地鐵盾構(gòu)區(qū)間帶壓進(jìn)倉換刀安全控制技術(shù)

曾思源

（中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各省各市都在積極籌建地鐵。但是，地鐵的建設(shè)與自身的實(shí)際地貌息息相關(guān)，在地鐵修建過程中會(huì)碰到各種各樣復(fù)雜的地貌，地質(zhì)條件的復(fù)雜性提升了地鐵的修建難度。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件，刀具更換情況時(shí)有發(fā)生。針對(duì)地貌復(fù)雜多樣的因素，常常會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)周邊土體加固常壓進(jìn)倉換刀工作受到影響。隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)倉換刀技術(shù)對(duì)于地質(zhì)條件的要求越來越少，對(duì)于周邊環(huán)境的影響也很小，在一定程度上能夠保障地鐵建設(shè)的質(zhì)量。本文針對(duì)地鐵盾構(gòu)區(qū)間帶壓進(jìn)倉換刀技術(shù)，研究安全控制技術(shù)具有重要價(jià)值。

1 工程概況

廣州地鐵22 號(hào)線祈福站—廣州南站區(qū)間位于廣州市番禺區(qū)境內(nèi)。區(qū)間線路呈東西走向布置，兩區(qū)間4 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)均在中間風(fēng)井始發(fā)，中間風(fēng)井位于興業(yè)大道與G105 國道交叉路口以西位置，采用明挖法施工。盾構(gòu)機(jī)使用中國鐵建重工集團(tuán)生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，開挖直徑8850 mm，隧道外徑8500 mm，內(nèi)徑7700 m，管片楔形量為46 mm，拼裝方式為錯(cuò)縫拼裝。襯砌設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級(jí)為P12。

2 地鐵盾構(gòu)區(qū)間帶壓進(jìn)倉換刀安全控制的意義

盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)情況復(fù)雜，區(qū)間既存在多處孤石、孤石群，下穿河涌、建筑群、又存在長距離下伏基巖，且局部存在全斷面硬巖。受此地質(zhì)情況限制，多處需要換刀，盾構(gòu)主要穿越礫質(zhì)黏性土、全分化花崗巖層。由于對(duì)刀盤、刀具的磨損程度未知，局部地段無法在常壓條件下對(duì)盾構(gòu)刀具進(jìn)行檢查、更換，需要通過帶壓方式進(jìn)倉作業(yè)。

3 盾構(gòu)機(jī)帶壓安全進(jìn)倉工程條件及技術(shù)準(zhǔn)備

根據(jù)土壓盾構(gòu)掘進(jìn)速度降低、刀盤扭矩增大、推力增大等掘進(jìn)參數(shù)變化情況，來判斷刀具是否磨損，刀盤是否結(jié)泥餅，掌子面是否有障礙物等情況。經(jīng)研究分析后確定是否需要帶壓進(jìn)倉檢查或更換刀具。帶壓進(jìn)倉地點(diǎn)應(yīng)選擇附近自穩(wěn)性較好地層，確定帶壓進(jìn)倉里程點(diǎn)，經(jīng)泥漿置換、保壓試驗(yàn)后滿足作業(yè)需求條件。

能夠有效根據(jù)刀盤刀具的實(shí)際檢查情況，調(diào)整刀具更換計(jì)劃。在帶壓作業(yè)前，制定詳細(xì)可靠的技術(shù)方案、技術(shù)交底、安全交底。需要嚴(yán)格要求工作人員及時(shí)填寫各項(xiàng)記錄表。對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)和數(shù)據(jù)做好收集準(zhǔn)備工作。依據(jù)盾構(gòu)停機(jī)位置地質(zhì)狀況及邊界條件，完成地質(zhì)加固及涉及的建構(gòu)（筑）物的防護(hù)工作。

4 盾構(gòu)機(jī)安全開倉原則

目前盾構(gòu)機(jī)開倉換刀以人工進(jìn)入土倉內(nèi)手動(dòng)操作換刀為主，因此需要能夠切實(shí)保障人身安全。這就要求地層穩(wěn)定，不產(chǎn)生坍方、涌水及有毒氣體存在。

（1）有計(jì)劃開倉的原則。根據(jù)具體工程的工程地質(zhì)條件、工程環(huán)境條件，合理制定開倉計(jì)劃。計(jì)劃包括進(jìn)行開倉的里程、地層處理方案等。

（2）開倉條件的安全可靠性原則。盡量選擇工程地質(zhì)適合的位置進(jìn)行開倉作業(yè)。在工程地質(zhì)條件不具備開倉條件的情況下，必須選擇合適的地面環(huán)境對(duì)地層進(jìn)行加固處理，確保開倉作業(yè)安全。

（3）對(duì)地面環(huán)境影響范圍小的原則。充分考慮開倉引起地面沉降變形、建（構(gòu)）筑物變形等情況，盡量減小影響范圍及程度。

（4）開倉作業(yè)快進(jìn)快出原則。制定詳細(xì)的開倉作業(yè)程序，做好開倉施工的準(zhǔn)備工作。遵循“快進(jìn)快出”原則，確保開倉施工的連續(xù)、快速。

（5）超前預(yù)想，盡量避免被動(dòng)開倉，例如，結(jié)泥餅、刀具磨損嚴(yán)重等情況的開倉。

5 盾構(gòu)機(jī)預(yù)設(shè)安全換刀點(diǎn)

為保證盾構(gòu)機(jī)在通過特殊地層帶壓作業(yè)的順利進(jìn)行及檢查刀盤的需要，本工程計(jì)劃在地面無建構(gòu)（筑）物及盡量避開地下管線的條件下，進(jìn)行帶壓進(jìn)倉檢查刀盤及換刀工作，并對(duì)預(yù)設(shè)換刀點(diǎn)加密補(bǔ)勘，確定盾構(gòu)機(jī)掌子面地層的實(shí)際情況。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中如發(fā)生刀具必須更換且必須在加壓條件下作業(yè)時(shí)，按照氣壓換刀方案作業(yè)。

6 盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵作業(yè)技術(shù)要求

6.1 盾構(gòu)停機(jī)

（1）盾構(gòu)司機(jī)根據(jù)指令單的停機(jī)里程將盾構(gòu)機(jī)停在相應(yīng)位置，與計(jì)劃停機(jī)里程相比較，偏差不超過±0.5 m。

（2）盾構(gòu)機(jī)將要抵達(dá)計(jì)劃換刀位置前的掘進(jìn)時(shí)，采用慢速推進(jìn)的方式掘進(jìn)，以減小盾構(gòu)機(jī)對(duì)隧道工作面土體的擾動(dòng)。

6.2 盾尾和盾殼封堵止水

盾構(gòu)到達(dá)預(yù)定的帶壓進(jìn)倉換刀點(diǎn)停機(jī)后，先采用高黏度膨潤土泥漿通過同步注漿泵和管路向盾尾后方壓注。將同步注漿管路和盾尾后方的同步砂漿置換，并向地層中滲透。然后通過中盾預(yù)留的徑向注漿孔向盾殼外部壓注高黏度膨潤土泥漿或衡盾泥、克泥效等特殊材料，使泥漿包裹整個(gè)盾殼形成止水環(huán)，避免長時(shí)間停機(jī)砂漿凝固后將盾殼抱死。

6.3 帶壓開倉作業(yè)壓力的設(shè)定原則

一般來說，在不漏氣的前提下，壓力越高掌子面越穩(wěn)定，但實(shí)際地層的密封性不是很完美。如果設(shè)定值超過了掌子面的承受壓力，就有可能造成密封層破裂、地面冒泡等不利現(xiàn)象；壓力低一點(diǎn)，對(duì)進(jìn)艙人員的健康和作業(yè)效率有利，但太低又會(huì)導(dǎo)致掌子面的不穩(wěn)定和地面塌陷。根據(jù)《盾構(gòu)法開倉及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》（CJJ 217—2014）中開倉換刀作業(yè)準(zhǔn)備工作要求，氣壓作業(yè)工作壓力：能保證掌子面穩(wěn)定的開挖倉氣壓。氣壓作業(yè)的初始工作壓力制定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該結(jié)合地層條件和掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

式中 P——土艙氣壓設(shè)定值，kPa

Pw——計(jì)算至隧道開挖中心的水頭壓力，kPa

Pr——考慮不同地質(zhì)條件、地面環(huán)境及開挖面位置的壓力調(diào)整值，kPa

k0——靜止土壓力系數(shù)，0.5～0.7

γs——土體容重，kN/m3

γw——水的容重，kN/m3

hs——覆土層高度，m

hw——水位高度，m

10～20——調(diào)整值（工作氣壓值比計(jì)算氣壓值略高0.01～0.02 MPa），kPa

舉例計(jì)算：假設(shè)換刀點(diǎn)位置的覆土厚度為12 m，土的容重按2.0×103kN/m3計(jì)算，靜止土壓力系數(shù)取0.5，不考慮水頭壓力，則P=k0·γs·hs+（10～20）=0.5×2.0×103×12+20=0.14 MPa。

6.4 建立泥膜

為防止帶壓進(jìn)倉期間掌子面漏氣，需要提前對(duì)土倉進(jìn)行泥漿置換，建立泥膜。一般情況下，可采用膨潤土泥漿或衡盾泥、克泥效等高黏度泥漿和土倉內(nèi)渣土置換后建立泥膜。泥漿在地面制作完成后使用地面到井下的專用泥漿管道進(jìn)行輸送，輸送至注漿系統(tǒng)。使用注漿泵輸送泥漿至刀盤前方，泥漿輸送完畢后，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，讓高質(zhì)量泥漿和開挖倉里的泥漿融合，完全融合后在刀盤上方的注漿口取出少量泥漿，進(jìn)行試驗(yàn)。若達(dá)不到保壓要求的泥漿，需繼續(xù)注入高質(zhì)量泥漿，再取樣進(jìn)行試驗(yàn)，直到達(dá)到開倉要求的泥漿標(biāo)準(zhǔn)，確定泥漿指標(biāo)達(dá)到要求后進(jìn)行保壓工作。保壓至3～5 h 后，進(jìn)行開倉作業(yè)。

6.5 掌子面有害氣體檢測(cè)

由于掌子面可能會(huì)涌出某些有害氣體，包括一氧化碳、一氧化氮、甲烷等，有害氣體達(dá)到一定濃度后，將危及到帶壓進(jìn)倉作業(yè)人員的生命和健康。因此，在帶壓進(jìn)倉前應(yīng)對(duì)土倉內(nèi)的氣體進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況，必須立即撤離換刀人員。

6.6 人倉的加壓與減壓

在作業(yè)前應(yīng)制定完善的加壓減壓方案及詳盡的應(yīng)急措施。人倉的加壓與減壓必須由受專業(yè)培訓(xùn)的氣閘管理員操作。

6.7 進(jìn)倉作業(yè)

6.7.1 首倉

首倉人員進(jìn)倉前，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)保障刀盤倉頂部氣壓符合技術(shù)交底的參數(shù)設(shè)定要求。待刀盤頂部壓力穩(wěn)定后，經(jīng)土木值班工程師確認(rèn)安全后，通知操艙人員對(duì)進(jìn)倉人員進(jìn)行加壓。進(jìn)倉人員進(jìn)入刀盤倉后，首先觀察掌子面情況、刀盤倉是否有滲水處，并將檢查情況反饋給土木值班工程師。土木值班工程師確認(rèn)安全后，首倉人員方可開始檢查刀盤、更換刀具、沖洗泥餅等相關(guān)作業(yè)。如掌子面穩(wěn)定性較差、滲水較多，在值班領(lǐng)導(dǎo)發(fā)出出倉的命令后，首倉人員必須立即撤離刀盤倉，關(guān)好倉門、返回人艙，作好出倉準(zhǔn)備。

6.7.2 刀盤沖洗

刀盤在粉質(zhì)黏土、黏土等地層里長期掘進(jìn)會(huì)對(duì)其自身形成泥餅，確定需要帶壓進(jìn)倉對(duì)刀盤進(jìn)行沖洗的情況下，進(jìn)倉輔助人員需將高壓清洗機(jī)安裝在拼裝機(jī)下方并接好水源。高壓清洗機(jī)出水口與盾構(gòu)中前盾隔板的水氣通道必須使用高壓水管連接。

刀盤沖洗應(yīng)以撬棍、洛陽鏟等堅(jiān)硬物體為主，高壓清洗機(jī)為輔的原則，此原則適用于刀盤堆積的泥餅較薄、較少的情況。當(dāng)?shù)侗P泥餅堆積的較多、堅(jiān)硬、厚實(shí)的情況下，進(jìn)倉人員可以用高壓清洗機(jī)為主，堅(jiān)硬工具為輔的方式。但清理區(qū)域的泥餅較少、較薄時(shí)，必須停止使用高壓清洗機(jī)對(duì)刀盤進(jìn)行沖刷，避免由于水壓較高沖掉泥餅后對(duì)掌子面泥膜造成損壞。

6.7.3 刀具檢查、更換

（1）刀具檢查。刀盤清理完成后，檢查刀具磨損情況，確認(rèn)是否產(chǎn)生偏磨，偏磨量有多大，對(duì)于刮刀則確認(rèn)合金鉆頭是否磨損；對(duì)所有刀具螺栓都應(yīng)檢查，如有松動(dòng)則必須重新緊固。檢查人員應(yīng)填寫刀具檢查記錄表，并交底給作業(yè)人員。

（2）刀具更換。刀具更換前，應(yīng)將刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)以便于刀具更換。換刀前應(yīng)對(duì)刀具周邊進(jìn)行清理，利用工具和工裝拆除刀具。安裝新刀具前，應(yīng)對(duì)刀箱進(jìn)行檢查和清潔，按照緊固參數(shù)對(duì)螺栓進(jìn)行檢查緊固。

按照一般標(biāo)準(zhǔn)，刀具磨損量超過以下數(shù)值時(shí)應(yīng)當(dāng)更換：①滾刀，對(duì)于巖石地質(zhì)邊緣滾刀刀圈磨損量達(dá)到15 mm；正面滾刀刀圈磨損量達(dá)到20 mm；中心滾刀刀圈磨損量達(dá)到25 mm。對(duì)于軟土層邊緣滾刀刀圈磨損量達(dá)到20 mm；正面滾刀刀圈磨損量達(dá)到25 mm；中心滾刀刀圈磨損量達(dá)到30 mm；②邊緣刮刀及齒刀，邊緣刮刀及齒刀出現(xiàn)較嚴(yán)重崩齒或刀具上的合金堆焊層磨損較嚴(yán)重時(shí)，須更換。

6.7.4 作業(yè)效果判定

（1）由檢查人員復(fù)核刀具更換數(shù)量、位置、螺栓復(fù)緊情況。

（2）按照處置方案復(fù)查障礙物處置情況。

6.7.5 關(guān)閉倉門

作業(yè)后對(duì)開挖倉及刀盤進(jìn)行全面檢查，避免工具、材料等遺落在倉內(nèi)。確認(rèn)后關(guān)閉所有預(yù)留接口閥門至恢復(fù)掘進(jìn)狀態(tài)，人員出倉，關(guān)閉倉門。

7 結(jié)束語

廣州地鐵22 號(hào)線祈福站—廣州南站區(qū)間盾構(gòu)機(jī)，在采取了帶壓進(jìn)倉換刀安全控制技術(shù)后順利進(jìn)行了換刀。周邊的地表沉降在允許范圍內(nèi)（10 mm），沒有造成周邊管線和房屋的損壞，換刀后盾構(gòu)機(jī)開始正常掘進(jìn)，確保了工程有序進(jìn)行，對(duì)以后類似問題處理有借鑒意義。