論述土壓平衡盾構(gòu)機(jī)帶壓開倉

張忠思

【摘要】隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，盾構(gòu)施工所遇到的地質(zhì)條件也愈發(fā)復(fù)雜，施工難度也愈來俞大。為此，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)的過程中，通常都會(huì)頻繁的遇到刀具磨損切需要更換的問題，為此，就需要不斷地進(jìn)行刀盤磨損或修補(bǔ)，處理掌子面前方的孤石或地面建筑物的樁基或刀盤泥餅等問題，這時(shí)就需要進(jìn)行盾構(gòu)開倉施工。盾構(gòu)施工技術(shù)以期安全快速和高效的特性在越來越多的城市基礎(chǔ)建設(shè)的底下工程中開始使用。當(dāng)使用盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行掘進(jìn)的時(shí)候，由于底層穩(wěn)定的需求，必須利用盾構(gòu)機(jī)構(gòu)及其配套設(shè)備來提供支持壓力，進(jìn)行穩(wěn)定的支撐。但是在施工中還需要經(jīng)常檢查和維修，因此帶壓開倉操作成了盾構(gòu)機(jī)使用中必不可少的工作。本文對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行帶壓進(jìn)倉作業(yè)進(jìn)行了要點(diǎn)的介紹與分析，對其中的關(guān)鍵點(diǎn)和參數(shù)做了詳細(xì)的解說與計(jì)算，為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)帶壓進(jìn)倉作業(yè)的工作安全與順利進(jìn)行做一定的參考。但鑒于水平有限，所以文章全當(dāng)拋磚引玉，如有闡述不足之處，還望同行能夠給予斧正，以更好的推進(jìn)我國土木工程的進(jìn)步及發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)機(jī)；開倉作業(yè)；盾構(gòu)

1帶壓開倉作業(yè)

1.1帶壓進(jìn)倉地點(diǎn)的選擇

根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘及詳勘資料，擬定在進(jìn)入基巖凸起段前后進(jìn)行刀具檢查和更換，具體位置根據(jù)掘進(jìn)的各項(xiàng)參數(shù)與實(shí)際出渣情況確定。開倉時(shí)選擇在透水性、富水性、滲透系數(shù)相對較小的地層進(jìn)行帶壓進(jìn)倉作業(yè)。同時(shí)應(yīng)避開建構(gòu)筑物、管線和水井等影響范圍。

1.2盾構(gòu)密封

1.2.1盾尾密封

1.2.1.1盾尾刷密封

本工程盾尾內(nèi)徑為6430mm，管片外徑為6200mm，盾尾密封由3道密封鋼刷，最大耐壓達(dá)到20ar。停機(jī)前對盾構(gòu)刷密封情況進(jìn)行檢查，確保密封嚴(yán)密。在加壓過程中注意觀察盾尾刷密封情況，是否存在漏氣。

1.2.1.2加強(qiáng)同步注漿

在掘進(jìn)到停機(jī)點(diǎn)前10環(huán)時(shí)對同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行檢查，重點(diǎn)檢查6根注漿管路是否正常運(yùn)行。如果出現(xiàn)了管路不通等情況，漿泵無力，沖程數(shù)與實(shí)際泵送放量差距較大等情況，進(jìn)行管路疏通和注漿泵的全面清洗，使整個(gè)注漿系統(tǒng)各個(gè)處于優(yōu)良的工作狀態(tài)。在掘進(jìn)到停機(jī)點(diǎn)前5環(huán)時(shí)對整個(gè)膨潤土系統(tǒng)進(jìn)行檢查，包括刀盤前方和盾體周圍兩個(gè)方向的膨潤土管路和膨潤土泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。整個(gè)系統(tǒng)的各部分檢查就緒后進(jìn)行試注漿。試注漿過程中主要是觀察各管路的壓力是否正常，如果壓力過大或者過小都必須對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，同步注漿壓力一般大于水土壓力lbar。

同步注漿漿液的配比根據(jù)現(xiàn)場情況確定，初凝時(shí)間控制在6h左右。盾構(gòu)機(jī)的開挖直徑為6.48m，管片外徑為6.2m，管片的寬度為1.2m，每環(huán)的理論注漿量為3.34m3，注漿量取環(huán)形間隙理論體積的1.3～1.8倍，即每環(huán)同步注漿量4.342m3～ 6.012m3，為了保證換刀的氣密性，每環(huán)的注漿量取6.1m3，同步注漿壓力控制大于水土壓力lbar左右。從停機(jī)點(diǎn)前3環(huán)開始，同步注漿應(yīng)連續(xù)不中斷，并且要盡量保證掘進(jìn)的連續(xù)性以保證注漿的連續(xù)與飽滿。

1.2.2鉸接密封

盾構(gòu)機(jī)鉸接有12組油缸組成，鉸接系統(tǒng)工作壓力高達(dá)6.Sbar，鉸接密封型式采用2道雙唇橡膠密封并具備緊急充氣功能。盾構(gòu)機(jī)鉸接采用集中自動(dòng)潤滑的方式進(jìn)行。建壓前對鉸接密封進(jìn)行檢查，在加壓過程中注意觀察盾尾刷密封情況，是否存在漏氣。

1.2.3管片二次注漿

在掘進(jìn)至開倉位置后對拖出盾尾的2～5環(huán)管片進(jìn)行二次注漿封堵，防止盾尾的來水通過盾殼與開挖面的間隙流至刀盤，注漿采用水泥、水玻璃雙液漿進(jìn)行封堵。盾尾二次注漿根據(jù)土倉壓力控制注漿壓力，以防漿液注入刀盤，刀盤應(yīng)慢轉(zhuǎn)。

1.2.4盾體徑向注漿

利用徑向注漿孔注入衡盾泥或克泥效，對盾體進(jìn)行包裹從而封堵盾體周圍土體來水。盾體徑向注漿封堵時(shí)根據(jù)土倉壓力控制注漿壓力，以防漿液注入刀盤，刀盤應(yīng)慢轉(zhuǎn)。

1.3保壓作業(yè)技術(shù)

1.3.1壓力設(shè)置

1.3.1.1根據(jù)地下水位和地質(zhì)條件，確定進(jìn)倉時(shí)倉室內(nèi)需要保持的氣壓。地層不穩(wěn)定時(shí)，根據(jù)水土合算重新計(jì)算壓力。

1.3.1.2掘進(jìn)工作模式下，開挖倉壓力P根據(jù)掌子面水土壓力確定，其上限值Pmax為靜止土壓力，其下限值Pmin為主動(dòng)土壓力。根據(jù)朗肯土壓力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)本工程地質(zhì)條件，盾構(gòu)區(qū)間土壓力采用水土分算。

計(jì)算切口上限值和下限值，實(shí)際取值介于理論計(jì)算值的上、下限之間，取兩者平均值。

1.3.1.3盾構(gòu)的以下系統(tǒng)必須處于待命狀態(tài)：氣閘系統(tǒng)，低壓空氣系統(tǒng)。

1.3.2土倉加壓及保壓試驗(yàn)

為了確保掌子面的穩(wěn)定，土倉加氣的過程中應(yīng)遵循壓力平衡的原則。加氣的過程是一個(gè)對土倉加壓的過程，而螺旋輸送機(jī)出土又是一個(gè)減壓的過程。邊往土倉中加氣邊緩慢出土，盡可能保持住土倉壓力在極小的范圍內(nèi)變化。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)出土量，將土倉內(nèi)的土體降到一定的高度。實(shí)現(xiàn)在土倉壓力恒定的情況下氣體與土體的置換。

當(dāng)土倉內(nèi)土體位置下降為截面隧道的四分之三時(shí)，停止出土。開啟壓氣自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，輸入計(jì)算好的氣壓設(shè)定值。進(jìn)行土倉內(nèi)保壓實(shí)驗(yàn)，不得少于2小時(shí)。在這個(gè)過程中，土倉內(nèi)壓力不可低于輸入的設(shè)定值。壓氣自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)工作正常，補(bǔ)氣的頻率越慢越少越好，注意觀察記錄。盾構(gòu)臺車上空壓機(jī)的工作壓力不應(yīng)低于5bar，滿足我們前期設(shè)定的壓氣管路值。一切正常四小時(shí)后，打開人閘室內(nèi)頂部土倉壁上的平衡閥，可排出壓縮空氣，無水，無泥，此時(shí)可判斷地層保壓成功。

保壓成功后，繼續(xù)按前述的方法進(jìn)行氣體與土體的置換。排出倉內(nèi)土體直至滿足我們更換刀具的位置，一般應(yīng)在截面隧道的三分之二處。

盾構(gòu)機(jī)在氣壓的作用下，盡可能的后退5-8公分。為壓氣作業(yè)更換刀具，提供有利環(huán)境，提高換刀時(shí)的工作效率。

1.4入倉

1.4.1入倉前準(zhǔn)備工作.在開始狀態(tài)下，只有土倉是加壓的。所有入艙準(zhǔn)備工作完成后，入艙過程方可開始。

1.4.2主艙加壓。主艙加壓P1>P2>PO。

1.4.3進(jìn)入作業(yè)艙。壓力補(bǔ)償完成后，進(jìn)入作業(yè)艙。Pl>PO。入艙開始通過主艙實(shí)現(xiàn)，而副艙不加壓。

1.4.4通過副艙后續(xù)入艙。通過副艙入艙的過程與主艙操作類似。唯一不同點(diǎn)在于所使用的閥和顯示設(shè)備：副艙通風(fēng)閥門、副艙放氣閥門、副艙排氣流量計(jì)、副艙壓力表副艙內(nèi)增壓：Pl >P2>PO，然后前艙內(nèi)壓力補(bǔ)償：Pl>PO。

如果另有一個(gè)人要進(jìn)入主艙，便要進(jìn)行后續(xù)入艙，后續(xù)入艙由副艙來實(shí)現(xiàn)。后續(xù)入艙的人員要凋整至主艙的壓力。每次后續(xù)入艙過程完成之后，副艙必須減壓，以允許再后續(xù)入艙過程。

1.4.5帶壓進(jìn)倉相關(guān)注意事項(xiàng)

1.4.5.1作業(yè)人員進(jìn)入主倉。關(guān)閉主倉倉門并確保它正確鎖好。操倉人員要通過對講機(jī)一直與坐在主倉中的人員聯(lián)系。

1.4.5.2主倉加壓之前，再一次檢查顯示儀表、供暖裝置、鐘表、溫度計(jì)、電話、緊急電話及閥門、倉門密封件是否干凈；再一次檢查作業(yè)所需工具設(shè)備材料是否齊備的放置在倉內(nèi)。

1.4.5.3關(guān)閉主倉倉門，確保關(guān)閉正確。

1.4.5.4緩慢地打開進(jìn)氣閥，緩慢地升高主倉的壓力，加壓速率控制在0.05MPa/lOmin～ O.lMPa/lOmin。在加壓過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)進(jìn)倉人員身體不適時(shí)，應(yīng)立即通知操倉員停止加壓，若身體仍然不適，則應(yīng)減壓出倉。達(dá)到預(yù)定的工作壓力，開啟出氣閥，建立主倉進(jìn)出氣平衡，氣壓穩(wěn)定在+O.lhar的偏差之內(nèi)：加壓過程中，打開主倉外的卸壓球閥以保證主倉內(nèi)一定的通風(fēng)量，流量計(jì)的流量值每人至少為：0.5m3/min。

1.4.5.5當(dāng)主倉的壓力等于達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，主倉內(nèi)人員緩慢打開主倉和土倉之間的連通球閥。在土倉和人倉之間進(jìn)行了壓力補(bǔ)償之后，壓力達(dá)到平衡，作業(yè)人員打開倉門，觀察倉內(nèi)情況，確認(rèn)地層穩(wěn)定、空氣質(zhì)量良好后再進(jìn)入土倉。

1.4.5.6進(jìn)入土倉。打開土倉門后，先站在門口觀察土倉內(nèi)液位及掌子面情況，確保掌子面無塌落及漏水情況，液位穩(wěn)定后，人員進(jìn)入土倉，開始相關(guān)作業(yè)。

1.4.5.8人員進(jìn)倉后嚴(yán)禁倉外作業(yè)人員轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤、出渣等危及倉內(nèi)作業(yè)人員安全的操作。

1.5出倉

出倉前對攜帶的各項(xiàng)T具進(jìn)行清點(diǎn)，反復(fù)核算確保所有工具全部帶出。

1.5.1在開始狀態(tài)下，Pl>PO

1.5.2主艙內(nèi)減壓P1>P2>PO

作業(yè)艙壓力波動(dòng)，例如：壓力損失P1PO

通過緊急艙門后，任何情況下人都是“安全”的。作業(yè)艙內(nèi)的壓力波動(dòng)將不再影響人艙內(nèi)的壓力情況。這樣的話，在作業(yè)艙發(fā)生壓力波動(dòng)時(shí)，人員可以安全出艙。

1.5.3出艙過程結(jié)束，Pl>PO

1.6恢復(fù)掘進(jìn)

當(dāng)?shù)毒吒鼡Q完畢后，土倉內(nèi)存有大量的空氣，泥漿（渣土）渣土的占有量土倉總?cè)莘e的二分之一。為了保證地層的穩(wěn)定，在恢復(fù)推進(jìn)初期采取輔助氣壓作業(yè)，循環(huán)泥漿不斷補(bǔ)充土倉或不斷掘進(jìn)開挖增加土倉內(nèi)泥漿（渣土），同時(shí)壓氣作業(yè)的自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)仍然在工作。首先確保土倉壓力保持在設(shè)定的數(shù)值上，倉壓會(huì)有一定的上升，這時(shí)打開人閘室頂部的平衡閥釋放一定量的壓縮空氣。注意要緩慢釋放，盡可能減少土倉壓力的波動(dòng)，在倉壓不變的情況下，關(guān)閉壓氣作業(yè)的自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，正式恢復(fù)推進(jìn)。

2盾構(gòu)保壓輔助措施洞內(nèi)加固保壓技術(shù)

在破碎巖層、松軟地層中或其他地質(zhì)條件較差的地段，換刀土體加固目前最常用的是通過地面進(jìn)行加固刀盤前后左右的地層，達(dá)到加固目的后方可開倉換刀。當(dāng)?shù)孛鏇]有加固空間，為了完成刀具的更換，對掌子面前方土體進(jìn)行WSS注漿，加固掌子面前方土體，便于土倉內(nèi)氣壓的建立，保證氣壓換刀的順利進(jìn)行。包括如下步驟：

2.1隧道內(nèi)注漿平臺的搭設(shè)

注漿加固之前，先采用鋼管腳手架在盾構(gòu)機(jī)中盾徑向孔下方搭設(shè)一注漿平臺，平臺從盾構(gòu)隧道底往上高度約4.3m，寬度約3米，平臺上方鋪設(shè)走道板，走道板與鋼管腳手架采用鐵絲進(jìn)行固定。

2.2鉆機(jī)的就位

注漿平臺搭設(shè)完成后，由注漿班組長檢查無誤后，采用倒鏈將注漿機(jī)吊到注漿平臺上。凋整鉆機(jī)鉆進(jìn)的方向，做好鉆孔之前的準(zhǔn)備工作。

2.3鉆孔及注漿

鉆孔通過盾構(gòu)機(jī)中盾上的徑向孔，此徑向孔設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)中盾，沿環(huán)向共設(shè)囂了8個(gè)，并與盾構(gòu)機(jī)成11.8度的斜交角度，洞內(nèi)注漿時(shí)一般只采用中盾上半部分的4個(gè)，這4個(gè)分別分部在3點(diǎn)位、1點(diǎn)位、11點(diǎn)位和9點(diǎn)位。

鉆孑L時(shí)，將徑向孔上封堵的法蘭盤拆掉，先沿徑向孔向盾體外鉆孔2米，然后停止鉆孔，開始注入磷酸進(jìn)行封孑L，以免后鉆孔及注漿時(shí)，盾體外的泥水和漿液流入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)。磷酸封孔以后，緊接著進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆孔深度長度總長約在8米，刀盤前方約2米，之后停止鉆進(jìn)，開始注漿。WSS注漿采用化學(xué)漿液，后退式注漿，注漿以控制注漿壓力為主，一般注漿為0.2～ 0.3MPa，達(dá)到0.3MPa后，進(jìn)行后退，進(jìn)行下段的注漿，直至注完為止。

2.4注漿期間地面監(jiān)測與盾構(gòu)機(jī)土倉壓力的控制

注漿之前，要求測量班組在盾構(gòu)機(jī)上方及前后10米范圍內(nèi)布設(shè)好地表及建構(gòu)筑物的測點(diǎn)，并取得初始值。注漿期間，每2小時(shí)監(jiān)測一次，并將結(jié)果及時(shí)通報(bào)給主要管理人員及注漿人員。盾構(gòu)機(jī)操作室內(nèi)要求土建工程師進(jìn)行值班，觀察土倉壓力的變化，并每隔1小時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一次刀盤。一般土倉壓力達(dá)到1.5bar后停止注漿，待壓力降至設(shè)定值后在進(jìn)行注漿，直至加固完成。

3人員健康風(fēng)險(xiǎn)管理

3.1有害氣體的檢測及濃度值控制

通過有害氣體檢測儀對倉內(nèi)氣體進(jìn)行檢測，氣體檢測合格后方可進(jìn)行施工，并按照要求做好記錄。

3 .1.1檢測位置：開倉前在開挖倉壁的隔板開孔處檢測，開倉后在倉內(nèi)檢測。

3.1.2檢測頻率：開倉作業(yè)過程中，正常情況下宜th～2h檢測一次，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)加密檢測頻率。

3.1.3進(jìn)入開挖倉前應(yīng)由機(jī)長進(jìn)行開挖倉內(nèi)氣體檢測，合格后方可批準(zhǔn)進(jìn)倉作業(yè)。進(jìn)倉作業(yè)觀察人員在倉內(nèi)作業(yè)過程中應(yīng)采用儀器實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測，并告知機(jī)長，應(yīng)由機(jī)長負(fù)責(zé)監(jiān)督落實(shí)并記錄完整。

減壓過程中，人員要吸醫(yī)用氧氣減壓，要持續(xù)監(jiān)測人閘內(nèi)氣體，控制好氧氣濃度和有害氣體在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

開倉作業(yè)時(shí)，應(yīng)對開挖倉內(nèi)持續(xù)通風(fēng)。

3.2換刀及孤石處理過程中的應(yīng)急措施

3.2.1如果發(fā)現(xiàn)土體有塌方現(xiàn)象，人員必須立即返回人閘關(guān)閉閘門。進(jìn)行半個(gè)小時(shí)的觀察后根據(jù)情況做出下一步安排。

3.2.2如果開挖倉內(nèi)著火，用噴淋系統(tǒng)滅火。如果火勢太大人員返回人閘關(guān)閉閘門，向開挖倉內(nèi)注入漿液滅火。

3.2.3如倉內(nèi)氣壓出現(xiàn)不穩(wěn)或泄漏量超過預(yù)警值，人員立即退回人閘。等待觀察結(jié)果進(jìn)行下一步安排。

3.2.4如有人出現(xiàn)不適癥狀，倉內(nèi)人員立即通知操閘人員。不適人員通過前倉減壓出倉。

4結(jié)語

綜上所述，盾構(gòu)機(jī)帶壓開倉作業(yè)施工方法，特別是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)開倉作業(yè)施工方法，對要點(diǎn)和重點(diǎn)做了詳細(xì)的分析，為盾構(gòu)設(shè)備良好的工作提供參考。

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