過江通道大直徑盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉查/換刀技術(shù)

盧春林

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司杭州公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

隨著我國城市的發(fā)展，過江跨海隧道工程成為完善發(fā)達(dá)城市交通網(wǎng)絡(luò)不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大直徑復(fù)合地層泥水平衡盾構(gòu)已有較多成功的工程實(shí)例。大直徑氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在不同地質(zhì)條件長距離掘進(jìn)中，都會(huì)對盾構(gòu)機(jī)刀具產(chǎn)生不同程度的磨損，尤其在砂卵石為主的地層、石英含量超高巖層及上軟下硬地層，盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具更易磨損。為保證盾構(gòu)機(jī)刀盤使用安全，需經(jīng)常帶壓進(jìn)倉進(jìn)行刀具檢查，對邊滾刀、中心滾刀按不同磨耗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更換。帶壓進(jìn)倉是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)極大又必不可少的施工工序，是解決盾構(gòu)機(jī)倉內(nèi)故障和更換刀具的唯一途徑。通過對過江通道盾構(gòu)施工中帶壓進(jìn)倉查/換刀作業(yè)的成功實(shí)施，總結(jié)卵礫石地層中帶壓進(jìn)倉查/換刀施工工藝和方法。

1 工程概述

1.1 工程概況

某過江通道工程隧道設(shè)計(jì)為雙層雙向八車道，隧道在江中采用左右線分離兩管盾構(gòu)，盾構(gòu)施工采用直徑為14.93 m泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，刀盤開挖直徑為15.01 m。其中N線盾構(gòu)隧道總長3557 m，穿越2600 m寬長江。盾構(gòu)長距離穿越石英含量高達(dá)55%的砂卵石層及上軟下硬的復(fù)合地層。最高水壓達(dá)0.62 MPa，隧道最深處為江底62 m，局部覆土僅0.6D(其中D為盾構(gòu)直徑)。

1.2 盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉目的

盾構(gòu)在穿越長江大堤后進(jìn)入江中段，全斷面礫砂(卵石)掘進(jìn)232 m后進(jìn)入475 m長上軟下硬地層后，進(jìn)入江中潛洲段。泥水盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉風(fēng)險(xiǎn)與地層水壓和地層物理性質(zhì)密切相關(guān)，江中段水壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于江岸段，并且江中深槽覆土僅0.6D且水壓超高。盾構(gòu)于穿堤前進(jìn)行帶壓查/換刀。

盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)采用刮刀刀刃高度高于滾刀刀刃高度的措施來防止?jié)L刀在進(jìn)入上軟下硬地層之前發(fā)生偏磨，滾刀為上軟下硬地層掘進(jìn)的主要保障。因而為了驗(yàn)證措施是否有效，需在進(jìn)入上軟下硬地層之前帶壓進(jìn)倉檢查滾刀是否發(fā)生偏磨，如發(fā)生偏磨，需在進(jìn)入上軟下硬地層之前帶壓進(jìn)倉對滾刀提前進(jìn)行更換，以減少江中帶壓換刀次數(shù)。

1.3 盾構(gòu)停機(jī)位置水文地質(zhì)條件

盾構(gòu)停機(jī)位置地層主要為松散巖類承壓水，分布于基巖上部松散層中，在漫灘區(qū)上覆淤泥質(zhì)土及粘性土，在長江河道區(qū)直接與江水相通。含水介質(zhì)主要為粉細(xì)砂、底部為卵礫石層，厚度40～60 m。卵礫石以石英巖為主，次圓狀，分選性差，粒徑一般1～10 cm，少量大于10 cm。

盾構(gòu)在停機(jī)查換刀位置穿越④3、⑤2和⑥1層，上覆土層主要為②1、②2、②3、④1層，盾構(gòu)穿越段的地層特性、地層力學(xué)參數(shù)如表1所示。停機(jī)斷面為粉砂、礫砂與卵石層，其中礫砂層占整個(gè)斷面70%，開挖面不能在常壓下自穩(wěn)，其富含水。

表1 主要地層特性表

1.4 帶壓進(jìn)倉方式選擇

帶壓進(jìn)倉根據(jù)壓縮空氣的成分分為常規(guī)壓縮空氣進(jìn)倉和氦氧飽合氣體進(jìn)倉作業(yè)。根據(jù)進(jìn)倉的目的分為進(jìn)倉檢查、進(jìn)倉更換刀具、進(jìn)倉維修。當(dāng)進(jìn)倉壓力＞0.65 MPa時(shí)，由于常規(guī)壓縮空氣中的氮?dú)鈱θ梭w的麻醉作用，而不能使用常規(guī)壓縮空氣進(jìn)倉，需采用氦氧飽和氣體進(jìn)倉。當(dāng)進(jìn)倉壓力＞0.5 MPa時(shí)，在常規(guī)壓縮空氣下，進(jìn)倉工作時(shí)間不能＞0.5 h，其有效工作時(shí)間與加壓和減壓時(shí)間之比較小，一般采用氦氧飽合氣體進(jìn)倉更換刀具和進(jìn)倉維修。

根據(jù)盾構(gòu)停機(jī)位置地質(zhì)水文條件，設(shè)定本次帶壓進(jìn)倉的壓力為0.55 MPa，本次帶壓進(jìn)倉主要目的是為了進(jìn)倉檢查滾刀的磨損情況并更換少量磨損刀具，因而選定常規(guī)壓縮空氣進(jìn)倉。

2 帶壓進(jìn)倉查/換刀施工技術(shù)

2.1 帶壓進(jìn)倉準(zhǔn)備

2.1.1 加大同步注漿量

盾構(gòu)確定帶壓進(jìn)倉位置后，對停機(jī)前5環(huán)加大同步注漿量，以達(dá)到加強(qiáng)封堵盾尾后部、管片背后地層的目的。適當(dāng)調(diào)整砂漿配合比，將同步注漿砂漿初凝時(shí)間縮短，及早穩(wěn)定地層。

2.1.2 掌子面地層及泥漿循環(huán)管路氣密性實(shí)驗(yàn)

帶壓開倉前，要通過實(shí)驗(yàn)確定相關(guān)管路及掌子面氣密性是否滿足開倉要求，如不滿足迅速排查整改，直至驗(yàn)收合格。

2.2 泥漿輸送與泥膜建立

在卵礫石地層中帶壓進(jìn)倉，地層滲透性強(qiáng)且可能存在裂隙發(fā)育，盾構(gòu)帶壓開倉作業(yè)時(shí)，需建立長滲透帶泥膜，使掌子面能夠在加壓條件下長時(shí)間穩(wěn)定自立。盾構(gòu)泥水倉內(nèi)需用高密度、高粘度膨潤土泥漿置換泥漿管路泥漿，充滿盾構(gòu)泥水倉并通過2次加壓建立自穩(wěn)性好的高質(zhì)量泥膜。

2.2.1 優(yōu)質(zhì)泥漿制備

泥水站制漿系統(tǒng)剪切泵按水灰比3.5制備膨潤土漿液，通過泥水站管路改造，將儲(chǔ)漿池與盾構(gòu)P1.1泵前管路相連，進(jìn)行泥水管路系統(tǒng)泥漿置換。泥水管路改造如圖1所示。直至循環(huán)泥漿排漿口泥漿指標(biāo)達(dá)到密度1.10 ～1.15 g/cm3、粘度45 s(馬式漏斗)以上為止。并將排漿管路通至儲(chǔ)漿池，達(dá)到泥水倉液位升降過程中泥漿循環(huán)利用。

圖1 泥漿管路改造示意圖

2.2.2 長滲透帶泥膜建立

建立長滲透帶泥膜，有利于帶壓查/換刀掌子面穩(wěn)定和施工安全，通過對原有泥漿第一次滲透，置換新漿第二次滲透和兩次新漿滲透形成泥膜的室內(nèi)試驗(yàn)對比，原泥漿第一次滲透，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤置換新漿后第二次加壓滲透形成更長滲透帶，泥膜穩(wěn)定性更好。盾構(gòu)泥水倉泥漿置換前，進(jìn)行加壓第一次原漿滲透，置換泥漿后進(jìn)行第二次加壓滲透，形成穩(wěn)定泥膜。

2.3 壓力設(shè)置及升降液位

2.3.1 泥水壓力設(shè)置

泥水壓力設(shè)置采用靜止土壓力作為控制上限，主動(dòng)土壓力為控制下限，由于計(jì)算式地質(zhì)參數(shù)取值誤差較大，需根據(jù)盾構(gòu)機(jī)載停機(jī)前掘進(jìn)過程中壓力設(shè)定情況和停機(jī)過程中穩(wěn)定開挖面的泥水壓力參考調(diào)整。調(diào)整后壓力參數(shù)進(jìn)行保壓實(shí)驗(yàn)，觀察在此壓力下泥水倉液位30 min有無明顯變化，沒有變化則說明參數(shù)設(shè)置滿足進(jìn)倉要求。

2.3.2 液位升降

降液位減少倉內(nèi)泥水為帶壓進(jìn)倉檢查刀具提供作業(yè)空間。降液位前打開泥水倉與氣墊倉之間的平衡閥向泥水倉內(nèi)送氣，并同時(shí)開啟進(jìn)、排泥泵。送泥流量控制在10 m3/min左右，送、排泥流量差控制在2 m3/min，使得泥水倉最終都緩慢下降。泥漿循環(huán)約40 min后，關(guān)閉進(jìn)、排泥泵觀察氣墊倉液位，氣墊倉液位5 min變化小于5 cm后，開始重新打開進(jìn)、排泥泵(同樣大流量)，直至氣墊倉液在3.5 m處。

2.3.3 觀察施工環(huán)境

轉(zhuǎn)換為氣墊模式后，要加強(qiáng)與地表觀察人員的聯(lián)系，地表漏氣和冒漿等情況不能有大的變化，地表監(jiān)測正常;液位降至預(yù)定位置后，繼續(xù)觀察壓力與液位，工業(yè)空壓機(jī)供氣要比較穩(wěn)定，壓力未急劇下降或出現(xiàn)大的波動(dòng)，同時(shí)倉內(nèi)泥水液位上漲較緩慢或穩(wěn)定。待液位降至設(shè)定值2 h后，且地表觀察正常，液位波動(dòng)、空壓機(jī)供氣正常后準(zhǔn)備帶壓進(jìn)倉作業(yè)。

2.4 帶壓查/換刀

2.4.1 加壓過程

人員進(jìn)入壓力倉前，應(yīng)先進(jìn)行氣密性實(shí)驗(yàn)，將醫(yī)用氧氣、耐高壓頭燈、照相機(jī)等材料、機(jī)具放入倉內(nèi)，關(guān)閉倉門升壓至氣壓倉壓力值，保持不小于10 min，觀察人倉是否有氣體泄露，再降至常壓，帶壓作業(yè)人員進(jìn)入人倉檢查所有機(jī)具是否仍可正常使用，確認(rèn)機(jī)具正常、人倉密封性良好后關(guān)閉倉門，開始人倉加壓。

專業(yè)操倉人員慢慢開啟門閥，保持恒定升壓速度，0 ～0.2 MPa升壓時(shí)間為 0.5 h，0.2 ～0.64 MPa升壓時(shí)間為1 h。

2.4.2 進(jìn)倉作業(yè)

加壓操作完成后人員開倉進(jìn)入作業(yè)面，打開人倉外卸壓球閥，保證人倉內(nèi)通風(fēng)，改善倉內(nèi)空氣質(zhì)量。進(jìn)倉作業(yè)時(shí)，刀盤必須處于鎖定狀態(tài)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測人員倉內(nèi)氣壓情況和氣墊倉內(nèi)液位變化。

泥水盾構(gòu)是依靠形成的泥膜保持掌子面的穩(wěn)定，操作人員進(jìn)入倉內(nèi)觀察時(shí)，注意不要輕易破壞掌子面形成的泥膜層(圖2)，如果泥膜層受到損壞，則會(huì)打破泥水倉與氣壓倉的壓力平衡，造成氣體從破壞的泥膜中逃逸，使掌子面垮塌，導(dǎo)致人員及設(shè)備的傷害。

圖2 開倉查刀泥膜圖片

2.4.3 刀盤清理及檢查

作業(yè)人員進(jìn)倉后對上部刀盤切口環(huán)進(jìn)行清理，檢查土體穩(wěn)定情況，并對刀盤開口處渣土進(jìn)行清理，最后清理刀孔和刀具。對刀盤邊滾刀、滾刀及切削刀進(jìn)行檢查(圖3)，檢測磨損情況并建立刀具檔案。出倉后根據(jù)刀具檔案決定刀具的更換。并通過日后開倉持續(xù)觀察刀具磨損情況總結(jié)規(guī)律，對日后刀具磨損更換具有指導(dǎo)作用。

圖3 滾刀磨損檢查

2.4.4 減壓出倉

一次進(jìn)倉刀具檢查完成后，關(guān)閉倉門前對刀盤前端進(jìn)行全面檢查，避免工具、雜物遺留在內(nèi)。潛水員進(jìn)入人閘，進(jìn)行減壓，減壓作業(yè)由專業(yè)醫(yī)生操倉。專業(yè)操倉醫(yī)生要嚴(yán)格按照國家潛水規(guī)范制訂相應(yīng)的減壓方案，每組進(jìn)倉人員進(jìn)倉作業(yè)達(dá)到規(guī)定時(shí)間后，必須及時(shí)進(jìn)入減壓倉，進(jìn)行減壓及出倉。

2.4.5 轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，重新建立泥膜進(jìn)行重復(fù)查刀作業(yè)

要轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤來檢查具體輻條上的刀具時(shí)，輻條轉(zhuǎn)動(dòng)至正上方，滿倉保壓至少2 h，且1 h泥水倉液位變化＜15 cm，重新建立泥水平衡形成泥膜，方可再次進(jìn)行降液位、帶壓進(jìn)倉檢查等工作。

3 加液位恢復(fù)掘進(jìn)

盾構(gòu)帶壓查/換刀作業(yè)結(jié)束后，立即升液位恢復(fù)掘進(jìn)。

平衡閥打開，開啟送、排泥泵，此時(shí)送、排泥泵流量為液位降低時(shí)的相反值。送、排泥流量泵打開后，關(guān)閉平衡閥，同時(shí)慢慢打開泥水倉的排氣閥，根據(jù)液位上升的快慢來選擇排氣閥開度，直到排氣閥里有泥水流出，關(guān)閉排氣閥，恢復(fù)至掘進(jìn)模式。

4 工程應(yīng)用實(shí)際情況

某過江通道在長江大堤卵礫石地層下進(jìn)行的常規(guī)壓縮空氣查/換刀作業(yè)，有效的檢查了刀盤刀具磨損情況，并成功帶壓更換3把磨損較為嚴(yán)重的邊滾刀。常規(guī)壓縮空氣帶壓進(jìn)倉在本次查刀與少量換刀的作業(yè)中的成功實(shí)施，為今后盾構(gòu)掘進(jìn)上軟下硬偏磨刀具地層和全斷面風(fēng)化巖地層刀具檢查和更換積累了經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)也為帶壓查/換刀時(shí)刀盤前端建立穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)泥膜積累了經(jīng)驗(yàn)，完善了泥漿制備、泥水倉內(nèi)泥漿置換及加壓成膜的質(zhì)量控制。

5 結(jié)語

當(dāng)更換刀具較少，進(jìn)倉壓力在0.5～0.6 MPa條件下，常規(guī)壓縮空氣帶壓查/換刀滿足盾構(gòu)刀盤刀具檢查和少量刀具更換的要求。在此總結(jié)復(fù)合地層常規(guī)壓縮空氣帶壓查/換刀施工技術(shù)，可供類似大型泥水盾構(gòu)帶壓查/換刀作業(yè)借鑒。

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