不良地质条件下的盾构机常压开仓换刀技术研究

不良地质条件下的盾构机常压开仓换刀技术研究
发布时间：2023-01-29T08:17:51.704Z 来源：《工程建设标准化》2022年第37卷16期作者：高伟[导读] v
高伟
中铁上海工程局集团有限公司城市轨道交通工程分公司 201906摘要：针对在不良地质条件下作业的盾构机作业时刀具受到严重磨损，需要更换刀具情况，研究不良地质条件下的盾构机常压开仓换刀技术。

该技术以塔前出入场线盾构机为研究对象，充分介绍该盾构机应用工程的概括、地质条件、水文条件以及不良地质条件后，确定盾构机常压开仓换刀的问题处理方案，同时分析常压换刀的技术难点，并给出砂浆置换针对性解决措施；然后提出换刀前咬合桩及高压旋喷桩的止水施工方法，和常压换刀施工方法、换刀过程和施工注意事项。

实验结果表明：应用该方法可有效保持盾构机常压开仓换刀时，仓内CO浓度不超过5%ppm，且在盾构机换刀施工过程中，仓内渗水点数量较少，并可顺利更换盾构机刀具并填仓，具备较为显著的应用效果。

关键词：不良地质条件；盾构机；常压开仓；换刀技术；地质条件；处置方案Research on the Technology of Shield Tunneling and Tool Changing at Atmospheric Pressure under Bad Geological Conditions Abstract: Aimed at the situation that the cutter of the shield machine operating under bad geological conditions is seriously worn and needs to be replaced, the technology of cutting tool change at atmospheric pressure for the shield machine operating under bad geological conditions is studied. This technology takes the shield machine at the entrance and exit line in front of the tower as the research object. After fully introducing the summary of the application project, geological conditions, hydrological conditions and adverse geological conditions of the shield machine, the solution to the problem of opening the shield machine at atmospheric pressure and changing the cutter is determined. At the same time, the technical difficulties of changing the cutter at atmospheric pressure are analyzed, and the targeted solutions for mortar replacement are given; Then, the water stop construction method of the bite pile and high-pressure jet grouting pile before tool change, and the construction method of the normal pressure tool change, the tool change process and the construction precautions are proposed. The experimental results show that the application of this method can effectively keep the CO concentration in the chamber not more than 5% ppm when the shield machine is opening the chamber at atmospheric pressure for tool change, and the number of seepage points in the chamber is small during the construction of the shield machine tool change, and the shield machine tool can be successfully replaced and the chamber can be filled, which has a significant application effect. Key words: Unfavorable geological conditions; Shield machine; Open at atmospheric pressure; Tool change technology; Geological conditions; Disposal plan
0 引言
盾构机是隧道掘进设备，其被应用在海底隧道挖掘、地铁轨道挖掘等大型工程中。

盾构机在作业过程中，受作业地质条件较为复杂影响[1,2]，其刀具容易出现磨损情况，影响盾构机掘进速度，进而影响整个工程工期。

对于盾构机更换刀具可分为带压开仓换刀和常压开仓换刀，其中带压开仓换刀风险极大[3-5]，若操作不当会造成坍塌、爆炸等恶劣影响。

因此在盾构机换刀时，通常使用常压换刀方法。

但盾构机作业的地质结构往往很复杂，其作业区域内存在含水层、不同风化程度的岩石以及砂砾土等[6]，当盾构机仓泄压后，防护不当也会造成仓内渗水、坍塌情况。

因此研究盾构机在不良地质条件下的换刀技术意义重大。

目前也有很多学者对此展开研究，如谭顺辉等人[7]提出的泥水盾构常压换刀技术，该技术着重研究泥水盾构机在高压力情况下的防水方法，通过较好的防水，保障盾构机刀具更换环境较为干燥，方便更换盾构机刀具。

但方法并未考虑盾构机换刀时，其仓结构的稳定性，具备片面性。

孙鹤明等人[8]提出大直径盾构机带压换刀技术，虽然该技术在其应用工程盾构机刀具更换中应用效果较好，但在地质较为复杂情况下，其适用性不强。

面对上述盾构机刀具更换方法存在的缺陷，本文研究不良地质条件下的盾构机常压开仓换刀技术，以提升盾构机换刀技术水平，为后续工程盾构机换刀提供借鉴。

1 工程背景
塔前出入场线盾构机自2019年11月5日始发，于2020年7月进入409环内，该盾构机工作速度为1.5~4.5米每分钟，刀盘最大扭矩可达到5000KN，最大推力达到2000吨以上。

该盾构机作业时，其仓内CO含量较高[9-11]，工作人员进入会造成中毒情况，因此该盾构机换刀时，需在常压情况下进行更换。

目前该盾构机位于泄洪堤下方，其距离路基约为42m左右，其周边并无居民区，周边生态环境较为单一，这也为该盾构机更换刀提供了便利条件。

该盾构机作业起讫里程接近1600m，转我半径为280m左右，作业最大坡度为20‰，其作业的隧道外径为6100mm左右。

该盾构机工程线路如图1所示。

图1 塔前出入场线工程线路图2 工程地质及水文地质条件2.1 工程地质
该盾构机上方为果林，当前隧道内覆土厚度为12.2m左右，其刀盘作业位置，从上到下土层依次为粉质黏土、淤泥、闪长岩，其中闪长岩风化程度从上到下依次为全风化、强风化、中风化。

粉质年度厚度约为2.2m，淤泥厚度为2-3.9m左右，不同风化程度闪长岩厚度分别为3.8-6.9m、7.3m-12.4m、8.2-11.9m左右。

2.2 水文地质
使用钻孔勘探技术勘察盾构机位置水文条件，一共钻孔11处，其中10处位置均出现地下水情况，1处并未遇见地下水，但钻孔内土渣含水量略大。

在10处钻孔位置中，初见水位深度为2.3m左右，初见水位标高约为8.82-18.24m左右，稳定水位埋深和标高分别为09-8m和6.24-16.59m左右。

依据当前盾构机水位和埋深的区间范围，得到该盾构机地下含水层水位参数，如表1所示。

注：上表内“~”表示“无”。

2.3 不良地质条件
从该盾构机位置的水文条件可知，其作业区域土层特征为上层为软土、下层为硬石，且上层含水量较大，花岗岩和辉绿岩风化较为严重，同时基岩风化不够均匀，其中块状碎石主要位于下层，盾构机在切削岩石时[12,13]，极容易受到异常磨含有大量泥损。

该区域残积土为砾粗砂、砂砾和卵石，由于残积土为在地面上层，其含水量高，在砾粗砂、砂砾和卵石内浆。

且该层节理裂隙发达，岩性不均匀，导致盾构机在作业过程中，其刀头容易磨偏，且受泥浆影响，刀片上会残留大量泥饼[14,15]。

3 常压下的换刀技术3.1 问题处理方案的确定
根据塔前出入场线盾构区间出场线盾构机所处环境，以及2020年7月19日内部讨论、外部咨询意见，一致认为在此处采用砂浆置换法加固开仓较为稳妥，对于土仓前方及上方土体稳定性有较好支护效果，较带压开仓具有优势。

其中砂浆置换法是在盾构机刀头位置，使用砂浆混合物制作止水帷幕的施工方式，该方法具备成本较小、对周边环境影响较小的优点。

3.2 常压换刀技术的难点及针对性措施3.2.1难点分析
砂浆置换法是当前盾构开仓常用的加固方法，当实验对象地层出现在带压开仓过程中仓内co气体超标问题，需要先进行地面加固，然后用砂浆填仓，待仓内浆液达到一定强度后，再由工人进入仓内挖除初凝的砂浆后进行换刀作业。

采用砂浆置换法加固开仓具有较高的稳定性，能够支护土仓前方以及上方土体稳定性，比带压开仓性能佳。

盾构机在作业过程中，其依靠土仓压力保持其作业面稳定，在为盾构机换刀时，土仓被打开，土仓内部压力瞬间下降，导致盾构机作业面受到自然土压力骤增，容易出现作业面坍塌情况。

因此在更换盾构机刀头时，需充分考虑地下水位、作业面承压能力采取一定支护措施。

同时盾构机作业距离含水层较近，需使用降水井对盾构机作业面进行降水，防止泥水喷涌。

3.2.2 针对性措施
（1）面对盾构机作业面坍塌现象，在距离盾构机刀盘40cm位置处，进行砂浆置换施工，做Φ1.8m咬合桩砂浆墙，防止盾构机作业面坍塌。

（2）当盾构机仓开仓时，为防止泥浆喷涌，浇筑高压旋喷桩，该高压旋喷桩规格为Φ0.75m。

并在盾构机刀盘左、右、前三个方位挖降水井，利用其降低仓内水位。

3.3 砂浆置换施工流程
砂浆置换施工流程用图2描述。

图2 砂浆置换施工流程
3.3.1 地面注浆加固
考虑到带压开仓施工前阶段的需求，通过WSS后退时注浆加固地面，设置桩间距的横向和纵向值都为1.3m，分别通过水泥-水玻璃双液浆以及水泥浆加固隧道外部以及内部区域。

通过WSS注浆再次加固地面，可以确保刀盘前方土体的稳定性，并且确保刀盘前方以及上方分别加固到岩面以及盾体。

3.3.2 注浆量控制以及注浆
设置单液和双液竖直注浆半径是1.3m，设置双液注浆压力最大值为1.1mpa，每米注浆量不能低于1m3。

完成注浆后需要密封注浆孔。

图3 填仓示意图
3.3.3 盾体和刀盘保护
利用盾尾同步注浆过程注入膨润土泥浆，并且也将膨润土注入管路中避免浆液凝固使得盾尾抱死。

将油脂注入盾尾密封系统中，避免盾尾出现漏浆问题。

将膨润土注入盾壳临近区域，避免浆液凝固使得盾构抱死。

为了避免刀盘主轴承密封受损，需要将适量的油脂注入单盘密封系统中。

3.4 换刀前咬合桩及高压旋喷桩止水的施工
为防止盾构机换刀过程中出现泥浆喷涌情况，对盾构机左、右和前方的咬合桩和高压旋喷桩进行止水施工，其详细过程如下：（1）旋挖成孔
施工前对现场定位撞坐标进行复核，埋没3以及5m长的护筒，同时设置护筒的厚度为11mm，应确保护筒的稳定性；通过KY-150坑道钻机钻到65m出后，再通过KY-200全液压钻机持续钻到桩端持力层成孔后，通过正循环工序进行首次清孔，清孔过程用图4描述。

首次清孔后，将钢筋笼下放并部署导管后，进行二次清孔，并且确保沉渣厚度低于90mm。

（2）咬合桩止水施工方法：
利用反循环钻孔跳桩法对咬合桩进行止水施工，使咬合桩之间形成咬合排列的止水帷幕。

其施工工艺流程为：首先做施工准备，沿着咬合桩沟槽轴线开挖，宽度为1.4m，深度为1.0m，然后在沟槽上安装钻机。

其次钻进成孔，利用钻机对准桩孔中心位置进行钻进，在该过
程中要及时检查孔位、深度、倾斜度等，以保障钻的咬合桩孔符合施工标准，然后依据其止水施工方法浇筑咬合桩。

再次，咬合桩施工完成后，将其与防渗墙进行闭合处理，形成一道闭合的止水帷幕。

（3）高压旋喷桩止水施工方法：
高压旋喷桩止水施工的施工准备和钻进成孔与咬合桩止水施工方法相同，其钻进成孔后，进行、、高喷作业、移位等处理。

在高压旋喷桩止水施工中，其施工工艺参数是影响其止水效果的关键，设计高压旋喷桩止水施工工艺参数，如表2所示。

高压旋喷桩依据表2的工艺参数进行施工，具备一定的防水效果。

3.5 常压换刀施工
咬合桩和高压旋喷桩止水施工完成后，准备开仓泄压并进行换刀工作。

由于仓内含有大量的co，且在地下环境内，防止仓内压力卸掉导致工作面坍塌情况，需在开仓前对其进行加固处理，其过程如下：
按照盾构机作业现场封环状况，为保障盾构机仓稳定性，在盾尾部注入聚氨酯，并以设置4个止水环箍，防止盾构机作业面的水从盾部位置进入仓内，以保障仓的稳定性，其中注浆时的压力需保持稳定。

向盾构机盾体内注入大量的膨润土浆液，以降低换刀过程中，盾反复推进时的摩擦阻力，增加其润滑效果，并在盾和盾构机作业面的岩体中间形成第二道防水线，进一步阻止地下水进入到仓内。

气压辅助推进5cm（左中土压1.4bar），将铰接伸长至允许最大值（160mm）后。

为了将渣土置换出，需要将40~50s的膨润土注入土仓中，注入过程中使用的工具为土仓壁球阀，注入后向土仓中灌注水泥砂浆。

换刀施工人员观察浆液达到一定强度后，开仓检查施工面是否达到平稳状态，若状态稳定，则人工挖除初凝的砂浆后进行换刀作业。

在更换盾构机刀之前，需对更换的刀具进行检查，对刀盘进行收缩2-3厘米，为检查和更换刀具提供操作空间。

然后工作人员检查当前盾构机刀磨偏情况。

当刀盘上泥饼较多时，则需使用高压水枪对刀盘进行清理，然后使用孔球阀连接软管排出仓内部积水，并使用气球吹干刀盘上残留的水分。

再检查刀盘上刀具后，拆除需要更换的刀具，并且拆一把更换一把，以保障刀具所使用的螺栓、螺母、压块等均配套。

3.6换刀过程和施工注意事项
如果刀盘旋转到设定位置，利用螺旋机将土排出，确保土体位置降低到设定位置，并通过人工将木板安装到土仓中，并在土体上方部署木板，为换刀人员换刀提供可靠的基础保护。

开仓前后需要在仓门周围焊接吊点，吊点用于人员操作手拉葫芦，进而完成刀具的卸载和安装。

换刀时需要将刀具和抽水水泵固定好，以免出现二者掉落泥中现象，一旦掉入泥中，应立刻捞出，严禁转动刀盘和继续换刀。

同时换刀时需要对刀盘前面以及顶部砂浆墙体稳定性进行实时观测，一旦发现异常，换刀施工人员应向土仓中注入高浓度膨润土后，迅速关闭仓门撤离。

更换刀具后用棉絮以及纱布对空隙进行填充，避免出现渗水问题。

换刀后通过风镐从下往上对阻碍地方进行破除，确保后续掘进的正常进行。

换刀后需要全面检查土仓和刀盘前方，检查是否存在工具以及杂物遗留问题。

3.7 实验分析
从该盾构机换刀实际过程中验证并分析本文方法的实际应用效果。

以地表沉降数值作为衡量指标，设置地表沉降阈值为15mm，量测应用本文方法对该盾构机换刀时，盾构机换刀位置区域地面沉降数值，结果如图4所示。

图4 盾构机换刀地表沉降值
分析图4可知，在30天盾构机换刀工期内，该盾构机换刀区域地表沉降数值呈现增加趋势。

其中在工期为12天之前时，该盾构机换刀区域地表沉降数值呈现迅速增加趋势，其原因在于在换刀作业执行初期，需在仓位置处进行止水施工，在施工过程中需进行排水、钻孔以及浇筑桩，导致地下支撑力下降地表出现沉降现象。

但随着工期天数持续增加，该盾构机换刀区域的地表沉降数值趋于稳定。

且在不同工期
情况下，该盾构机换刀区域的地表沉降数值均低于所设置的地表沉降阈值。

上述结果说明：本文方法在该盾构机换刀时，地表沉降数值较小，对当地环境破坏较小，本文方法应用效果较佳。

以
给出本文方法更换盾构机刀具时的作业场景，如图5所示。

图5 盾构机换刀作业场景分析图5可知，在应用本文方法更换盾构机刀具时，可从左右两个工作面展开换刀作业，可有效提升盾构机换刀效率，具备较好的应用效果。

以盾构机换刀施工作业时，仓内CO浓度作为衡量指标，检测在换刀时CO浓度保持效果，结果如图6所示。

图6 盾构机仓CO浓度变化情况分析图6可知，应用本文方法对该盾构机进行换刀作业时，其仓内CO浓度始终在1.8%ppm-3.0%ppm之间。

总体来说，本文方法控制盾构机仓内CO浓度保持较为稳定状态，且可保持仓内CO浓度不超过5%ppm，使工作人员施工时的呼吸环境较为安全。

验证本文方法在盾构机换刀施工过程中换刀位置的地下渗水点数量，将盾构机盾前方、左侧和右侧划分为3个区域，统计该三个区域在30天工期内的渗水点个数（其中包含轻微渗水点），并设置渗水点个数不得超过30个。

测试结果如表3所示。

分析表3可知，该盾构机换刀区域的前方、左侧和右侧的渗水点数量随着工期时间的增加而增加。

其中盾构机换刀区域右侧虽然渗水点出现时间较早，但其渗水点数量增加幅度最低。

而盾构机换刀区域前方和右侧的渗水点数量随着工期的增加，其数量增加幅度略大。

其中在工期为30天时，该盾构机换刀区域渗水点数量分别为9个、6个和4个。

综合上述结果，在较大的盾构机换刀区域其总渗水点为19处，其并未超过30个。

该结果说明：本文方法在实际应用中，盾构机换刀区域的渗水点位置较少，可有效保障换刀作业人员的安全性。

4 结论
本文研究不良地质条件下的盾构机常压开仓换刀技术，先进行地面加固，然后用砂浆填仓，待仓内浆液达到一定强度后，再由工人进入仓内挖除初凝的砂浆后进行换刀作业。

经过实际验证：本文方法可有效保障盾构机换刀作业仓内CO浓度稳定，使其浓度数值保持在5%ppm以下。

且盾构机换刀作业过程中，仓内渗水点数量较少，施工作业人员的安全性得到有效保障。

同时应用本文方法顺利对该盾构机进行了换刀作业，为此后特殊地质环境下，盾构机换刀施工提供借鉴。

参考文献 [1]胡鹰志.复杂地质条件下富水动压砂层盾构开仓加固区施工技术[J].施工技术,2020,49(13):10-13. [2]黄君,田书广,陈贺,赵鹏飞.复杂地质条件下盾构隧道下穿马骝洲水道施工技术优化研究[J].施工技术,2019,48(07):65-69. [3]韩维畴,王太平,孙富强,刘耀军,段文俊.复杂条件下土压平衡盾构机洞内加固带压开舱施工技术[J].现代隧道技术,2020,57(S1):942-950. [4]姜兴宇,马明宇,齐鹏,马生顺,侯志权,刘伟军.基于JACK的盾构机换刀作业人员工作负荷评估模型[J].沈阳工业大学学报,2021,43(05):542-549. [5]苏长毅,刘灿光,谷海华,许剑波.超长区间土压盾构连续穿越富水砾卵石层施工技术[J].施工技术,2020,49(19):71-74. [6]傅鑫晖,莫涛,张晨,林清阳,魏永明.复合地层盾构机刀盘结泥饼成因及预防措施[J].地下空间与工程学报,2020,16(S2):864-869. [7]谭顺辉,孙恒.超大直径泥水盾构常压换刀设计关键技术——以汕头海湾隧道及深圳春风隧道为例[J].隧道建设(中英文),2019,39(07):1073-1082. [8]孙鹤明,张波,张书香,刘生,王文广.富水砂卵石地层8.6m级大直径盾构带压换刀技术[J].施工技术,2020,49(S1):620-624. [9]石振明,刘鎏,管圣功,吴全立,石新栋.盾构机前舱设备可视化检测系统研究与应用[J].公路交通科技,2019,36(01):109-116. [10]黄圣,杨泰春,陶建峰.土压平衡盾构机刀盘扭矩分析与计算[J].地下空间与工程学报,2020,16(S2):710-714. [11]赵欣.含水砂卵石地层竖井换刀施工安全技术[J].建筑技术,2022,53(09):1163-1165. [12]尹志清,翟维骏,韩爱民,陈冬,郝保安,李彤,陈冲.基于符号回归算法的地铁盾构刀盘扭矩预测研究[J].城市轨道交通研究,2021,24(01):127-131. [13]向源,胡锋,周雯,吴开明,周松波.盾构机滚刀刀具用钢研究现状及进展[J].钢铁研究学报,2021,33(02):91-102. [14]张天举,张士龙,赵醒毅.基于ADAMS的盾构机刀盘驱动系统动力学仿真分析[J].公路,2020,65(02):326-330. [15]戴志仁.富水砂卵石地层盾构隧道微扰动施工关键技术[J].中国铁道科学,2019,40(02):88-96.
作者姓名：高伟（1990.06-）男；汉，安徽桐城人，本科，工程师，研究方向为盾构施工。