軌道交通工程區(qū)間盾構(gòu)帶壓開倉技術(shù)探討

黃澤群

（中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510420）

0 引言

地鐵盾構(gòu)施工位于較深地層中，存在較多不可預(yù)見性因素，影響盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)，例如，刀盤結(jié)泥餅處理、孤石及硬巖處理、刀盤刀具磨損嚴(yán)重需進(jìn)行檢查和更換等，都會(huì)對(duì)施工作業(yè)造成影響。其中，帶壓開倉換刀作業(yè)存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，需要特別重視。

1 帶壓開倉技術(shù)原理

盾構(gòu)機(jī)在帶砂層的復(fù)合地層掘進(jìn)時(shí)，為防止盾構(gòu)機(jī)在帶砂層的復(fù)合地層掘進(jìn)中超方，導(dǎo)致地面沉降或塌陷，盾構(gòu)施工中通常以快速通過為原則，減少盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)間。如因刀盤貫入度不夠、刀具偏磨造成渣溫過高，泡沫系統(tǒng)發(fā)泡效果不佳和加水不足等原因，導(dǎo)致刀盤結(jié)泥餅，則需帶壓開倉清理泥餅。而帶壓開倉的重難點(diǎn)為土倉保壓是否穩(wěn)定。因此本技術(shù)工藝原理主要為減少土倉內(nèi)氣體流失，自動(dòng)保壓系統(tǒng)加氣和排氣平衡，使土倉內(nèi)形成相對(duì)“密閉”的空間。

2 帶壓開倉技術(shù)的控制要點(diǎn)

2.1 盾構(gòu)機(jī)安全開倉原則

當(dāng)前，盾構(gòu)機(jī)開倉換刀主要利用人工形式進(jìn)行，因此需要保障底層的穩(wěn)固堅(jiān)實(shí)，禁止塌方等情況出現(xiàn)。為切實(shí)保障施工人員人身安全，開倉作業(yè)必須堅(jiān)持按計(jì)劃開倉，開倉地質(zhì)條件安全，盡量避免對(duì)地面環(huán)境造成影響，人員快進(jìn)快出及開倉點(diǎn)預(yù)先設(shè)定等準(zhǔn)則，如無特殊情況不能被動(dòng)開倉。

2.2 盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉作業(yè)的安全控制

地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)地段環(huán)境繁雜，不僅孤石眾多，而且河流叢生、建筑密布。同時(shí)，包括了大量被風(fēng)化過的多種形式基巖，有的地段還會(huì)出現(xiàn)不同程度的斷面硬巖現(xiàn)象。受限于地質(zhì)條件的特殊制約，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)穿越隧道時(shí)，機(jī)械設(shè)備的多處刀具及刀盤均會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損現(xiàn)象，故操作人員要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)刀具展開全面細(xì)致的檢查，有必要利用帶壓形式展開作業(yè)。

2.3 開倉作業(yè)的地面監(jiān)測(cè)

在實(shí)際的開倉檢驗(yàn)作業(yè)中，盾構(gòu)機(jī)所用的刀盤前方附有2個(gè)可供地表數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的顯示面，機(jī)械自身原有5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用以監(jiān)測(cè)地面，以每2h為一個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，分時(shí)間段對(duì)開倉后的地面實(shí)體參數(shù)予以檢查，確保其在正常狀態(tài)下運(yùn)行。

3 盾構(gòu)帶壓開倉技術(shù)的應(yīng)用案例

3.1 工程概況

某軌道交通工程屬于典型的地鐵隧道區(qū)間項(xiàng)目，線路總長(zhǎng)度2114.066m。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，圓形斷面。區(qū)間隧道線間距為12m～27.5m，拱頂埋深約為10.2m～23.0m。且受限于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拱頂埋深米數(shù)的影響，技術(shù)人員特選用盾構(gòu)法施工，循序作業(yè)。依據(jù)前期的地質(zhì)勘察資料可知，該施工地段土層分布較多，屬上軟下硬地層，抗壓程度較一般，地質(zhì)條件略差，故在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度的減壓及保壓情況，為解決該項(xiàng)問題，必須要將區(qū)域內(nèi)的土體抗壓程度控制在12.6MPa～47.1MPa之間，以保證施工安全。

3.2 盾構(gòu)機(jī)選型

在車站區(qū)間，要使用2臺(tái)CTE6650土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)的開挖直徑為6680mm，主要組成部分涵蓋主機(jī)和配套設(shè)備兩大項(xiàng)，主機(jī)較為簡(jiǎn)單，在此不做過多闡述，后置的配套設(shè)備為關(guān)鍵組成部分，總長(zhǎng)度在85m左右，其承載著整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的組成形態(tài)及實(shí)體操作運(yùn)行，分橋架和車架2套不同的配置。其中負(fù)責(zé)掘進(jìn)的主驅(qū)系統(tǒng)是由22組推進(jìn)油缸主體負(fù)責(zé)，工作期間的驅(qū)動(dòng)功率可達(dá)880kW，掘進(jìn)速度為80mm/min，非常適用于地鐵隧道的區(qū)間施工作業(yè)。此次選用的盾構(gòu)刀盤為“四輻條+四面板”形式，加以滾刀、切刀、仿行刀、保徑刀等配置，開挖外徑可達(dá)6680mm。

3.3 帶壓開倉關(guān)鍵技術(shù)分析

3.3.1 準(zhǔn)備工作

（1）物料準(zhǔn)備。首先要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件做好物料清單，按照順序依次準(zhǔn)備齊全；其次對(duì)機(jī)械設(shè)備展開全面檢查，確保進(jìn)倉時(shí)各項(xiàng)功能都在正常狀態(tài)下。

（2）空壓機(jī)的檢查。對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行全面的檢驗(yàn)和養(yǎng)護(hù)，具體包括更新濾芯、檢驗(yàn)油位、電氣與機(jī)械體系的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)等。此外，為了避免受停電影響，必須配備200kW的柴油發(fā)電機(jī)及10m3/min空壓機(jī)1臺(tái)（包括盾構(gòu)機(jī)上配置的2臺(tái)空壓機(jī)，共計(jì)3臺(tái)）確保空壓機(jī)的正常運(yùn)行。

（3）手動(dòng)閘的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)手動(dòng)閘箱內(nèi)部的燈具、緊急聯(lián)系方式、壓力表、氣動(dòng)閥、密封門等的安裝，確保其正常運(yùn)行；除此之外，通過護(hù)罩空腔壁上的備用孔連接空氣管，并安裝壓力表用于測(cè)量土壤倉中的壓力。

（4）增加盾尾密封脂的注射量，促使盾尾密封脂壓力值達(dá)到4bar，通過盾構(gòu)機(jī)提供的注油系統(tǒng)，將盾構(gòu)尾部密封油注入螺桿機(jī)安全門，確保氣體不會(huì)從螺桿機(jī)中外泄。

（5）介于帶壓開倉具備一定的危險(xiǎn)性，故在進(jìn)倉前，操作人員一定要接受系統(tǒng)培訓(xùn)，且體檢合格。

3.3.2 設(shè)備檢查

設(shè)備檢查工作不容小覷，操作人員要從機(jī)械設(shè)備的空壓機(jī)及管路方面著手，對(duì)盾構(gòu)機(jī)展開全面的設(shè)備檢查工作：照明燈具是否處于正常狀態(tài)，緊急電話是否能夠使用，各種壓力表是否處于正常狀態(tài)，各種管路球閥開關(guān)是否處于正常狀態(tài)。只有進(jìn)行充分的檢查，才能確保壓氣作業(yè)時(shí)的安全性。

3.3.3 人倉氣密性的試驗(yàn)工作

在帶壓開倉作業(yè)中，人倉作為關(guān)鍵的通行道路，其氣密性試驗(yàn)及安全狀態(tài)的檢測(cè)工作尤為重要。在盾構(gòu)機(jī)帶壓作業(yè)加壓模式期間，人倉的氣密性會(huì)隨著隧道的掘進(jìn)速度及長(zhǎng)度產(chǎn)生不同數(shù)值的變化，施工人員要時(shí)刻保持氣壓在0.3bar以下狀態(tài)，如此才可安全作業(yè)[1]。

3.3.4 開倉壓力設(shè)定

常規(guī)情況下，倉內(nèi)如無漏氣產(chǎn)生，表示壓力比較大，掌子面會(huì)表現(xiàn)得越來越穩(wěn)固；而介于地層自身密封性不高等特點(diǎn)，開倉的壓力數(shù)值倘若超過原有掌子面的受力程度，會(huì)隨即產(chǎn)生密封失敗且地面浸水等情況；待開倉的壓力數(shù)值處于較低的狀態(tài)，則進(jìn)倉人員的健康狀態(tài)能夠保證。因此，要保證掌子面的穩(wěn)固，最大限度防止地面塌陷的情況。

3.3.5 開倉作業(yè)流程

作業(yè)流程為：停機(jī)→土倉注膨潤(rùn)土→出土至入倉口部以下→氣密性試驗(yàn)→壓力確定→帶壓檢查→帶壓作業(yè)→脫困掘進(jìn)→恢復(fù)正常掘進(jìn)。需要注意，刀具磨損嚴(yán)重或刀盤前形成泥餅造成掘進(jìn)速度降低或碴溫升高等掘進(jìn)異?，F(xiàn)象，經(jīng)綜合分析需停機(jī)進(jìn)倉檢查。

3.3.6 開倉泥膜建立

此次施工中，技術(shù)人員需在開倉時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況展開泥膜的分建工作，并按照黏度≥100MPa·s的規(guī)定范圍來配比膨潤(rùn)土的泥漿參數(shù)，且將比重控制在1.3g/cm3以下，并以膨潤(rùn)土∶水∶火堿=510kg∶830kg∶10kg的比例開展配比工作，在填充時(shí)確保土倉壓力數(shù)值符合要求[2]。注入膨潤(rùn)土?xí)r，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤持續(xù)時(shí)間≥2h，使膨潤(rùn)土充分進(jìn)入刀盤周圍土層，形成氣壓保護(hù)膜[3]。

3.3.7 氣體檢測(cè)

氣體檢測(cè)工作操作簡(jiǎn)單但也不容忽視，氣體的密封程度合格與否，直接關(guān)系到操作人員的安危，故在施工人員進(jìn)入土倉之前，要對(duì)其展開精確的氣體檢測(cè)，確保內(nèi)部空氣質(zhì)量合格。

3.3.8 壓氣操作

（1）升壓。該項(xiàng)操作可依照不同次數(shù)分別展開，所需壓力數(shù)值建議控制在1.9bar，隨即在不同次數(shù)的壓氣操作中，以倉內(nèi)實(shí)際產(chǎn)生的氣體數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，在所有倉門處于關(guān)閉狀態(tài)下，科學(xué)合理地啟動(dòng)進(jìn)氣閥設(shè)置，循序漸進(jìn)提升倉內(nèi)的氣壓，確保其始終在一個(gè)平衡的狀態(tài)下運(yùn)作。升壓第一分鐘倉壓不能超過0.025MPa，加壓速度不得超過0.015MPa/min，便于后續(xù)作業(yè)安全有續(xù)展開，且再度加壓要等到癥狀全部消失后才可以進(jìn)行。

（2）穩(wěn)壓。當(dāng)升壓達(dá)到預(yù)定值后，入倉值班員對(duì)進(jìn)氣流量、出氣流量等進(jìn)行調(diào)節(jié)。氣壓達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)后，與工作人員聯(lián)系，讓其打開平衡閥，如果出現(xiàn)壓力波動(dòng)，值班員要隨時(shí)調(diào)節(jié)，時(shí)刻確保壓力保持穩(wěn)定狀態(tài)，能夠有空氣流入。

（3）開倉。作為帶壓作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，開倉也具備一定的技術(shù)操作。首先在第一步開倉時(shí)，操作人員不可全力將其打開，需以縫隙的方式緩慢開啟，這樣做可避免渣土突然涌出；其次在開倉之后，要對(duì)倉內(nèi)現(xiàn)有的影像資料予以記錄并上傳，由專業(yè)人士或項(xiàng)目負(fù)責(zé)人對(duì)掌子面的實(shí)際情況做出判斷，與此同時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的刀具磨損情況予以檢查[4]。

（4）減壓。作業(yè)人員完成相應(yīng)工作退入主室后，關(guān)閉主室與氣倉隔離門，緩慢減低主倉壓力。減壓作業(yè)按每0.03MPa壓力段分段進(jìn)行，每分段停留時(shí)間和減壓時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)定執(zhí)行[5]。

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，操作人員使用了階段減壓對(duì)倉體展開減壓工作，依照減壓→穩(wěn)壓→穩(wěn)壓減壓→再穩(wěn)壓→再減壓的步驟循序開展，并對(duì)流程的壓力值控制在規(guī)定的范圍值之內(nèi)。在對(duì)1.2bar減壓過程用時(shí)10min，穩(wěn)壓10min；1.2bar～0.9bar減壓過程用時(shí)6min，穩(wěn)壓15min；0.9bar～0.6bar減壓過程用時(shí)6min，穩(wěn)壓3Omin；0.6bar～0.3bar減壓過程用時(shí)6min，穩(wěn)壓40min；0.3bar～0bar減壓過程用時(shí)6min，然后人員出倉。

3.3.9 刀具檢修

（1）施工準(zhǔn)備。施工人員按照換刀方案，預(yù)先準(zhǔn)備施工時(shí)使用的刀具及工具，同時(shí)將下井施工所用的工具和需要替換的刀具放置在施工場(chǎng)地。

（2）刀具檢查及換刀分兩個(gè)階段實(shí)施。首先，清洗刀盤并檢驗(yàn)刀具是否完好，按照刀盤和刀具表層的結(jié)泥狀況再進(jìn)行清理工作，清洗過程中需密切關(guān)注刀具的磨損狀況；其次，主要是替換刀具，一是替換耗損嚴(yán)重的刀具，二是改良或替換下面幾種刀具：38#、39#、40#、41#邊滾刀進(jìn)行墊高，挖掘直徑至6.29m；替換梁上所有12把邊刮刀，致使邊刮刀的挖掘直徑為6.28m。

（3）清理刀盤及刀具檢查。清潔和更換刀盤時(shí)，應(yīng)合理組合，盡可能縮減刀盤的運(yùn)行次數(shù)；施工人員應(yīng)了解并控制現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工藝。使用高壓清潔機(jī)將刀盤清洗干凈，在清洗過程中盡可能降低對(duì)礃子面的影響，由刀盤的中心位置向周邊擴(kuò)散進(jìn)行沖洗，確保高壓清潔機(jī)的噴口向下沖刷，利用同向扭轉(zhuǎn)刀盤來完成整體刀盤的清洗工作。

（4）更換刀具標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)。檢查刀盤，記錄磨損刀盤號(hào)并拍照留底。更新刀具要符合以下條件：前滾刀環(huán)磨損20mm時(shí)、邊沿滾刀刀環(huán)磨損10mm時(shí)、中心滾刀刀環(huán)磨損25mm時(shí)，即更換新的刀片。

（5）換刀程序。刀頭旋轉(zhuǎn)到需要換刀的位置（前端和邊緣區(qū)域），風(fēng)鎬工人鑿坑時(shí)，坑的體積和刀的體積大體一致，坑鑿好之后將所需替換的刀轉(zhuǎn)到坑中，拆刀工人先拆掉防護(hù)帽，利用氣動(dòng)扳手拆卸液壓錘楔螺釘上的螺母，拆下夾板和液壓錘楔螺釘；在兩個(gè)刀環(huán)之間使用鋼絲套，用導(dǎo)鏈慢慢拉動(dòng)，將其從夾緊槽中提起，滾刀與刀座分離。此時(shí)，刀具拆卸器將刀具取出，并將其運(yùn)出土倉。

將新刀具（前部和邊緣區(qū)域的刀具）運(yùn)輸?shù)酵寥纻}后，刀具安裝工人將新刀具的軸號(hào)反轉(zhuǎn)到刀盤的中心，放入刀架，然后慢慢推動(dòng)刀架中的夾緊槽，推動(dòng)軸楔螺釘并旋轉(zhuǎn)90°，使其與刀軸的斜面重合，然后安裝夾板并擰緊螺母（螺栓扭矩見刀頭或刀盤安裝圖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)），涂抹硅膠，擰緊防護(hù)帽。

刀頭旋轉(zhuǎn)到需要換刀的位置（中心滾刀），風(fēng)鎬工人展開鑿開作業(yè)，當(dāng)坑的體積是刀的一半時(shí)將坑鑿好，將所需更換的刀具旋轉(zhuǎn)到基坑中，拆卸刀具，先利用氣動(dòng)扳手拆卸4顆螺栓，拆卸雙面楔塊后，在2個(gè)刀環(huán)之間使用鋼絲套，用導(dǎo)鏈慢慢拉動(dòng)（維持水平和垂直角度），將刀具拉出刀座，中心滾刀離開刀座，這時(shí)拆卸工人完成拆刀任務(wù)，輸送出密封倉庫；新刀具輸送至密封倉庫后（核心區(qū)域的刀具），組裝工人將刀具軸號(hào)反轉(zhuǎn)到刀盤的中心，慢慢推至刀架底端（維持橫向和縱向的角度），然后安裝雙面楔塊，擰緊4道螺栓（螺栓扭矩見刀頭或刀盤安裝圖，先對(duì)角切割中心區(qū)域的四個(gè)螺栓，然后按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求進(jìn)行緊固）。

（6）換刀規(guī)定及注意事項(xiàng)。更換刀具時(shí)應(yīng)鎖定刀盤，更換下刀具時(shí)打開刀盤并旋轉(zhuǎn)它；刀盤旋轉(zhuǎn)前，土倉內(nèi)全部人員務(wù)必撤離至盾構(gòu)機(jī)并關(guān)閉土倉，刀盤停止旋轉(zhuǎn)并確定礃子面穩(wěn)定后，操作人員便可進(jìn)入土倉開始施工。清洗刀盤、鑿坑等產(chǎn)生空氣污染和灰塵作業(yè)時(shí)，必須佩戴防護(hù)面罩；電焊、氣割產(chǎn)生火花時(shí)，確定是否有可燃?xì)怏w；必須在現(xiàn)場(chǎng)提供必要的治療創(chuàng)傷和燙傷的藥物和擔(dān)架。禁止壓氣人員進(jìn)行重復(fù)作業(yè)，每班工作時(shí)間保證在6h之內(nèi)。

（7）帶壓檢測(cè)。在施工人員完全進(jìn)入副倉時(shí)，要以此時(shí)具體的系統(tǒng)程序?qū)Υ嬖谟谥鞲眰}間的氣壓予以處理，做到兩者氣壓平衡狀態(tài)，如此方可進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)的主倉開始操作。兩人帶著壓力進(jìn)入倉內(nèi)（一人工作，一人負(fù)責(zé)聯(lián)絡(luò)和指揮），倉內(nèi)的檢驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為2h。刀具的檢查方法主要有操作者攀爬刀具輻條，借助專用的儀器設(shè)備予以檢查。

3.3.10 恢復(fù)掘進(jìn)作業(yè)

在一切的開倉操作結(jié)束后，隨即可開展連續(xù)的掘進(jìn)作業(yè)。需要注意的是，在掘進(jìn)之前，建議將膨潤(rùn)土填充在倉內(nèi)有氣壓的部位，可以很好地避免超挖現(xiàn)象的不定時(shí)產(chǎn)生，進(jìn)而降低地面沉降。

4 結(jié)束語

本區(qū)間盾構(gòu)穿越了多個(gè)既有的建筑物，施工范圍大且深，涉及多個(gè)土層的掘進(jìn)作業(yè)，工序復(fù)雜多樣，且在整體帶壓開倉操作中，遇掌子面水量大的危險(xiǎn)地段，運(yùn)用了特殊的方式予以應(yīng)急處理，為后續(xù)的相關(guān)作業(yè)提供了安全可靠的施工環(huán)境和有利條件，這在國(guó)內(nèi)的同類工程中也極為少見。文中所闡述的帶壓開倉工序可作為指導(dǎo)資料，為業(yè)界同仁參考和借鑒。