察是否有地下水流出，如没有水流出，则证明水位已降至隧道底板以下。

3、开仓：打开土仓壁上的平衡阀，使用气体检测仪检测地层是否存在有害气体，如无有害气体，即打开仓门。人员进入土仓后，检查开挖面土体加固效果及是否有渗漏水，若有少量渗水，用快硬水泥封堵，并插入导管引流；使用木板将刀盘开口封住，防止地层突然坍塌。

4、监控量测

换刀过程中对地面沉降及周边建筑物沉降进行监测，监测频率1次/小时。将整个换刀过程的监测数据图表化，对监测结果分过程进行分析。

5、刀具检查

滚刀的磨损量和偏磨量，漏油情况，滚刀刀圈的脱落、裂纹、松动、移位等，刀具螺栓的松动和螺栓保护帽的缺损情况。刮刀的合金齿和耐磨层的缺损和磨损以及刀座的变形情况。刀盘有无裂纹、刀盘牛腿磨损及焊缝开裂情况。

3.3.4 刀具更换

（1）刀具更换标准

刀在刀圈产生偏磨、漏油、挡圈断裂或脱落、刀圈脱落、裂纹、松动、移位情况下必须进行更换，滚刀正常磨损时按刀盘最外3把滚刀磨损大于8mm，其余边缘滚刀磨损量大于15mm，正面滚刀磨损量大

于20mm，中心滚刀磨损量大于25mm时更换。刮刀/齿刀合金齿缺损和耐磨层磨损完时更换。

（2）刀具更换作业

将∠45的角钢焊接在土仓壁三点位或九点位，把2块1500mm×200mm×40mm的木板放在角钢上搭设换刀平台。

将刀盘旋转到所需换刀的位置（三点位或九点

位），用风镐凿刀坑，坑的位置与所换刀的位置一致，容积与刀的体积基本相等。把需要换的刀具转到刀坑中，用滚刀夹具夹紧滚刀，使用导链挂住滚刀，松掉自锁螺帽。移走球面垫圈，球窝及可调节压块和楔形块，使用装配杆将滚刀撬出。

4、关闭土仓门

在换刀完毕后，在关闭土仓门前，检查确认刀具更换和刀盘修复的情况，清点换刀工具，确保无工具和其它杂物（尤其是金属物件）遗留在土仓内。

3.3.5盾构恢复掘进措施

换刀结束后关好土仓门，通过土仓壁上的球阀向土仓中注入充分膨化的膨润土泥浆，同时打开土仓壁上部的平衡阀排出仓内空气，直至溢出膨润土浆液时关闭平衡阀。观察土仓压力传感器，当土仓压力达到掘进时的土压平衡压力时停止注入膨润土。然后启动刀盘，将土仓内的碴土与膨润土搅拌均匀，恢复盾构掘进。3.4带压换刀方案

在地铁1号线一些换刀点上，由于受地面环境条件限制，不宜进行地下水降水和加固或采取降水和加固会严重影响地面正常活动。需要采取对地面环境影响较小的带压进仓换刀方案。

3.4.1带压换刀关键技术条件

在保证刀盘前方地层土和土仓满足气密性要求的条件下，向土仓注入压缩空气并置换土仓内部分渣土，在土仓内建立合理的空气压力来平衡刀盘前方开挖面的水、土压力，达到稳定开挖面和防止地下水渗入的目的。作业人员在气压条件下，安全地进入土仓内进行检查和刀具更换作业。

带压换刀的关键是实现开挖面及周边土层的气密性。为此需要有针对性的采取在盾构周边注入膨润土泥浆，在开挖面形成具有气密性的泥膜。必要时应对前方开挖面土层采用注浆加固处理以保证土层气密性的实现。

3.4.2到达预定换刀点前增强盾构周边和前方土层气密性的操作

到达换刀点前约10米，在盾构周边注入膨润土泥浆。此时盾构机掘进速度调整为30～50mm/min，刀盘转速调整为1～2r/min，最多不能超过1.5r/min。同时在盾构刀盘前方8个注浆孔中位于盾体上方的4个注浆孔注入膨润土泥浆，在到达换刀点前要求注入25立方米的泥浆在开挖面上形成泥膜。

4.2在预定换刀点建立土仓及开挖面空气压力的操作

到达预定换刀点后，盾构机停止向前推进，持续转动刀盘和注入膨润土泥浆5分钟。然后开始向土仓内加注压缩空气，进行气压和土压置换。加压置换过程采用分步排土、分步加压的方式进行。将土仓中的渣土排出约1/3，观察土仓压力变化，同时观察地表上漏气是否严重，若土仓压力无法保持，则重新恢复注浆或重新推进；若土仓压力保持2小时没有变化，则继续出土至1/2略偏下处，观察土仓压力变化，土仓压力保持2小时没有变化或或无明显波动时，则表明土仓建压成功，可以进行带压换刀操作。换刀操作与常压基本相同。

4.3换刀结束后的恢复掘进

换刀结束后，待人员与设备撤出土仓和人闸后，启动刀盘，恢复掘进。压力传感器反映土仓内压力变化，通过土仓内排气阀排除部分气体，以保持恒定的支撑压力，重复进行直至建立土压平衡，进入正常掘进施工。

5结束语

综合上述，在富水砂卵石地层中进行盾构换刀方案选择时，应详细考虑安全性和经济性的平衡，并以安全性为主要考虑目标，选择适当的换刀方案达到经济与安全平衡。成都地铁4号线施工过程中，由于上层浅埋土体透气性大，主要采用降水和土层加固后的常压开仓换刀，安全性较好。但常压开仓换刀由于降水和土层加固等原因，对地面交通等环境造成很大影响。成都地铁1号线上通过采用膨润土和A、B液对地层和开挖掌子面处理，改善了土层和掌子面的气密性，这时采用带压换刀具有明显的施工方便条件和环境几乎不受影响，是需要大力总结和发展的主要方式。

参考文献：

[1]梁奎生，土压平衡式盾构机进舱作业[J]。工程机械与维修，2005（11）：148-149。

[2]中铁隧道股份有限公司，盾构带压进仓作业工法（GZSJGF07-06-07）[R]2007。

富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术。