輔助氣壓模式下盾構施工土倉可視化系統(tǒng)應用與效果分析

馬潤韜，李永森

（1、廣州地鐵集團有限公司 廣州 510330；2、中交一公局廈門工程有限公司 福建廈門 361021）

0 引言

廣州地區(qū)主要包括以粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主的紅層以及花崗巖地層、灰?guī)r地層三大類地層，地層種類復雜，在國內(nèi)一直有“地質(zhì)博物館”的稱號。廣州地鐵某區(qū)間涵蓋了廣州地區(qū)三大類地層，部分地段因地面原因無法進行詳細勘探，該區(qū)間在廣深地區(qū)盾構施工中具有一定代表性，在施工時合理選擇盾構機配置，及時預判風險尤為重要。

針對該區(qū)間自有的特殊性及周邊環(huán)境的復雜性，結合以往設備選型、開倉換刀、盾構機常見故障及裝備制造技術的提高，該區(qū)間盾構機成功運用了土倉可視化系統(tǒng)，確保了盾構施工的順利，大大提高了盾構機在廣州地區(qū)的適應性、經(jīng)濟性、安全性［1］。

1 工程概況

1.1 線路情況

該區(qū)間從1 號車站主要經(jīng)廣州中醫(yī)藥大學校區(qū)、下穿飛鵝西路、桂花崗小學、廣州市雕塑公園，在下塘西路東側(cè)設置中間風井，最后下穿廣州某高爾夫練習場到達2號車站。左線長約2 147 m，右線長約2 166 m，隧頂埋深13.0～65.4 m，最小曲線半徑R=545 m，最大縱坡2.8%，隧道襯砌采用左右轉(zhuǎn)彎+直線環(huán)錯縫拼裝，管片內(nèi)徑?5 800 mm，外徑為?6 400 mm，厚度為300 mm，環(huán)寬為1 500 mm。

1.2 區(qū)間重難點

⑴地質(zhì)情況復雜：主要以灰?guī)r、花崗巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，灰?guī)r段地層溶（土）洞發(fā)育，見洞率約50%，微風化混合花崗巖將近1 km，最大巖石強度167 MPa，地層變化大，施工風險高。

⑵穿越兩條斷裂帶：區(qū)間穿越麓湖斷裂帶與廣從斷裂帶，斷裂帶含水量較大，地層破碎，地面分布既有建構筑物，施工過程控制難度大。

⑶穿越既有線及穿越建構筑物：上跨地鐵11 號線，2 次下穿既有鐵路，穿越建構筑物64 棟，沉降控制要求高。

2 原因分析

結合復雜地質(zhì)條件，盾構施工需先后穿越泥質(zhì)粉砂巖（紅層）、斷裂帶、全斷面硬巖段、粉細砂層以及巖溶發(fā)育地層，部分區(qū)域地下水頭落差大，水壓高。盾構機在復雜地層掘進過程中，如何做到實時掌握土倉內(nèi)渣土改良及刀盤前方掌子面穩(wěn)定情況顯得尤為重要。在盾構選型期間，通過多次組織專家會議進行研討與論證，為確保能實時掌握土倉及刀盤情況，最終確定在盾構土倉隔板頂部錐板安裝攝像頭［2］，并與盾構機操作系統(tǒng)連接，形成一套土倉可視化系統(tǒng)，當盾構以“氣壓輔助模式”［3］掘進時，土倉可視化系統(tǒng)可對盾構機的部分掌子面和刀盤進行實時視頻監(jiān)控。

3 設計思路

3.1 總體思路

本設計創(chuàng)新思路是通過在土倉隔板頂部錐板處安裝視頻監(jiān)控攝像頭，對攝像頭位置增加可沖洗功能，當盾構以“氣壓輔助模式”掘進時，可通過監(jiān)控視頻實時監(jiān)控刀盤和土倉的工作狀況，包括刀盤的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、刀具的磨損狀況、開挖地層的圖像信息和渣土的流動特性等，同時可將監(jiān)控信息通過網(wǎng)絡實時傳遞給地面［4］。本設計主要從操作便捷性、盾構施工安全性、功能的適用性等角度進行考慮，節(jié)省刀盤前段故障率的排除時間，可大大提高施工效率、施工質(zhì)量和安全性，及時掌握施工情況，降低施工風險［5］。

3.2 創(chuàng)新內(nèi)容

⑴該系統(tǒng)主要由上位機、前端設備、PLC、水氣閥及其管路等組成，其中前端設備主要由控制單元、攝像機、補光燈、冷卻裝置和殼體等組成，與盾構系統(tǒng)集成融合，通過盾構操控界面由盾構司機控制，方便快捷，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)上位機控制界面Fig.1 Upper Computer Control Interface of the System

⑵可適應惡劣的土倉環(huán)境，環(huán)境工作溫度：0～80 ℃；環(huán)境工作濕度：≤70%RH；工作環(huán)境大氣壓力≤3 MPa；環(huán)境因素：黑暗、高溫、高壓、高濕。

⑶可通過土倉可視化系統(tǒng)判斷倉內(nèi)渣土流塑性的改良情況，并實時準確地調(diào)整掘進參數(shù)，有效避免司機通過參數(shù)界面判斷的盲目和滯后性，大大降低了施工風險［6］。

⑷在攝像頭總成件上組裝水/氣管路及補光燈電源及攝像頭線路，涂抹密封膠及安裝O 型圈，利用內(nèi)置沖水裝置沖洗攝像頭鏡面，避免因土倉惡劣環(huán)境造成攝像頭被渣土糊住，系統(tǒng)總成安裝效果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總成安裝效果Fig.2 System Assembly Installation Effect

4 應用效果

4.1 現(xiàn)場應用效果

操作便捷，安全性、時效性高的優(yōu)點突出。實時掌握土倉情況及刀盤工作狀況，出現(xiàn)異常時，可以最便捷地找到原因，使用過程效果如圖3所示。具體如下：

圖3 使用過程效果Fig.3 The Process Uses Renderings

⑴穿越紅層時，盾構施工參數(shù)（扭矩、推力等）開始出現(xiàn)波動，通過可視化系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)刀盤出現(xiàn)結泥餅的現(xiàn)象，立即調(diào)整參數(shù)并采用分散劑“泡倉”的措施，情況得到明顯改善。

⑵穿越斷裂帶時，掌子面出水量增大，掌子面出現(xiàn)了坍塌的前兆，盾構施工管理人員第一時間發(fā)現(xiàn)并及時調(diào)整了盾構施工參數(shù)及土倉壓力，多次避免了該問題的擴大［7］。

⑶穿越硬巖地層時，通過可視化系統(tǒng)，實時掌握刀具磨損情況，提前選擇換刀地點，大大減少了開倉次數(shù)與開倉風險。

實踐證明，該可視化系統(tǒng)的應用，可使盾構施工過程的問題及風險提前得到預警，將問題結束在萌芽狀態(tài)，降低了施工風險；同時也能夠通過可視化系統(tǒng)觀察到同步注漿液是否流入土倉，確保掘進同步注漿的質(zhì)量以及避免材料的損失浪費［8］。

4.2 應用效益分析

盾構機土倉可視化系統(tǒng)的運用，有效克服了盾構操作者對地層突變判斷的滯后性，提高了應對措施的時效性，有效減少掘進過程的不可控因素，最大限度地降低了盾構施工安全風險和質(zhì)量風險，提高了成型隧道的整體線型質(zhì)量，成型隧道質(zhì)量如圖4所示，具體分析對比如表1所示。

圖4 成型隧道效果Fig.4 Forming Tunnel Effect

5 結語

該項創(chuàng)新設計適用性強，具有較好的技術、安全、經(jīng)濟效益。尤其在復雜地質(zhì)條件下的盾構施工中，通過土倉可視化系統(tǒng)的運用，能夠更加直觀地監(jiān)控地層變化、土倉內(nèi)的渣土改良效果及刀具的磨損情況，從而及時采取針對性的應對措施，有效降低了施工風險，提高了施工效率；同時通過可視化系統(tǒng)觀察發(fā)現(xiàn)成型隧道管片壁后同步注漿液是否因流入土倉內(nèi)造成損失而影響隧道防水和造成地面沉降［9］，降低施工風險的同時，提升了隧道的質(zhì)量并可直接節(jié)省施工成本。接下來將根據(jù)“土倉可視化系統(tǒng)”的運用情況，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部構件設計，提升安裝簡便性并盡量擴大土倉可視化范圍，進一步提高系統(tǒng)的實用性［10］。