富水砂砾石复合地层土压平衡盾构气压开仓施工技术

2016-11-24董泽龙

城市道桥与防洪 2016年3期

关键词：土仓刀盘气压

董泽龙

（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市 200083）

富水砂砾石复合地层土压平衡盾构气压开仓施工技术

董泽龙

（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市 200083）

盾构在砂卵石地层中掘进刀具磨损严重，因此选择合适的时机进仓对刀具进行检查及更换就成了一项无法回避的任务。在盾构工法施工中，进仓对刀具进行检查处理大致有三种方法：一是加压进入土仓进行检查；二是对前方土体进行加固后在常压情况下进仓检查；三是从地面向下做竖井到刀盘前方从而实现对盾构刀具的检查和维修。通过介绍南昌地铁1号线一期工程土建二标盾构气压开仓施工情况，对盾构在富水砂层气压开仓施工技术进行探讨。

盾构；复合地层；气压开仓；富水砂砾石

0　引言

随着我国轨道交通的大发展，盾构施工遇到的地层也越来越复杂。盾构机在掘进过程中，经常会遇到刀具磨损需要更换，检查刀盘磨损或修补，泡沫管维修，处理掌子面前方的孤石或地面建筑物的桩基或刀盘泥饼等情况，这时就需要进行盾构开仓施工。

盾构机在掘进过程中开仓方式主要有两种:第一种是在地层自身稳定，情况良好，或者经过降水或加固后地层稳定性好的情况下常压直接开仓。该方式最为简便，而且成本最低，但只适用于土体稳定、地下水较少、有较高自稳性的地层。根据经验提前加固，实际的操作也比较简单，但加固成本较高，施工工期长，同时这也在对地层的预判、刀具或刀盘情况的把握、地面建筑物的影响等方面提出了较高的要求。往往刀具在没有到达加固区已经磨损，往往需要被动地进行开仓施工，如此时正好在不具备加固条件的地层，如隧道上方有构筑物，或正处于交通繁忙的道路，则不容易实现开仓施工，因此有一定的局限性。第二种是气压开仓施工，适用范围较广，对盾构设备、开挖面、地面建筑物及周边环境等影响较小。因此，在上软下硬、孤石、软弱土层中掘进时，地面条件苛刻，不利于组织施工的情况下，气压开仓施工是施工中最好的选择。

在富水砂砾石复合地层气压开仓施工过程中，存在着气压建立、砂土气压置换和地层漏气量大保压困难等诸多难题，这些就对气压施工提出了很高的要求。本文对南昌地铁某标段在富水砂砾石地层建筑物下方的气压开仓更换刀具施工进行总结。

1　工程概况

南昌轨道交通1号线一期工程某标段在富水砂砾石复合地层（上软下硬地层，上部为富水砂砾石地层，下部为中风化泥质粉砂岩）施工了213环后，发现盾构机刀盘扭矩增大，刀盘频繁出现卡死，渣土温度高、掘进缓慢的情况。经过分析，认为刀具已经发生了大的磨损，需要进行开仓检查进行更换。此处地层刀盘下部4 m范围为中风化泥质粉砂岩，上部为透水性高（8E-2 cm/s）的富水砂砾石地层。

盾构机的停机位置位于一栋11层建筑物的下方，盾构机顶部距离建筑物桩基底部仅49 cm，地面无法进行有效加固和降水。为了确保建筑物的安全，事先对建筑物及开仓的位置进行双液浆加固，以降低盾构机气压开仓过程中由于突然失压造成地面塌陷给建筑物的安全带来的风险，加固完成后进行气压开仓施工。图1为盾构气压开仓平剖面图。

2　盾构机气压施工原理及流程

盾构机气压开仓施工的工作流程是：对刀盘前方开挖面土层经过膨润土或者水泥砂浆改良加固处理后，在保证刀盘前方和盾构机周围地层、盾构机螺旋机及盾尾满足气密性要求的条件下，利用空压机将压缩空气通过泡沫系统管路或者其他备用管路注入土仓，在保证压力的条件下逐步置换土仓内土体，以气压代替土压，通过在土仓内建立合理的气压来平衡刀盘前方水土压力，达到稳定掌子面和防止地下水渗入的目的。施工人员在气压条件下，安全进入土仓内进行检查、维修保养和刀具更换等作业[2，3]。

图1　盾构气压开仓平剖面图

利用气压代替土压从而平衡掌子面的水土压力，气压对掌子面的平衡稳定作用，可大致分为三种：（1）可抑制或减小来自开挖面的涌水，防止开挖面坍塌；（2）气压作用于掌子面，能够加强掌子面的稳定；（3）气体压力对地层缝隙起到排挤水的作用，增强了粉砂、砾砂、含有粉砂黏土成分等砂质土的强度[4]。

3　气压施工的前期准备工作

气压施工的前期准备工作对整个气压施工能否安全顺利起到至关重要的作用。前期的准备工作主要有设备、人员和物资材料三个方面。

3.1设备的准备工作

（1）气压施工中设备的好坏直接关系到整个压气作业的安全与成败。以海瑞克盾构机为例，两台10 m3空压机要预先进行彻底的保养和维护，另外需配备一台10 m3以上的内燃式空压机，使其与盾构台车气压管路连接完好，确保电力中断时的紧急使用。一般空压机自身的压力设定应为7～8 bar，盾构机气压施工时的管路压力可通过盾构机设备自身的调压阀设定为5 bar。

（2）土仓气体自动补偿系统（samson系统）是压气作业的核心设备，它是用来稳定土仓内压力的核心设备，它的维护和调试，必须由专业人来完成，并且自动补偿系统的预先补气测试一定要反复测试数次方可确认下来，同时应出具检测合格证明。

（3）盾构机自身气密性的检查：a.气压仓密闭性的检测一般需要向关闭的人闸室压入大于2.0 bar以上的压缩空气，停止压气后，通过装在气压仓门上方的气压仪表观察气压仓内的气体泄漏速率。一般在1 h内气压值下降小于0.2 bar为合格；b.螺旋输送机闸门的密闭性至关重要，由于在整个土气置换过程中只有它是反复开闭的，它的即开即闭一定要到位。

（4）各仪表管路等准备：各空气管路、胸板上的闸门可靠性的检查确认及维护；各仪器、仪表、流量计数值精确性要进行检查确认和维护；操仓人员所使用的加、减压缩空气的手动流量阀及流量计，观察压力仪表的可靠性和精确性必须由操仓人员反复使用、调试。

（5）通信设备的准备：仓内、仓外、操作室，地面指挥中心的通信设备一定要自成绝对的独立系统，确保通信畅通无阻。

（6）地面还要准备一台200 kW以上的内燃发电机，与盾构后配套设备相连，以防电力中断时使用。

3.2人员和操仓手准备

（1）专业的操仓医生或潜水员操作手是施工和进仓作业人员生命安全的有力保障。

（2）压气环境是一种特殊环境，对人的身体要求比较高，患有某些疾病的人员是不能够参加压气作业的，如上呼吸道疾病、慢性中耳炎、慢性肺炎、支气管炎、高血压、消化道出血者、鼻炎、关节炎等。通常要经过两层筛选来确定进仓人员，一是经过正规医院体检的初次筛选，二是合格后的人员再到盾构设备的气压仓内，进行加压试验和适应性测试，只有通过上述两项检查合格的人员才能进行压气作业。

（3）心理素质对气压施工人员十分重要。很多人员身体素质好，但他们对气压作业存在着恐慌、害怕心理。通过气压操仓医生、熟练的压气作业人员及项目部管理人员对他们详细讲解相关知识，化解恐慌和疑虑，使作业人员数量充足，确保施工的稳定性。

3.3工具及物资准备

由于气压作业是在非常压下进行的，施工中有很大的局限性和不可调整性，所以就需要对将要使用到的换刀工具，水、电、气的进仓，照明设施的安全接入，换刀物资储备等进行详细周密的计划和储备，越详实越好，宁多勿缺。

4　气压开仓施工关键环节

4.1压力设定

在气压开仓施工过程中，既要确保掌子面的稳定，又要保障作业人员的身体健康，因此气体压力值的设定尤为重要。气压开仓关键是要确定气压的下限，长时间气压施工中压力高可能会使地层内漏气通道被打开，造成地层漏气，给后续施工带来很大风险；另外，气压值越小，对作业人员生理健康越有利，劳动效率越高，单班持续工作时间也越长。

选择压力的方法因覆土厚度、地层渗透性、隧道直径、地下水埋深而异。理论上，如图2所示，土仓气压值应根据空仓底部（即图2中A点，一般为半空状态）的水土压力值来确定。

图2　气体压力的选择

一般透水性地层气压开仓施工气体压力值的设定采用下面的水土分算公式计算：

式中：P下限为土仓气压设定值，kPa；k为安全系数，一般K＞1；γ水h水为空仓底部水压（刀盘中心位置）；e侧为空仓底部土层侧压力。

从南昌地区多次成功气压开仓经验来看，由于掌子面地层脱水和较小的刀盘开口率，加之泥浆护壁作用使其前方土体自稳性提高，侧向土压力可以不考虑，因此，南昌地区富水砂砾石地层土压平衡盾构气压开仓施工可按以下经验公式计算所需气压值：

式中：k为气压的取值系数，0.9≤k≤1.2，在气压开仓初期，k值一般取上限，后期应逐步降低到1，但不应低于0.9。

4.2土工系统准备

（1）到达开仓位置后从盾构中盾每一个注浆孔注入膨润土，膨润土注入完毕后，在距离盾尾第5环到第7环进行系统双液浆。所有注浆孔必须全部开孔注浆，确保壁后填充充实。

（2）通过盾体上部的注浆孔向内注入膨润土，加强盾体处的气密性，同时也隔断了盾体内外的气体逸出通道。

（3）通过膨润土浆液稠度试验确定膨润土浆液的配比。带压换刀对膨润土稠度的要求是120 s左右，通过膨润土稠度仪进行测试。在确定膨润土浆液的配比后，根据盾构机推进情况，在盾构推进换刀位置24 h之前拌制膨润土。

（4）开仓换气：开仓前，利用空压机从泡沫系统的管路向刀盘前面吹入压缩空气，土仓内原有的保压系统管路作为排气通道，排风道盾构机后配套尾部，形成循环，置换土仓内的气体；开仓后，土仓内的空气循环主要是通过空压机向仓内输入压缩空气，并将土仓内原有气体排出，形成循环，保证土仓内的空气质量。洞内通风主要利用洞外的压入式通风机供风，形成循环，洞内和舱内通风时需进行气体检测，保证作业人员的安全。

4.3砂浆置换土体

砂浆置换土体目的：一是置换仓内土体；二是降低仓内温度；三是盾构机后退，在刀盘前方形成泥膜。表1为置换土体砂浆配合比。

表1　置换土体砂浆配合比

首先将同步注浆1号管路接到土仓前壁右上方加泥加水孔。置换土体时将盾构机推进油、缸全部收缩15 cm。注浆过程坚持“等量替换、土压不变”的原则。

4.4气压置换

土仓内压力稳定后，进行气体置换土体。首先关掉泡沫系统的液体球阀，只利用1#、3#泡沫系统的供气管路往土仓内加气。管路供气量1 200 L/min，控制1#土压2.1 bar进行出土，出土完成后开启盾构机保压系统，维持仓内压力在1.8 bar。

4.5进仓前压力试验

试验时不要求人员进入，只进行无人压力试验，以检查主舱与副仓的各功能部件在试验压力下的工作情况。

（1）关闭主舱仓门和舱壁密封门，并关闭主舱与副仓之间的密封门。人闸值班员缓慢地打开进气阀，提高主舱的压力，均速加压。根据带压工作减压表设定速率，因为压差太大会导致作业人员中耳鼓膜破裂。观察主舱压力表和进气仪表的数值。

（2）打开排气阀，开始排气。为了作业安全，压力不可以再次大幅度升高，再调节进气阀和排气阀，直到达到排气过程所规定的缓慢而恒定的压力降低速度，进气流量计的流量值每人至少为0.5 m3/min，以保证正常呼吸。

（3）观察主舱压力表，当主舱内部的气压降到第一级压力值时，人闸值班员通过调节排气阀和进气阀，在规定的时间内保持压力恒定。如此慢慢重复减压，直到仓内压力与外界的常压相同。

（4）人闸值班员将加压和减压试验过程中数据记录在人闸记录本上，同样的方法进行副仓的压力试验，在整个试验过程中必须保证所有的过程都正常。

（5）为保证带压作业人员身体安全及健康，每位施工人员在仓内连续作业不得超过3 h。

4.6土仓作业

作业人员在土仓工作期间由自动保压系统供气，保证土仓内气压保持在设定值，作业期间必须随时检查气体流量计以保证土仓的通风效果，将废气排出。土仓内作业采用轮班制，到达规定时间时，需迅速离开土仓和主舱，进入人仓副仓，关闭好主副仓之间的仓门，再进行副仓降压，撤离出压力舱。

（1）清理刀盘及刀具检查

在清理刀盘前确保人员仓刀盘现场控制完好，在进行刀盘清理和换刀时要有合理的结合，尽量减少刀盘的转动；操作人员熟练掌握现场操作技能。如用高压清洗机对刀盘进行清洗，在清洗时应尽量减小对上部的掌子面泥膜的影响（掌子面下半部为岩层，上半部为砂砾石层），从刀盘的中部向周边冲洗，保证高压清洗机喷口朝下冲洗，不要冲洗刀盘开口，并且尽量避免对上部掌子面的影响，通过向一个方向转动刀盘，实现对整个刀盘的清洗。待清理完后由机电工程师对仓内的刀具、刀盘照相，并检查刀具磨损情况，看看是否产生偏磨，确定偏磨量，刀具轴承是否损坏；对于刮刀则看看合金钻头是否磨损；对所有的刀具螺栓都应检查，如有松动则必须重新紧固。同时检查刀盘是否结泥饼，如有结泥饼采用机械清理。

（2）刀具更换

a.根据检查刀具磨损情况,对磨损量为25 mm以上的中心刀和正滚刀、磨损量为10～15 mm的边滚刀进行更换；

b.根据检查刀具磨损情况，对刀具偏磨或轴承损坏严重，刮刀的合金钻头磨损厉害的，则对其进行更换；

c.换刀过程中必须明确所需更换刀具的编号及换刀步骤，必须将拆下的螺栓、垫圈、螺母、压块等集中放置在工具箱里；换刀工作完成后，将土仓内所有的杂物清出来，再由专业人员对刀具安装质量进行检查确认，确保刀盘修复完成后，盾构机能恢复正常掘进。