随着城市轨道交通快速发展, 盾构隧道面临的地质条件及施工环境越来越复杂, 不仅会遇到软弱土层、硬岩层、上软下硬复合地层等复杂地质, 还会穿越江河、建筑群桩、桥桩等特殊工况。盾构刀盘在硬岩地层中掘进极易受损, 在复合地层中除磨损外还常伴随泥饼现象, 导致盾构推力、扭矩等参数异常, 阻碍盾构掘进, 因此必须开舱进行换刀与除泥饼作业。常用的开舱方式有常压开舱和气压开舱2种, 前者适用于掌子面自稳性强、含水量低等条件, 后者适用于地质条件复杂、掌子面自稳性差、含水量高、渗透系数大等条件。

南京地铁3号线新庄站—鸡鸣寺站区间为双线隧道, 左线里程K18+203.000—K20+879.000约2 226环, 右线里程K18+208.000—K20+892.000约2 223环, 隧道外径6.2m (见图1) 。区间平面最小曲线半径R=350m, 纵断面设计为V形坡, 最大纵坡28.495‰, 隧道埋深为9.2~34.2m (中间风井处埋深最大) 。区间隧道设1座中间风井 (与2号联络通道合建) , 共4座联络通道。其中右线里程K19+290.000—K20+340.000下穿玄武湖, 水深1.3~1.7m, 湖底标高为8.330~9.000m;右线里程K19+370.000—K19+400.000穿越已建九华山公路隧道, 隧道底标高约0.000m, 抗拔桩长约20m, 桩底标高约-20.000m。

新庄站—鸡鸣寺站区间隧道过中间风井后, 盾构主要处于玄武湖底硬岩段地层掘进, 该区域隧道掌子面主要为T_2h^2j强风化角岩化泥岩、T_2h^3j中风化角岩化泥岩、δ₃^u中风化闪长岩地层, 呈红色砂土状, 自稳性差且遇水易软化;隧道顶部1.5m范围为 (3) ₁^4e混合土层, 以粉质黏土夹卵砾石为主, 含微承压水, 透水性强、稳定性差;隧道顶部1.5~2.5m范围为 (3) ₂^4bl粉质黏土层, 为软弱土层, 自稳性差、透水性强 (见图2) 。

岩、土层分布变化大, 强度软硬不均, 闪长岩和角岩化泥岩分布无规律, 岩石强度差异大, 部分强度>100MPa。岩层中饱含基岩裂隙水, 软弱土层中含微承压水, 地下水丰富。

区间隧道采用6 450土压平衡复合式盾构机掘进施工。盾构机自新庄站起掘进至中间风井后进行了一次停机维保, 更换了刀具, 共配备4把中心双刃滚刀、32把单刃滚刀、56把齿刀、8组铲刀和1把滚刀式超挖刀 (见图3) 。

1) 合理选择开舱位置 盾构机自中间风井始发后进入长距离硬岩段地层掘进, 并于961~988环穿越九华山隧道, 为避免换刀施工对九华山隧道运营造成干扰, 因此待穿越九华山隧道后进行开舱换刀作业。根据施工记录, 硬岩段盾构掘进速度达15mm/min, 盾构机掘进至1 030环时, 掘进速度降至3mm/min, 经判断刀具磨损严重 (见图4) , 不宜继续掘进, 故准备停机换刀。

2) 换刀风险分析 玄武湖水系庞大, 湖底所处地层为粉质黏土、粉质黏土夹卵砾石、强风化角岩化泥岩等, 自稳性差、透水性强。湖底开舱换刀期间, 易出现掌子面土体坍塌或气压泄漏等状况, 若导致湖水回灌, 则将带来严重后果。

3) 保压方案选择 若采用常规气压换刀^[1], 基本上无法保住气压;若采用膨润土泥膜护壁保压换刀^[2], 由于该地层中地下水丰富, 泥膜及掌子面土体易被水流冲刷、剥落, 导致掌子面失稳, 因此也不适用;若采用填舱法换刀^[3], 则耗时太久, 因此也不适用。综上所述, 为确保换刀作业安全可靠、风险可控, 经研究决定采用水泥砂浆护壁技术进行保压换刀施工。

水泥砂浆护壁保压换刀施工工艺流程:施工准备→注浆止水闭气→螺旋机闸门密封性改良→土体置换→土舱气密性试验→气压换刀。

1) 换刀气压设定 根据实际掘进情况拟定在1 037环停机, 由朗肯土压力理论可得该环静止土压力为0.238MPa, 而近期实际盾构掘进平衡土压力为0.25MPa, 且未出现欠挖、超挖等现象, 因此换刀气压暂定为0.25MPa, 并根据最终保压试验结果进行微调。

2) 技术准备 盾构掘进至1 031~1 036环时, 保持土舱内平衡土压力为0.25MPa;待掘进至1 037环停机时, 将土舱压力稳定在0.3MPa, 并将刀盘伸缩行程调整为12cm。

3) 材料设备准备 地面上配备2台75kW电动空压机和1台柴油空压机 (备用) 以供气。气体经空气过滤系统处理后, 通过气体输送管路接入SAMSON盾构保压系统。此外由盾构车架上的空压机另接1条备用输气管路接入SAMSON系统, 以防地面设备故障或管路损坏等原因造成舱内气压不足, 确保换刀施工安全 (见图5) 。另需配备注浆材料 (水泥、膨润土等) 、聚氨酯、换刀机具等。

封堵盾尾后方地下水, 以防其前窜至土舱内, 并减少气体泄漏通道, 在盾尾、中盾等区域内压注浆液或聚氨酯, 具体步骤如下。

1) 向盾尾后4~6环管片外部逐环压注双液浆以形成“环箍”, 切断盾尾后方地下水流窜通道。浆液配合比:水灰比=1.5 (质量比) , 水泥浆与水玻璃体积比3∶1, 浆液初凝25~45s, 水玻璃浓度35Be'。

2) 向盾尾后1~3环管片外部压注聚氨酯以形成“止水环”, 有效隔水。

3) 通过盾构壳体预留径向注浆孔, 向中盾外部压注膨润土浆液, 注浆终压控制为0.3MPa, 使盾壳与土体间空隙充满膨润土, 防止气体向盾尾后流窜, 同时可避免盾体被置换土体的水泥浆固结。

盾构机长距离掘进时, 螺旋机闸门极可能受到局部磨损破坏, 气体易从该处泄漏。因此可在闸门口处加装1套DN300球阀, 以增强其密封性。

采用水泥砂浆置换土舱内土体^[4], 在刀盘前端形成致密的水泥砂浆“护壁墙体”, 能有效阻隔地下水, 并防止气体泄漏, 具体步骤如下。

1) 在土舱压力墙的3, 9点钟位置 (钟表位) 连接注浆管路。

2) 分阶段向土舱内注浆, 置换土舱内渣土: (1) 第1阶段刀盘缩回8cm, 保持土舱压力0.3~0.35MPa进行置换注浆, 间隔转动刀盘 (转速为0.5r/min) , 坚持“等量替换、土压不变”的原则, 利用螺旋机出渣, 一旦螺旋机搅出浆液立即停止第1阶段注浆, 注浆量控制为20m³; (2) 第2阶段保持土舱压力0.36~0.42MPa进行置换注浆, 间隔转动刀盘 (转速为0.5r/min) , 适量出渣, 注浆量控制为12m³ (见表1) 。

1) 土体置换完毕后观察1h, 若无异常情况, 在不转动刀盘的情况下利用螺旋机出渣, 将土舱上部压力降至0.25~0.27MPa。

2) 关闭泡沫系统的液体球阀, 利用泡沫系统的供气管路向土舱内加气, 使土舱上部压力保持在0.25~0.27MPa。在不转动刀盘的情况下继续出渣, 将舱内渣位降至土舱门底部球阀以下, 使SAMSON保压系统能够正常向土舱内补气, 出渣量控制为10~12m³。

3) 设置SAMSON保压系统补气压力为0.25MPa, 观察3h, 记录过程中设备的运行、地层密闭性、土压力变化、保压系统工作情况。

4) 若无异常情况则继续出渣, 将土舱内渣位降至2, 10点钟位置 (钟表位) 附近, 出渣量控制为10m³, 继续观察1h。

5) 若无异常情况则安排操作人员压气进舱, 并根据舱内实际情况, 将舱内渣位降至3~9点钟位置, 出渣量控制为13~14m³。

6) 若以上步骤均无异常情况, 则进入保压换刀作业工序。

1) 严格执行“三人一组进舱、组长进舱带班、操舱人员及医生24h舱门值班”原则。舱外值班人员必须实时监控舱内作业人员身体状况、掌子面情况等, 若发现异常情况则立即关闭舱门减压出舱。

2) 舱内水位上涨时, 以保证舱内气压平衡为原则, 打开土舱面板上相应位置的球阀进行排水, 待气体泄漏时即刻关闭球阀。

3) 每组人员带压工作时间宜≤2h, 减压时间宜根据带压作业时长进行控制。

通过水泥砂浆护壁保压换刀技术在南京地铁3号线新庄站—鸡鸣寺站区间隧道穿越玄武湖案例中的成功应用, 共计换刀3次、换刀49把、换刀时长36d, 单次护壁11~15h (见表2) , 解决了在掌子面自稳性差、含水量丰富的复杂地层中难以安全换刀的难题。

1) 水泥砂浆护壁保压技术, 可在刀盘前端形成具有一定强度的水泥砂浆“护壁墙体”, 基本杜绝了常规泥膜护壁下的掌子面土体失稳、气压泄漏等不良现象, 加固效果显著。

2) 水泥砂浆护壁保压技术的总体可靠性要远优于膨润土泥膜护壁保压技术, 但弱于填舱法保压技术。在上软下硬富水复合地层中, 一般选择该技术实施换刀作业。

3) 今后可加强对水泥砂浆护壁墙体强度、抗渗性等指标的采集与梳理, 为信息化施工提供数据基础。