富水砂卵石地层中盾构换刀技术研究

1、富水砂卵石地层中盾构换刀技术研究李博1 苏华友1 段浩2（1.西南科技大学 四川 绵阳 621000；2.中煤邯郸中原建设监理咨询有限公司 河北 邯郸 056031；）摘要：由于成都地铁主要穿越地层为砂卵石地层，砂卵石对盾构机的刀具磨损较为严重，需要及时、频繁的更换刀具。目前采用的换刀方式主要有常压进仓换刀和带压进仓换刀两种。本文通过对成都地铁的几种盾构换刀方案进行探讨，得出适合成都地铁的换刀技术。关键词：砂卵石 盾构 带压换刀 加固 1 概述成都富水砂卵石地层对盾构法施工来说是一个挑战，盾构刀盘刀具面临切削破碎大粒径卵石甚至孤石，刀具的磨损和更换在所难免，根据前期施工数据，平均140m左右就

2、需更换一次刀具；盾构本体耐磨性能在长距离不间断推进过程中将受到严峻考验，如何保证及时更换磨损过量的刀盘刀具及本体耐磨材料，保证刀盘的切削能力和耐磨性能，是盾构法施工成功的关键。2 地层条件及地层失稳机理2.1 地层条件砂卵石地层是一种典型的不稳定地层，颗粒直接胶结能力差，结构松散，受扰动后极易失稳，造成地层位移坍塌。从而给人员和财产造成很大的损失。（1）地层对外界的扰动敏感。原状围岩在不扰动的情况下能保持较好的稳定状态，特别是在无水的情况下，这一点在成都的基坑开挖工程中已经得到很好的验证；（2）单个岩块强度高。据试验数据，单个卵石块的单轴抗压强度可高达150170mpa；（3）围岩的内摩擦角大

3、。根据试验数据，内摩擦角在不改良的情况下有40。2.2 地层失稳机理 在盾构机刀盘转动的同时，对地层有一定扰动，在刀盘的前方和上方形成松散带，在换刀过程中松散的渣土不可避免的要进入土仓，就会在刀盘的前上方造成地层损失。由于该地层的内摩擦角较大，因此，有一定的拱效应，并在拱效应的作用下，该地层损失进一步向地表转移，最终反应到地表，造成地表塌陷。3 换刀方案的选取目前常用的换刀方式是常压进仓换刀。也就是对盾构机前方土体进行加固后，再常压进仓换刀。这样的换刀方式，因为前方土体已加固，换刀人员的安全有保障，但是需对换刀位置进行围蔽，给城市交通带来不便，另外对成都砂卵石地层进行加固效果不是很好，因此合理

4、选择加固方案成为换刀的一个难题。除了采用常压进仓换刀，还可采用带压进仓换刀的方式。但带压进仓换刀面临的难题是：成都的砂卵石地层富水性较好，土体不够稳定，由于土层透气性较强，加压时不易保压，带压进仓操作人员的安全得不到很好的保证。结合成都地铁换刀效果，虽然带压进仓换刀的效率较低，但它不需对地表进行加固，不用在地面围蔽，对城市交通的影响小，便于控制换刀过程中地表的沉降，地表不易塌陷。因此，在成都地铁施工过程中，应主要选用带压换刀的方式。3.1 换刀位置的选择换刀方式确定后，就得合理选择换刀位置。换刀位置的选择主要考虑以下几个因素：（1）自己分析详勘地质报告和补充地质勘察成果，了解清楚拟换刀位置的地

5、质条件，包括岩层、岩层的稳定性、水文地质特征等，以便选择一个地质条件相对较好的换刀位置。（2）拟换刀位置的地面条件拟换刀位置的地质条件选定后，还应对其地面条件进行详细调查，包括：换刀位置是否有管线穿过、其埋深条件如何、是否需要改迁或保护等；换刀位置是否需要进行交通疏解，若需要，应及时与交通管理部门协调沟通，取得认可；换刀位置是否有相邻建（构）筑物，与相邻建（构）筑物的距离关系，是否需要保护，如需保护还应与建（构）筑物的产权单位联系，取得谅解或同意等。简言之，就地面条件而言，换刀位置选择的原则，就是尽量避开建（构）筑物、管线、交通繁忙的道路。（3）刀盘、刀具的磨损情况由于成都地铁盾构隧道基本都在

6、砂卵石地层中施工，对盾构机刀具、刀盘的磨损较大。应仔细分析盾构掘进参数，判断刀具、刀盘的磨损情况，必要时可通过气压仓观察刀具、刀盘的磨损情况。一旦发现刀具、刀盘磨损严重，应尽早确定换刀，以免带来不可预知的后果。（4）经济性与安全性的平衡对刀盘、刀具的更换，在考虑其经济性的同时，也不能忽视安全性。换刀距离的选择需要掌握经济性和安全性的平衡，目前来说，更多的要考虑安全性的问题。通过对以上因素的综合分析，结合成都地铁特有的地层条件和选用盾构机的固有条件，可以确定相邻两次换刀距离控制在150m左右为宜。3.2 加固方式的选择3.2.1盾构对加固方式的要求地铁施工，尤其是市区施工，对换刀加固有以下几点要

7、求：（1）费用低由于沙卵石掘进中，刀具磨损严重，必须频繁的检查和更换刀具。这就要求加固成本经济。（2）加固效果良好加固既要保证土仓内作业工人的安全 ，又要控制地表变形。因此，必须要有良好的效果，保证掌子面土体的稳定性，防止其坍塌。（3）效率高，施工周期短加固方法必须高效，以减少对盾构施工进度的影响。（4）尽量不占用地表减少对市民生活的影响，争取做到不扰民施工。3.2.2 现有加固方式目前，在成都地铁对换刀位置的加固方式主要有以下几种：（1）降水降水是成都地铁盾构掘进换刀位置加固土体的主要措施之一。在拟换刀位置提前打设降水井，降低拟换刀位置的地下水位，以确保换刀位置盾构前方土体的稳定，确保换刀人

8、员的安全。降水措施受水文地质条件的限制，在采取降水措施对换刀位置进行加固时，应对拟换刀位置的地下水补给来源、地下水动力特征、地下水埋藏条件和季节性变化特点等了解清楚，以便确定在只采取降水措施的情况下能否达到加固的目的。降水井采用打深井方式，深度应超过隧道底部57m，位置在选定的换刀点横向轴线附近且距隧道边沿12m为宜，有效降水时间宜在15天以上并根据气候对地下水的影响调整抽水流量和有效降水时间。井深和井数以确保降水后的水位在隧道底板以下来确定，并需打水位观察孔观察水位，若未降到底板以下，则应补打降水井，若达此条件，则可以不采取其他加固措施；反之，则还需同时采取其他有效的加固措施。采用降水换刀方

9、式存在以下难点：换刀地点与预测地点可能不一致，造成事先施作的降水井不起作用；地下水位高时，降水效果不明显；掌子面仍有坍塌危险；需提前施工，要求占道，并有排水位置的限制，协调难度大。（2）地表注浆加固地表注入水泥浆在一定程度上可以加固地层，但占用地面施工，因此，一方面，受地表条件的限制。另一方面，当地层密实，注浆效果明显，多次实践证明，加固之后地表仍出现坍塌。（3）旋喷桩或人工挖孔桩加固地层旋喷桩或人工挖孔桩对地层加固效果显著，理论上能保证换刀时掌子面的稳定，但同地表注浆加固一样，需要占用地面。采用该种加固方式存在以下难点：换刀地点与预测地点可能不一致，造成事先施作的加固地段不起作用；人工挖孔桩

10、施工安全风险大；需提前施工，要求占道时间长、面积大，并有排水位置的限制，协调难度大；对环境有一定影响，增加了施工控制难度；成本高、工期长。（4）隧道内向工作面注ab液加固灌浆材料选用能起填充和加固砂卵石的化学浆液，分a液和b液。两种浆液在刀盘前方混合起反应，反应时间可以调节，从7秒到2分钟不等，根据具体情况而定。填充加固体的单轴抗压强度可以达到80mpa。完全可以承受上部围岩的压力。ab液为双组分，可以快速反应并硬化，其固化物强度高，与岩石具有良好的粘结性，且具有一定的弹性，可以保证良好的堵水效果。根据实际使用效果看，盾构前上方的土体得到较好的加固，土体较稳定，有效的抑制了地层坍塌。保证了换刀

11、人员的安全，同时提高了换刀的效率。使用该加固方式的特点：费用低；加固有效；效率高，能在几小时之内达到加固效果；加固不会对刀盘、刀具产生凝固；不占有地表，不受地表条件限制。表1 加固方式对比加固方式加固效果占用地面施工工期综合成本降水加固差，坍塌风险较大对地面交通迎影响小较短较低注浆加固一般，坍塌风险大对地面交通影响大长高旋喷桩或人工挖孔桩良好，坍塌风险小市区不具备施工条件较长，无法确定加固里程较高ab液加固良好，坍塌风险小不影响地面交通短低4 结语根据成都的特殊地质条件，结合成都地铁换刀经验，进行综合对比后，选择灌注ab液带压换刀方式，可以在不影响地面交通和不需对地表进行加固的情况下，有效的控制换刀过程中地