程新軍

(中鐵十六局集團 北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100)

1 工程概況

南水北調(diào)穿黃工程位于河南省鄭州市上游約30 km處，穿黃隧洞全長4 250 m，其中穿越黃河主河道長3 480 m，雙洞平行布置，中心線間距為28 m，各采用1臺泥水加壓平衡盾構(gòu)機自北岸豎井始發(fā)向南岸掘進，穿黃隧洞最大埋深35 m，最小埋深23 m;斷面最大水壓為450 kPa。穿黃隧洞管片外徑φ 8 700 mm，內(nèi)徑φ 7 900 mm，厚400 mm，環(huán)寬1 600 mm，最大單塊質(zhì)量為6.5 t，采用7等分管片分塊形式(見圖1)。

圖1 穿黃隧洞形象示意

2 換刀方案

南水北調(diào)穿黃工程由于一次掘進距離長，盾構(gòu)機刀盤磨損問題嚴重，根據(jù)穿黃工程的地質(zhì)特點及特殊性，經(jīng)研究討論確定采用常壓修復刀盤的方案。

盾構(gòu)機埋深29 m，地面至28 m深處為高透水的中砂層，盾構(gòu)機上方1 m的粉質(zhì)壤土以上即為穩(wěn)定性差，透水率高的砂層;刀盤全斷面為粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)壤土，雖然有較好的隔水性，但是長時間暴露在高水土壓力中的粉質(zhì)壤土的穩(wěn)定性仍然不能保證。為防止在掌子面開挖和盾構(gòu)常壓修復刀盤作業(yè)時地下水滲透到盾構(gòu)刀盤工作區(qū)域，造成刀盤周邊涌水及土體塌方，我部在盾構(gòu)機周邊施作一道攪拌樁防滲墻作為止水帷幕，并對盾構(gòu)刀盤前部和尾部周圍土體進行加固，加固采用三軸攪拌樁，加固全部完成后，又在止水帷幕內(nèi)外對土體進行了降水。降水完成后再進行掌子面的開挖支護，最后在常壓下進行刀盤修復及刀具改造的施工。

3 風險分析

盾構(gòu)機刀盤所處位置地質(zhì)條件相對較差、埋深較大、水土壓力高，容易發(fā)生以下風險。

3.1 涌水涌沙事故

1)易發(fā)生時間:掌子面開挖期間，刀盤修復期間。

2)發(fā)生形式:①在對掌子面的刀盤修復空間進行開挖時，掌子面或開挖空間頂部發(fā)生透水，導致盾構(gòu)頂部28 m的水攜帶大量沙涌入開挖空間，造成較大事故。②在刀盤修復期間，如果地面降水設(shè)備出現(xiàn)故障，或因為其它原因，導致地下水位突然升高，開挖空間的支護襯砌承受的水土壓力突然增大，外部水土有可能尋找支護襯砌的薄弱點突破并大量涌入開挖空間內(nèi)。

3.2 掌子面拱頂塌方

1)易發(fā)生時間:掌子面開挖期間。

2)發(fā)生形式:開挖空間頂部僅0.5～1.0 m厚的粉質(zhì)壤土承受不住上部的水土壓力而向開挖空間內(nèi)部坍塌，導致上部地下水及砂涌入開挖空間。

3.3 支護垮塌

1)易發(fā)生時間:開挖支護期間、支護完成后尚未穩(wěn)定時、刀盤修復期間地下水位突然升高時。

2)發(fā)生形式:①開挖支護期間，支護順序及支護方法不當或拆除臨時支撐順序不當、未支護完成的部分暴露時間過長有可能引起支護垮塌，造成整個開挖空間的坍塌。②前一步支護剛剛完成尚未達到穩(wěn)定狀態(tài)，并未具有足夠的承載能力時，錯誤拆除支撐或盲目進尺，容易引起未穩(wěn)定的支護垮塌，如果有連帶作用，整個開挖空間將發(fā)生垮塌。③在刀盤修復期間，如果地面降水設(shè)備出現(xiàn)故障，或因為其他原因，導致地下水位突然升高，開挖空間的支護襯砌承受的水土壓力突然升高，支護襯砌受力不合理，容易導致支護的垮塌。

3.4 高空墜落

1)易發(fā)生時間:掌子面開挖期間、刀盤修復期間。

2)發(fā)生形式:由于掌子面開挖空間較高，內(nèi)部鋼支架較多，而工作人員需經(jīng)常性上下，容易發(fā)生高空墜落事故。

3.5 有害氣體中毒

1)易發(fā)生時間:刀盤修復期間。

2)發(fā)生形式:刀盤修復需要大量動火作業(yè)，包括氣割、焊接等，在動火作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量有毒有害氣體，比如二氧化碳、一氧化碳等，如果通風條件不好，工作人員長時間在此環(huán)境中作業(yè)，容易氣體中毒，昏迷、暈倒、甚至有生命危險。

3.6 觸電

1)易發(fā)生時間:刀盤修復期間。

2)發(fā)生形式:刀盤修復過程中需要使用大量機械設(shè)備，通電線路雜且多，又因為刀盤修復空間狹小、通道狹窄，過往人員及設(shè)備較多，因此容易發(fā)生電線或機械破損漏電，而盾構(gòu)機均為導電性好的鋼結(jié)構(gòu)，從而容易發(fā)生觸電事故。

3.7 爆炸

1)易發(fā)生時間:刀盤修復期間。

2)發(fā)生形式:①刀盤修復所用氧氣乙炔等易燃易爆物品，一般會分類集中擺放，且使用頻率高。如果氣瓶、氣帶等發(fā)生漏氣，濃度達到一定限度后遇火即會發(fā)生爆炸。②修復焊接動火作業(yè)較多，作業(yè)時的火苗、飛濺的焊渣等容易落到易燃易爆品上，如氣瓶、氣帶等，從而燒破氣帶引起火災或爆炸。

4 風險控制

4.1 攪拌樁防滲及加固

為防止有較高壓力的地下水進入刀盤開挖空間，形成大量涌水涌沙，并減小水土壓力對刀盤修復空間的影響，防止開挖空間坍塌，我部在盾構(gòu)機四周設(shè)置一圈止水帷幕，其中盾構(gòu)機前方和兩側(cè)各施作一道攪拌樁防滲墻，加固深度為42 m，采用單排三軸攪拌樁套打施工，盾構(gòu)機后部防滲墻采用單排三軸攪拌樁，加固深度為28.5～42.0 m，緊貼其所在位置的已成型隧道，盡量減少過水通道。

為防止掌子面開挖期間和常壓修復及改造刀盤時，刀盤上方和前方土體失穩(wěn)，對開挖空間造成較大壓力，造成整個空間坍塌，我部對盾構(gòu)機前方土體進行三排攪拌樁加固，加固深度為42.0 m，對盾構(gòu)機前盾上方范圍施作7排攪拌樁加固，加固深度為28.5 m，以增強此處土體的穩(wěn)定性、隔水性及強度。

4.2 防滲墻內(nèi)外降水

1)降水目的:①通過降水及時降低加固區(qū)域范圍內(nèi)土體的地下水位，防止高壓水進入開挖區(qū)，滿足加固區(qū)域刀盤前方開挖、支護等施工的要求。②降低開挖區(qū)外的水土壓力，防止掌子面開挖和刀盤修復期間發(fā)生涌水涌沙、塌方、開挖支護垮塌的現(xiàn)象。③通過降水降低加固區(qū)域內(nèi)外側(cè)土體主動土壓力，減少攪拌樁變形，提高樁體穩(wěn)定性，縮小對周邊環(huán)境的影響。④降低刀盤修復區(qū)域的地下水，為刀盤修復提供安全作業(yè)環(huán)境。

2)降水井布置(見圖2)

圖 2 中，普通降水深井中 1#，2#，3#，4#，5#，10#，11#，13#降水井深 40 m，7#，8#，12#降水井深 50 m，6#，9#降水井深28 m;觀測井中 1#為28 m 深，2#，3#為 40 m深，4#為50 m深;真空降水井沿盾構(gòu)機兩側(cè)各布置4口，深40 m。

三個區(qū)域布置深井降水井:1區(qū)為攪拌樁防滲墻內(nèi)側(cè)即盾構(gòu)機頭上部，目的為疏干防滲墻內(nèi)砂層中的地下水，同時對粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土層也起到一定的疏干作用;2區(qū)為盾尾，將地下潛水水位降至20 m以下，最大程度地減小防滲墻外地下水向墻內(nèi)滲透的壓力;3區(qū)為盾前即盾前加固區(qū)外側(cè)，主要用于降低砂巖層的承壓水水位。

真空深井降水布置:布置的真空降水井主要以疏干黏性土層水為目的，根據(jù)攪拌樁加固情況，真空井布置在盾構(gòu)機身兩側(cè)與攪拌樁之間，以高度真空的方式疏干黏性土層的孔隙水，保障盾構(gòu)機頭開挖洞室的穩(wěn)定及施工人員的安全。

4.3 換刀作業(yè)面開挖

1)開挖范圍(見圖3)

根據(jù)經(jīng)驗確定的刀盤修復空間為刀盤90°開口范圍內(nèi)的土體，同時向刀盤外邊緣擴展1.0 m，以滿足對刀盤外緣耐磨條的修復。在隧道軸線方向上，向刀盤面板前方開挖1.3 m，向刀盤面板后方開挖1.2 m，總開挖長度2.5 m。

圖2 常壓換刀降水井布置(單位:cm)

圖3 擬開挖空間橫斷面示意(單位:cm)

2)開挖方法

盾構(gòu)所處位置刀盤前方土體主要為粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土及鈣質(zhì)結(jié)核的膠結(jié)物。開挖空間最大跨度為10.68 m。根據(jù)上述條件，同時考慮施工的安全性、易操作性，確定開挖方法采用中隔壁法。

3)支護方法

刀盤修復及換刀工作持續(xù)時間較長，需要一個穩(wěn)定持久的開挖空間，而且掌子面土體較不穩(wěn)定，有可能存在較豐富的地下水。因此，我部采用隧道施工中的新奧法對掌子面進行支護。

開挖采用噴射混凝土、錨桿、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護，但不做二次襯砌。

①本次鋼拱架榀間距取0.5 m，共設(shè)5榀，鋼架選用I20a工字鋼;②鋼架連接筋:HPB235，φ20 mm，連接筋環(huán)向間距為1.0 m，交錯布置;③本次支護錨桿間距1 m，長度3 m，拱、墻均布置，而且在背面周邊布置。沿鋼拱架邊緣呈梅花形布置。鎖腳錨桿采用φ20 mm藥包錨桿;④采用的噴射混凝土設(shè)計厚度為28 cm，設(shè)計強度等級為C20;⑤支護鋼筋網(wǎng)采用 φ8 mm鋼筋，鋼筋網(wǎng)格尺寸為15 cm×15 cm，拱、墻布置。

4)支護形式(見圖4)

5 刀盤修復安全措施

5.1 通風(見圖5)

通風的主要作用為置換污濁空氣、稀釋有害有毒氣體、降低溫度等，結(jié)合本次常壓下修復刀盤的工作實際情況，設(shè)計通風方式為送風和抽風相結(jié)合的方式。經(jīng)過計算選取合適的通風機、風管，并對其進行布置，在隧道內(nèi)設(shè)置中繼風機。

圖4 支護整體橫斷面示意

5.2 焊接安全保障措施

1)施工用電符合《施工現(xiàn)場臨時用電安全技術(shù)規(guī)范》JGJ 46—2005。

2)電焊機械應(yīng)放置在防水、干燥和通風良好的地方，并應(yīng)有可靠接地。焊接現(xiàn)場不得有易燃、易爆物品。

3)焊接時，焊機的連接線要盡可能近地連到焊接點上。焊機連接線絕對不能被連接到盾體上，因為這樣的連接方式使焊接電流直接穿過刀盤主驅(qū)動，將導致刀盤主驅(qū)動的損壞。

圖5 工作面通風示意

5.3 有毒氣體監(jiān)控措施

1)每日工作前和工作中，定時對工作空間、隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量進行抽檢，準確測定作業(yè)環(huán)境空氣中的氧氣濃度(不低于18%)和有毒氣體的含量，根據(jù)測定結(jié)果采取相應(yīng)措施，并記錄所采取措施的要點及效果。

2)在工作時如檢測出氧含量不足或有毒氣體超標，應(yīng)及時停止焊接施工，加大通風換氣的量，必要時佩戴防毒面具。

3)監(jiān)測人員必須裝備準確可靠的分析儀器，并且應(yīng)定期標定、維護。

4)專人負責監(jiān)控空氣質(zhì)量，以保證能及時采取相關(guān)措施。

5.4 隧洞內(nèi)燃燒和焊接事故的處理

在隧洞施工過程中，要著重考慮避免某些材料燃燒而發(fā)生中毒或帶來火災的危險情況。建立以下預防及應(yīng)對措施:

1)配備完善的消防器材。

2)對明火范圍內(nèi)若有易燃物品需進行認真清除，施工完畢不能有剩余火種。氧氣、乙炔、易燃易爆物品的放置必須符合防火規(guī)定。

3)進行焊割作業(yè)時，須將作業(yè)時產(chǎn)生的廢氣和散發(fā)的有毒氣體及時排到隧洞外，同時在作業(yè)處裝置有毒有害氣體的測試設(shè)備，如發(fā)現(xiàn)有害氣體濃度超過規(guī)定，馬上采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，組織人員安全撤離。

4)電焊機必須一機一閘并裝有隨機開關(guān)。一、二次電源接頭處有防護裝置，二次線使用線鼻子。

6 結(jié)語

經(jīng)過上述安全技術(shù)措施的有效實施，穿黃盾構(gòu)機刀盤修復系列工作施工期間，未發(fā)生任何安全事故，并保證了施工質(zhì)量及進度。

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