盾构带压换刀质量与风险控制

盾构带压换刀质量与风险控制

摘要：盾构掘进施工中换刀在所难免，其中以带压进仓换刀风险最高，特别是

在泥膜护壁的情况下带压进仓更为危险。本文通过案例风险，阐述了风险控制最

关键的各个步骤。在将来盾构施工管理中特别关注。

关键词：风险控制；泥膜制作；带压进仓

1工程概况

东莞轨道R2线珊美站~展览中心站区间盾构段隧道在里程ZDK29+690～

ZDK29+768之间，纵向78m范围穿越东莞市厚街镇横岗水库排洪河道。盾构隧道

与排洪河道平面关系如下图：

图1 盾构隧道与排洪渠平面关系图

2换刀原因

珊展区间在该区域地层较为松散，左线盾构机在前期掘进过程中，地面沉降

较大，造成河堤岸产生较大变形。右线盾构机掘进至河道时进一步加剧河堤岸的

变形、位移、开裂，且推进参数异常，综合判断刀具已产生较大磨损，刀盘结泥

饼的可能性很大。由于盾构机正上方为河道，地质条件很差，在河道换刀安全风

险巨大。并且河堤附近地质条件均不具备常压开仓换刀条件，为此拟在河堤岸附

近采取地面袖阀管注浆加固，对掌子面土体采取泥膜护壁辅助措施后，实行压气

换刀作业。

3地质概况

如图所示，掘进参数异常区域地质条件由上至下分别是：<1-1>素填土，<3-4>全新统冲洪积淤泥质粘土，<3-1>全新统冲洪积软塑状粉质积土，<3-10>全新统冲

洪积中砂，<3-11>全新统冲洪积粗砂，<7-1>全风化砂岩、含砾砂岩，<7-2>强风

化砂岩、含砾砂岩，<7-3>中风化砂岩、含砾砂岩。

图2 区间左线纵断面图

4换刀重点、难点分析及方案必选

4.1重点难点分析

从渣土抽样及结合地质剖面图情况分析，底部<7-2>强风化砂岩、含砾砂岩，<7-3>中风化砂岩、含砾砂岩约占隧道断面50%以上，强度高，对刀具磨损非常大。根据掘进参数、地质、地层判断，本次刀具已发生了较大磨损，必须安排人员进

仓检查及更换刀具。

从前期珊展左线的气压作业情况看，本地段土层较为疏散，土仓压力建立起2.0~2.5bar气压并不能有效控制掌子面塌方，如何稳定掌子面，控制沉降是本次

换刀面临的最大难题。

4.2方案比选

稳定掌子面措施有地面注浆加固、土仓回填砂浆及泥膜护壁等。各方案特点

如下：

4.2.1地面加固

特点：施工工艺简单，工期短，加固效果好，对地面场地要求高，征地及修

复困难。

4.2.2土仓回填

特点：加固效果较好、成本低，受地面建筑物影响小，但对施工工艺控制较强，盾构机容易被回填材料包裹，盾构脱困风险大。

土仓回填低标号砂浆或者水泥浆液，一方面对回填材料强度掌握好，回填材

料强度过高，将造成土仓开挖清理难度大，影响换刀进度；若材料强度过低，加

固效果又不明显，给换刀带来隐患。另一方面，注浆回填前，需充分做好盾构机

刀盘开口、切口等封堵措施，防止回填时浆液串流到刀盘前方及盾尾后面，浆液

包裹盾构机，提高盾构脱困难度。

4.2.3泥膜护壁

特点：工艺较简单、风险小、成本低，对膨润土膨化性能高、工序组织和过

程控制强，泥膜容易失水、干缩、变形等，质量难控制。

5泥膜护壁施工工艺及流程

图3 泥膜护壁施工工艺流程图

5.1洗仓

使用黏度为25±5s的高黏度泥浆（膨润土：水=1:12kg），将土仓内的渣土置

换出来。直至土仓壁3、9点位放出来的基本是泥浆，且螺旋输送机所出来的渣

土中大约有70%~80%为高黏度泥浆时。在置换过程中土仓压力应保持在

2.4~2.5bar。

5.2分级加压

5.2.1关闭螺旋输送机，向土仓内注入黏度为35±5s的高黏度泥浆（膨润土：水：纯碱：CMC=1:12:00002:0.001kg），将土仓压力升至2.6~2.7bar。从土仓壁的3、9点位置放出泥浆，直至放出的泥浆满足35±5s的黏度，且含砂量与注入的泥

浆相近。

5.2.2向土仓内注入黏度为45±5s的高黏度泥浆（膨润土：水：纯碱：

CMC=1:10:00002:0.001kg），将土仓压力升至2.8~2.9bar。从土仓壁的3、9点位

置放出泥浆，直至放出的泥浆满足45±5s的黏度，且含砂量与注入的泥浆相近。

5.2.3向土仓内注入黏度为55±5s以上的高黏度泥浆（膨润土（易钻）：水：

添加剂（雷膨）=1:33:0.027kg），将土仓压力升至3.0~3.1bar。从土仓壁的3、9

点位置放出泥浆，直至放出的泥浆的黏度与注入的泥浆黏度相同，且含砂量与注

入的泥浆相近。

5.2.4继续向土仓内注入黏度为60s以上的高黏度泥浆，将仓压升至3.4bar，

停止转动刀盘，静止3~4小时。在分级加压的过程中，每30分钟测一次泥浆比重，看泥浆是否被稀释，防止地层失水引起地面沉降。

5.3气体置换

从土仓壁的3、9点位置放出泥浆，回收待用，同时向土仓内注入高压气体。以0.2bar为一个单位，将土仓压力由3.4bar缓慢降至2.4bar。至此，泥浆护比施

工结束，压气作业正式开始。

图4 泥膜护壁效果图

5.4 刀具更换施工情况

随着换刀施工的进行，共计发现单刃滚刀磨损13把，中心滚刀磨损4把。

其中边缘滚刀偏磨4把，偏磨量在35~50mm，正常磨损2把，磨损量12~22mm。正面滚刀偏磨3把，偏磨量在33~42mm，正常磨损2把，磨损量在33mm左右；

中心滚刀磨损4把，磨损量在25~45mm。

图6 双刃刀磨损情况

6气压作业

6.1总体施工方法及步骤

压气作业是指通过对盾构机土仓内注入压缩空气，使盾构机前端土仓与外界土层形成一

个密闭的压气空间，以压缩空气为压力介质保证土层稳定，并能阻止地下水流入土仓内，使

得作业人员能够安全进入稳定压气空间内，进行盾构机刀具的检查及更换工作。

总体步骤如下：施工准备工作→土仓加压置换、保压→人员进入人仓，开始加压→人员

进入土仓，更换刀具→人员进入人仓，开始减压→换刀结束，建立土压、恢复推进。

在压气换刀作业中，要特别注意护壁泥浆的情况，若发现护壁泥浆干裂、脱落等情况时，要及时通知、报告情况，在必要的情况下，要重新进行泥浆护壁的施工，形成新的泥膜，保

证换刀工作的安全进行。

6.2气压作业准备

6.2.1检查地面加固效果

6.2.1.1地面加固完成后，在盾构机到达加固体前，在加固体上选取地点进行钻孔取样，

检查袖阀管加固效果。

6.2.1.2在盾尾脱离了河堤之后，从盾尾往河堤方向注双液浆制作止水环。止水管不少于

3环，尽量多地封堵后方河道的水力补充。

6.2.2选择合适的作业压力值

6.2.2.1作业压力值的选择主要取决于机头刀盘位置的埋深、机头刀盘位置地层的自稳性

以及压气作业人员身体承受压力的能力等三个因素。

6.2.2.2气压作业采取双控制措施，同时满足主动土压力和地下水位压力两个的稳定。当

地下水位高时，以河道的水位高度计算水压力，河道水位降低时，压气力不低于盾构机位置

的主动土压力。

6.2.3作业人员的选择与培训

从事压气作业的人员必须经过身体健康检查合格，并经过专业机构的压气作业培训。

6.2.4压气作业的施工管理

压气作业是一项特殊的施工作业，具有高度的整体性、系统性，对施工过程中的设备物

资准备、人员安排、作业指挥以及后勤应急救援准备等各个环节的管理都有很高的要求。

6.2.5空压机检查

为保证压气作业的安全性，应对空压机进行全方位的检查维护，确保空压机处于正常工

作状态，必要时要再增加一台空压机以及发电应急设备。

6.2.6人闸检查

在大气压力下，检查以下项目，保证符合要求。

6.2.6.1气体自动平衡阀必须能正常工作；

6.2.6.2紧急照明必须能正常照明；

6.2.6.3紧急电话必须能正常通话；

6.2.6.4各个压力表必须能正常显示；

6.2.6.5主舱和前舱的溢流阀压力调为3.0 bar；

6.2.6.6各个手动球阀开关必须正常；

6.2.6.7流量计工作必须正常；

6.2.6.8各个密封门开关必须正常；

6.2.6.9各个加热装置加热必须正常。

6.2.7人闸加减压试验

试验时不要求人员进入，只进行无人压力试验，以检查主舱与前舱的各功能部件在试验

压力下的工作情况。

图7 人闸示意图

6.2.8换刀工具准备