泥水盾構(gòu)帶壓更換刀筒閘門(mén)技術(shù)研究

摘要：泥水盾構(gòu)施工過(guò)程中常壓換刀刀盤(pán)因頻繁換刀會(huì)引起刀筒閘門(mén)磨損，更換刀筒閘門(mén)時(shí)，刀筒閘門(mén)周?chē)馏w需處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，否則會(huì)引起塌方或涌水等問(wèn)題，甚至可能導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)淹沒(méi)等安全事故。以南京市和燕路過(guò)江通道為工程背景，研究并解決了帶壓更換刀筒閘門(mén)的施工重難點(diǎn)，包括地下水的封堵、泥膜形成、倉(cāng)內(nèi)氣壓穩(wěn)定等，提出了包括制作止水環(huán)、形成泥膜、帶壓更換刀筒閘門(mén)等環(huán)節(jié)的施工操作規(guī)程，最終取得了良好的施工效果。

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu)；刀筒閘門(mén)；帶壓換刀

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.43""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""" 文章編號(hào)：

Mud-Water Shield with Pressure to Replace the Cutter Barrel Gate Technology Research

Abstract：Mud-water shield construction process of normal pressure tool changer cutter plate due to frequent tool change will cause wear and tear of the cutter barrel gate，when replacing the cutter barrel gate，the soil around the cutter barrel gate needs to be in a relatively stable state，otherwise，it will cause problems such as landslides or water surges，and may even lead to safety accidents such as flooding of the shield machine.Taking the Heyan Road river crossing in Nanjing as the background of the project， the construction difficulties of replacing the cutter barrelled gate under pressure were studied and solved，including the blocking of groundwater，the formation of mud film， and the stabilization of air pressure in the silo，etc.The construction operation procedures including the production of water stopping ring，the formation of mud film， and the replacement of the cutter barrelled gate under pressure were put forward，and the final construction results were good.

Keywords：mud-water shield;cutter barrel gate;pressurized tool change

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)和社會(huì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求日益增加，其中地下工程建設(shè)逐漸被重視起來(lái)，盾構(gòu)法由于其掘進(jìn)效率高、地層破壞小、自動(dòng)化程度高被廣泛應(yīng)用[1]。掘進(jìn)過(guò)程中刀具會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)磨損，需要頻繁更換[2]。刀具更換時(shí)需要通過(guò)控制刀筒閘門(mén)的開(kāi)合維持常壓，頻繁的開(kāi)合會(huì)導(dǎo)致刀筒閘門(mén)出現(xiàn)密封破損、擠出、甚至產(chǎn)生滲漏涌水等問(wèn)題[3-5]，需要及時(shí)更換。

關(guān)于泥水平衡盾構(gòu)刀盤(pán)刀具方面的研究較多，朱偉等[6]說(shuō)明了盾構(gòu)刀具磨損是泥水盾構(gòu)施工時(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題；王君平[7]以濟(jì)南黃河隧道為背景，指定了常壓可更換刀具條件下盾構(gòu)停機(jī)換刀的流程及要點(diǎn)；李翰卿[8]針對(duì)過(guò)河隧道復(fù)雜地層條件，采用超前注漿加固后使用制漿劑建泥膜的處理措施完成換刀操作；韓吉平[9]針對(duì)大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)常壓換刀進(jìn)行分析，介紹了換刀前的加固、封堵和降水等準(zhǔn)備措施，換刀作業(yè)程序及注意事項(xiàng)，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于刀筒閘門(mén)更換技術(shù)方向的研究較少。本文以南京市和燕路過(guò)江通道為工程背景，借鑒帶壓換刀技術(shù)，研究實(shí)施了帶壓更換刀筒閘門(mén)技術(shù)，可為后續(xù)的類(lèi)似工程和研究提供參考 。

1 工程簡(jiǎn)介

本工程為和燕路過(guò)江通道南段工程隧道盾構(gòu)段A3標(biāo)段，采用隧道方式穿越長(zhǎng)江主江，按雙向六車(chē)道城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，為穿越長(zhǎng)江主江隧道右線(xiàn)盾構(gòu)段（含右線(xiàn)盾構(gòu)段內(nèi)江中廢水泵房和變電所、橫通道及疏散口等，起訖點(diǎn)樁號(hào)為YK1+732.548～YK4+708.454）土建工程的施工。盾構(gòu)段長(zhǎng)2 975.906 m，最大平曲線(xiàn)4 000 m、豎曲線(xiàn)R=2 700 m。盾構(gòu)由八卦洲工作井始發(fā)，以-3.975%的下坡前行，然后以-2.963%的下坡前行到達(dá)江底最低點(diǎn)，再次以3.90%的上坡前行，最后以2.96%上坡前行至江南工作井，最后由江南工作井吊出，隧道線(xiàn)路剖面如圖1所示。

2 施工重難點(diǎn)

2.1 地下水的封堵

盾構(gòu)刀盤(pán)切口里程YK2+490，目前覆土46.7 m，地面標(biāo)高10.61 m，穿越地層為中風(fēng)化角礫巖，成分主要為砂巖、泥巖，夾少量灰?guī)r，敲擊較易碎，地下水較豐富，需防止后方涌水，在帶壓更換刀筒閘門(mén)時(shí)，施工過(guò)程應(yīng)采取切實(shí)有效的地下水封堵措施，同時(shí)加強(qiáng)液位的監(jiān)測(cè)。

2.2 高粘度泥膜形成

為了確保在帶壓進(jìn)倉(cāng)過(guò)程中形成有效的高粘度泥膜，有效支護(hù)開(kāi)挖面的同時(shí)建立良好的氣壓邊界，需要在開(kāi)倉(cāng)前注入高粘度泥漿。這層致密的閉氣泥膜能夠控制氣壓和漏氣量，達(dá)到密封掌子面的目的。為了滿(mǎn)足施工需求，需要進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)確定膨潤(rùn)土泥漿的配合比、發(fā)酵時(shí)間、攪拌質(zhì)量及泥漿的效果。

2.3 倉(cāng)內(nèi)氣壓的穩(wěn)定

為了確保帶壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)的順利進(jìn)行，需要進(jìn)行泥膜建立后的保壓測(cè)試，以確保保壓系統(tǒng)正常運(yùn)行。同時(shí)，還應(yīng)配備空壓機(jī)和發(fā)電機(jī)，以防止設(shè)備發(fā)生故障或停電導(dǎo)致倉(cāng)內(nèi)失壓。在進(jìn)入倉(cāng)內(nèi)之前，提前將備用空壓機(jī)的排氣管與盾構(gòu)機(jī)的儲(chǔ)氣罐連接好。如果進(jìn)艙時(shí)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的空壓機(jī)出現(xiàn)故障，需要立即啟動(dòng)備用空壓機(jī)，以確保倉(cāng)內(nèi)有穩(wěn)定的供氣。同時(shí)，還需將發(fā)電機(jī)線(xiàn)、盾構(gòu)機(jī)與應(yīng)急供電設(shè)備連接好，以確保盾構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)、空壓機(jī)供氣系統(tǒng)、照明、排水、通風(fēng)等方面的供電不會(huì)中斷。這樣可以保證倉(cāng)內(nèi)的人員安全。

3 刀筒閘門(mén)更換操作流程

3.1 更換流程

刀筒閘門(mén)更換流程為制作止水環(huán)→形成泥膜→階梯式降低泥水倉(cāng)壓力（0.05 MPa為一個(gè)階梯）→帶壓進(jìn)入中心倉(cāng)抽水→封堵刀筒→加工運(yùn)輸排水工裝并增設(shè)應(yīng)急抽水裝置→降低切口液位至閘門(mén)下方→進(jìn)入中心倉(cāng)更換閘門(mén)。

3.2 制作止水環(huán)

1） 注聚氨酯

在脫出盾尾后兩環(huán)即1 100環(huán)、1 101環(huán)注入聚氨酯或環(huán)氧樹(shù)脂材料，防止地下水向后涌入泥水倉(cāng)中。

2） 管片雙液漿封環(huán)

在盾尾后的第1 097環(huán)、1 098環(huán)和1 099環(huán)，共三環(huán)管片的一周注雙液漿，形成完整的密封環(huán)，阻止成型隧道外的地下水沿管片外流向盾構(gòu)泥水倉(cāng)艙。

注漿參數(shù)控制：①注漿壓力：0.2 MPa～0.4 MPa；②注漿量：注漿量還受到注漿壓力的影響，實(shí)際注漿量還應(yīng)參考注漿壓力來(lái)決定；③二次注漿材料配比：區(qū)間二次注漿采用水泥漿、水玻璃雙液漿進(jìn)行， 水泥漿采用P.C42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用35 Be′（波美度）的濃度， 水泥漿漿液水灰比為1：1；水泥漿與水玻璃的配比（體積比）為：1：1。

3） 盾體外封堵

通過(guò)前盾徑由注漿口向盾殼外注粘度＞80 s（馬氏漏斗）的膨潤(rùn)土濃漿，使盾體外充滿(mǎn)膨潤(rùn)土，阻止盾殼外的地下水滲入土艙。

4） 注盾尾油脂

加大盾尾油脂注入量，使每道油脂腔充滿(mǎn)油脂，并且油脂壓力應(yīng)大于注漿壓力，防止注漿的漿液進(jìn)入盾尾刷。

3.3 制作泥膜

1） 先采用比重1.1 g/cm3～1.15 g/cm3的，粘度35 s～40 s的泥漿，通過(guò)膨潤(rùn)土系統(tǒng)加入到氣墊艙內(nèi)，并通過(guò)升降氣墊倉(cāng)中心液位以上3 m（至少2次），將泥漿壓至泥水艙內(nèi)，然后采用比重1.1 g/cm3～1.15 g/cm3的，粘度40 s～45 s的泥漿，通過(guò)膨潤(rùn)土系統(tǒng)加入到氣墊艙內(nèi)，并通過(guò)升降氣墊倉(cāng)中心液位以上3 m（至少2次），行成高致密泥膜，靜止2 h后觀察氣墊倉(cāng)液位，如果泥漿液面下降速度超過(guò)10 mm/h，說(shuō)明泥膜受損，則繼續(xù)循環(huán)至行成高致密泥膜。

2） 泥漿池儲(chǔ)存1 500 m3新漿，保證在出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)可以及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿。

3） 作業(yè)前應(yīng)進(jìn)行地層保壓試驗(yàn)，且保壓時(shí)間≥2 h，檢查地層漏氣情況。當(dāng)漏氣量小于供氣能力的10%時(shí)，開(kāi)挖倉(cāng)氣壓能在2 h內(nèi)無(wú)變化或不發(fā)生大的波動(dòng)時(shí)，證明保壓試驗(yàn)合格。開(kāi)倉(cāng)過(guò)程中若供氣量大于供氣能力的50%時(shí)，則應(yīng)立即停止氣壓作業(yè)，并重新采取措施至保壓試驗(yàn)合格。

4） 緩慢且階梯式降低泥水艙內(nèi)壓力，每降低一個(gè)階梯（0.05 MPa為一個(gè)階梯），靜止30 min觀察液位及壓力波動(dòng)情況，當(dāng)靜止觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)壓力及液位開(kāi)始波動(dòng)時(shí)，將壓力增加一個(gè)階梯（0.05 MPa為一個(gè)階梯）后不再對(duì)艙內(nèi)壓力進(jìn)行調(diào)整。

3.4 帶壓封堵刀筒

1） 作業(yè)人員進(jìn)入過(guò)渡加壓艙，隨后對(duì)過(guò)渡倉(cāng)進(jìn)行緩慢加壓，一般在最初加壓到0.03 MPa時(shí)，應(yīng)了解艙內(nèi)人員有無(wú)耳痛或其他不適，進(jìn)艙人員若出現(xiàn)不適情況，應(yīng)及時(shí)通知操艙人員暫停加壓，如調(diào)壓仍有困難，可適當(dāng)排氣減壓，調(diào)壓成功，可繼續(xù)加壓。若調(diào)壓仍不成功，應(yīng)減壓出艙。為預(yù)防加壓時(shí)發(fā)生問(wèn)題，影響其它人員加壓速度，在進(jìn)艙前應(yīng)作好入艙檢查，并在鼻內(nèi)滴注麻黃素。

2） 加壓時(shí)注意掌握速度。加壓遵循先慢后快的原則，操艙員隨時(shí)關(guān)注艙內(nèi)人員情況，有任何異常情況馬上停止加壓，解決好后方可繼續(xù)加壓。

3） 當(dāng)過(guò)渡倉(cāng)壓力與中心倉(cāng)基本相同時(shí)，打開(kāi)平衡閥，平衡閥必須完全清通，而且常開(kāi)。如果清通的平衡閥又被堵塞，一定要重新清通并觀察，隨后打開(kāi)倉(cāng)門(mén)，進(jìn)入中心倉(cāng)。

4） 安裝并啟動(dòng)7.5 kW潛污泵對(duì)中心倉(cāng)及輻條進(jìn)行抽水，至液位降低至刀筒閘門(mén)下方。觀察5 min，液位無(wú)明顯變化，抽水過(guò)程中須保持艙內(nèi)壓力恒定。

5） 打開(kāi)刀筒側(cè)面泄壓排污口，并安裝封板（加工件）、螺栓若干、電動(dòng)扳手、套筒，安裝完成后關(guān)閉泄壓排污口。

6） 封板安裝完成后作業(yè)人員進(jìn)入過(guò)渡倉(cāng)，并關(guān)閉平衡閥，隨后逐漸降低過(guò)渡倉(cāng)中的壓力至第一停留期壓力→第一停留期壓力保持→逐漸降低主倉(cāng)中的壓力至第二停留期壓力……→至減壓結(jié)束→人員出倉(cāng)。

3.5 常壓加工閘門(mén)運(yùn)輸工裝

1） 降低中心倉(cāng)內(nèi)壓力至常壓，作業(yè)人員進(jìn)入艙內(nèi)在合適的位置，焊接閘門(mén)吊裝吊點(diǎn)及其他閘門(mén)運(yùn)輸工裝。

2） 在中心倉(cāng)位置增設(shè)2臺(tái)75 kW潛污泵作為應(yīng)急排水裝置。

3） 將備用閘門(mén)調(diào)運(yùn)至刀筒位置，并使用葫蘆固定。緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)（0.2 r/min）至東側(cè)（如圖2所示）。

3.6 帶壓更換閘門(mén)

1） 降低切口液位至刀筒閘門(mén)下方，關(guān)閉中心艙門(mén)，向中心倉(cāng)內(nèi)加壓使倉(cāng)內(nèi)壓力略高于泥水倉(cāng)壓力。

2） 作業(yè)人員進(jìn)入過(guò)渡加壓艙，流程同帶壓封堵刀筒進(jìn)艙時(shí)流程。

3） 使用手動(dòng)葫蘆輔助吊裝，拆除及安裝刀筒閘門(mén)，（內(nèi)六角圓柱頭螺釘M27×210，24顆；O形圈664×7，1條；風(fēng)炮及內(nèi)六角頭；內(nèi)六角及加力桿；螺紋膠；3 t葫蘆3個(gè)；2 t葫蘆2個(gè)；1 t葫蘆1個(gè)；），安裝過(guò)程中注意定位銷(xiāo)的安裝。刀筒閘門(mén)示意圖如圖3所示。

閘門(mén)安裝完成后，關(guān)緊閘門(mén)，隨后拆除刀筒封板。

人員出倉(cāng)流程同帶壓封堵刀筒時(shí)出倉(cāng)流程。

4 結(jié)語(yǔ)

研究基于南京市和燕路過(guò)江通道的實(shí)際工程應(yīng)用，研究并提出了一種帶壓更換刀筒閘門(mén)的技術(shù)。分析了項(xiàng)目中存在的難點(diǎn)，如地下水封堵、高粘度泥膜形成以及倉(cāng)內(nèi)氣壓的穩(wěn)定，為這些問(wèn)題提供了明確的解決措施，完善刀筒閘門(mén)的更換流程。本研究的成功實(shí)施，既保證了工程的順利進(jìn)行，又避免了因刀具磨損引發(fā)的大規(guī)模維修，提高了施工效率，降低了施工成本，對(duì)我國(guó)地下工程建設(shè)具有重要的參考和指導(dǎo)價(jià)值。

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