崔天麟 李建華 任 磊

(1.鄭州軌道交通有限公司 鄭州450046;2.中鐵隧道集團技術中心 洛陽471009)

盾構施工以其安全、快速、高效的特點，在城市地鐵市政管路等各類地下工程建設中得到越來越廣泛的應用由于盾構機刀盤刀具是損耗件，在施工中需經常檢查、維修保養(yǎng)和更換，當盾構機在硬巖或自穩(wěn)能力較強的地層中掘進時，可在常壓下直接開艙換刀;而當盾構在軟巖、富水地層掘進，特別是在砂卵石地層時，掘進刀具磨損嚴重，進艙對刀具進行檢查及更換是一項高風險的技術工作，在這類地層條件下對刀具進行檢查處理一般可采取三種方案:一是對前方土體進行加固后在常壓下進艙;二是從地面向下做豎井到刀盤前方進艙，第三種是將氣壓保持在開挖面穩(wěn)定狀態(tài)時進艙［1-2］。前兩種方法較為安全，但成本高、工期長，且地面有重要建筑物時可能無條件實施。帶壓進艙換刀操作難度較大，有一定風險，特別是在砂卵石地層中氣密性較差，帶壓作業(yè)易造成地面噴發(fā)而引起地表坍塌［3］，但因其成本低、工期短，如果采取適當?shù)拇胧┮?guī)避風險，則可產生較高的經濟效益。

1 工程背景

北京鐵路地下直徑線工程02標位于市中心區(qū)，隧道全長7 230 m，其中盾構隧道長5 175 m，采用一臺外徑為12.04 m的泥水加壓平衡盾構機掘進，隧道埋深在20～70 m，是目前國內在富水砂卵石地層中掘進距離最長的隧道。隧道主要穿越的地層為圓礫、砂卵石層等，一般粒徑為20～60 mm，大于20 mm的顆粒含量約占總重的65%，向西卵石粒徑逐漸加大，最大粒徑為650 mm。區(qū)間地下水位埋深為23.13～24.31 m，工程周邊環(huán)境復雜，沿線高樓林立，地下建(構)筑物、管線眾多，且盾構在該地層中單臺掘進5 175 m，因掘進距離長，需制訂合理、可行的換刀預案。依照掘進施工方案，每掘進300 m進行一次刀盤刀具檢查和更換，但有時某一區(qū)段盾構未到達加固點前，刀具已磨損非常嚴重，不得不更換，地面加固點實施條件非常困難，施工風險大，因此，研究帶壓進艙換刀技術成為北京大直徑泥水盾構長距離掘進必須突破的關鍵技術之一。

2 砂卵石帶壓進艙的風險分析及控制

2.1 帶壓進艙風險分析

1)帶壓進艙作業(yè)操作難度較大，處理不好，不僅會造成開挖面失穩(wěn)坍塌，而且會危及艙內作業(yè)人員的生命安全。國內盾構施工中采用壓氣法作業(yè)曾發(fā)生過坍塌事故，而國外在使用壓氣工法中，因操作不當造成隧道內的工人產生減壓病癥狀(如骨壞死、耳膜破裂、聽力障礙)等事故也經常發(fā)生。

2)直徑線盾構斷面大、換刀數(shù)量多、換刀時間長，增加了富水砂卵石地層不穩(wěn)定而引起地面坍塌的風險。同時，區(qū)間沿線地理位置特殊，地面環(huán)境復雜，施工時對環(huán)境影響的變形控制標準高。

3)壓氣壓力設定困難。對開挖面的任一部分作用的壓力大小相等，而隧道斷面大，拱頂與底部的水土壓力相差大，因此，以開挖面水土壓力為基準，對其所有位置都給予最適當?shù)臈l件很困難。

4)工程地質風險突出。砂卵石地層滲透性強，保壓困難，增加了帶壓作業(yè)更換刀具的難度［4］。

5)氣體逃逸通道多，堵漏密封困難，維持艙內氣壓平穩(wěn)困難，風險大。

2.2 施工風險控制

考慮盾構掘進沿線的地層條件、地面環(huán)境條件、工期和成本因素，采用泥漿封堵加壓進艙檢查刀盤刀具的方案。該方案對開艙換刀風險的控制措施如下:

1)液位保持在50%～60%，有效控制作業(yè)暴露空間，減小上下水土壓力差，設定合理的進艙壓力。艙內工作壓力的設定根據(jù)現(xiàn)場條件確定，過低則不能有效抵抗水土壓力，泥膜被破壞，地下水將滲入土艙內，同時帶入大量的流砂，掌子面穩(wěn)定性差，易造成坍塌事故;過高則壓縮空氣將沖開封堵的泥膜從地層中逃逸，易造成地面噴發(fā)事故;同時還須考慮工作人員的身體承受能力。

2)采用高濃度高黏度優(yōu)質泥漿，能有效形成高質量泥膜，封堵氣體逃逸。

3)帶壓進艙的關鍵在于保持艙內的氣壓穩(wěn)定，如果艙內氣體泄漏，使氣壓驟然變化，不僅會造成開挖面土體失穩(wěn)，而且會導致艙內工作人員產生氣壓病，危及生命安全［5］。因此，開艙前不僅要全方位地封堵氣體逃逸通道，而且要有可靠的供氣系統(tǒng)，通過空壓機不斷供氣來保持艙內氣壓穩(wěn)定。

4)由于砂卵石地層透氣性好，壓氣效果差，氣密性封堵困難，為確保帶壓換刀作業(yè)的安全，在地面有條件地段，采用地面深層注漿等一些輔助措施加固地層，降低地層的透氣性。

5)采取嚴密的監(jiān)控手段，對周邊環(huán)境進行監(jiān)控，防止發(fā)生地面塌陷和建筑物變形開裂事故。

3 進艙作業(yè)程序及技術要點

帶壓進艙作業(yè)關系到人員的生命安全，因此必須制定科學、嚴謹?shù)淖鳂I(yè)程序，并按預先制定的管理與控制程序執(zhí)行［6］(見圖1)。

圖1 進艙換刀工作流程

3.1 進艙準備

準備工作包括人員、材料設備和壓氣設備的檢查與試驗等工作。

1)人員準備。作業(yè)前須對操作人員進行必要的培訓，以達到如下幾方面的能力:

熟練使用各種換刀工具，具備一定的修理能力;全面掌握刀具安裝過程，具備熟練的操作能力;全面了解刀具布置，具備對刀具使用狀態(tài)做出合理判斷的能力;具備判斷待安裝刀具是否滿足安裝條件的能力。

刀具工程師根據(jù)以前刀盤的情況與刀具磨損情況提出刀具更換計劃。作業(yè)人員據(jù)此準備作業(yè)所需的刀具、工具，并把進艙作業(yè)所需工具、預計更換的刀具等放入人艙或艙外。

2)材料設備和壓氣設備。準備較大容量的空氣機，以加強壓縮空氣的供給，并連接好相關的管路、線路。

作業(yè)前檢查人艙內設備的完好性。檢查顯示儀、條形記錄器、加熱系統(tǒng)、鐘、溫度計、電話、緊急電話和閥等是否完好;檢查門密封面是否干凈、密封是否損壞，必須保證人艙內所有設備處于完好狀態(tài)。

3)高濃度泥漿制備。在新漿池拌制高黏度泥漿，并添加適量堵漏劑，泥漿黏度控制在90～100 s，比重為1.05。

3.2 刀盤艙氣密性封堵

砂卵石地層帶壓進艙的關鍵是保證刀盤前方周圍地層和刀盤艙能夠滿足氣密性要求，因此封堵效果及進行封堵的位置至關重要，只要盾構掘進面、盾殼周邊和盾尾后方的氣密性好，壓縮空氣不泄露、不逃逸，即使是掌子面地層未加固，帶壓進艙作業(yè)也是安全的，解決掘進面、盾殼和盾尾后方的氣密性問題是帶壓作業(yè)成功的關鍵。

3.2.1 氣體逃逸通道分析

帶壓作業(yè)時氣體主要有以下幾個逃逸通道:

1)掘削面向周圍地層漏氣。由于盾構穿越的地層以卵石土為主，地層孔隙率較大，若掘削面未能充分形成良好的泥膜，則壓縮空氣會向地層中逃逸造成漏氣。

2)盾尾密封刷漏氣。盾尾密封油脂注入量不夠，造成盾尾密封不嚴，壓縮空氣會沿盾尾向盾構機內逃逸。

3)管片接縫處向隧道內漏氣。同步注漿未充分填充管片壁后的空隙和地層，壓縮空氣沿管片壁后的空隙向后逃逸，管片拼裝時，若錯臺較大、破損、止水條脫落等缺陷造成管片接縫密封不嚴，則壓縮空氣會沿這些缺陷向隧道內逃逸造成漏氣。

4)盾殼周圍地層漏氣。降低液位后，盾殼上部的泥漿降低，使盾殼上部形成氣體逃逸通道，壓縮空氣將會沿盾殼上部向后逃逸;若盾殼周圍地層沒有良好的泥膜保護，壓縮空氣有可能向盾殼周圍地層中逃逸。

5)盾構設備本身密封不嚴造成漏氣。由于帶壓作業(yè)時需要將刀盤艙內的泥漿降低50%左右，盾構上部沒有泥漿，壓縮空氣直接作用在盾構的上半部分，使其沿盾構本身密封不嚴的艙門、管道、閥門等地方逃逸。

3.2.2 刀盤艙氣密性封堵措施

帶壓進艙前主要從4個方面盡可能地對刀盤艙進行密閉封堵，封堵壓縮空氣的逃逸通道，使刀盤艙形成封閉艙體，以減少艙內氣體的泄漏;一是檢查盾構本身的氣密性，包括人艙、氣墊艙門的密封性，同步注漿管路、中盾注脂孔、超前注漿孔、沖刷管等各個管路閥門關閉后的密封性，防止因盾構設備本身密封不嚴而造成漏氣;二是檢查加壓過程地面是否泄漏，特別是地質鉆孔位置，并對泄漏點進行灌水泥砂漿封堵;三是采取加大艙內泥漿濃度和泥水壓力的措施，使切口面土體盡可能形成較厚的泥膜，由于盾構掘進時引起的地層沉降和周邊建筑的變形較小，因而，氣壓作業(yè)封堵階段的泥水壓力設定為比刀盤中心位置的掘進壓力高30～50 kPa，使在切口面土體盡可能形成較厚的泥膜;四是采取在盾體前方、中部、盾尾向盾構周圍地層空隙中注入高濃度泥漿等措施，隔斷刀盤艙內壓縮空氣的逃逸通道。

注漿封堵集中在以下部位分步進行:

1)盾構到達換刀地點前的封堵。

①周邊地層封堵時，在掘進至進艙里程前15 m時，提高泥漿質量，制備比重為1.05、黏度為18～20 s的高質量泥漿來攜渣循環(huán)，以便在盾構開挖直徑的四周能滲透一定厚度的泥漿，形成良好的泥膜，從而填充帶壓進艙時土艙周圍土體的空隙，消除和減少盾殼周圍地層的氣體逃逸通道;②加強同步注漿量，保證同步注漿管通暢，能夠同時注漿，適當提高同步注漿壓力，但不得超過盾尾密封油脂的注脂壓力，使同步注漿充分填充管片壁后的空隙，并滲入地層的空隙中，隔斷壓縮空氣向管片壁后地層中逃逸的通道;③管片接縫漏氣封堵時，提高管片拼裝質量，避免管片破損或止水條脫落，確保管片接縫的密封性，防止壓縮空氣從管片接縫處向隧道內逃逸。

2)到達換刀地點的封堵。盾構到達預定的帶壓進艙換刀地點后，主要采取泥漿置換、向中盾及盾尾注入高濃度泥漿和堵漏劑的方法增加氣密性，封堵按照泥漿循環(huán)→盾尾注入高濃度泥漿→中盾壁后漏氣封堵→開挖面泥漿置換及漏氣封堵的步驟進行。從盾尾開始封堵，避免盾構切口封堵時泥漿向盾尾跑漿，使泥漿限定在盾殼周邊滲透。

①泥漿循環(huán)、泥水艙清理，首先進行泥漿循環(huán)，將刀盤艙內渣土循環(huán)出開挖艙，使開挖艙內全部為泥漿充填;②盾尾漏氣封堵，向盾尾注入高濃度泥漿，在地面攪拌站拌制高濃度膨潤土漿，并添加堵漏劑或細鋸末，泥漿比重控制在1.3以上，配比為膨潤土:堵漏劑:水=6∶3∶20(質量比)，通過同步注漿管路向盾尾脫出的管片壁后注入高濃度泥漿;③中盾壁后漏氣封堵，利用中盾預留的6個注脂口向盾殼背后注入高黏度泥漿，形成高質量泥膜，封堵高壓空氣泄漏通道;④開挖面泥漿置換及漏氣封堵，采取加大開挖艙內泥漿濃度和黏度的措施，向刀盤艙內置換高黏度泥漿，使切口面土體盡可能形成較厚的泥膜，增加刀盤前方氣密性較差的砂卵石地層的密閉性。

3.3 加壓，保高壓，形成泥膜

保壓的壓力必須高于預定的進艙氣壓，保壓按照開挖艙中心起始壓力起算，每間隔30 min提高壓力10 kPa，直至達到終壓(起始壓力30～50 kPa)即開始保壓，氣墊艙液位仍控制在50%;然后穩(wěn)定壓力3 h，使得刀盤艙內的高黏度泥漿充分滲入到地層中，以保證形成足夠厚的高質量泥膜，防止漏氣。

在加壓過程中，檢查以刀盤為中心、半徑為30 m范圍內的地面是否有泄漏，特別是地質鉆孔位置，并對泄漏點進行封堵。

在刀盤艙保壓期間，為防止盾殼周圍填充的高黏度泥漿流失，繼續(xù)向中盾壁后補注高黏度泥漿，發(fā)現(xiàn)氣墊艙液位上升即停止注漿。

3.4 減壓，降低液位

將氣墊艙液位保持在40%～50%，同時將氣墊艙內壓力逐步降低到刀盤中部位置的設定壓力(即進艙壓力)。降壓每次降低10 kPa，保持30 min，并觀察地面和盾尾情況。

保持氣墊艙內壓力不變，打開刀盤艙和氣墊艙的連通閥，使泥水艙和氣壓艙連通。通過排漿泵使刀盤液位逐漸降低到50%～60%，停止排漿泵并關閉泥漿門。

3.5 開艙確認及氣密性檢查

在地面進行沉降觀測時，檢查地面刀盤位置是否有氣體泄漏，以判定切口面是否穩(wěn)定;同時觀察艙內氣壓的變化情況，監(jiān)視空壓機的供氣情況。一般補氣量在10%以下時，具備進艙作業(yè)條件。

3.6 人員加壓進艙

進艙是指進艙人員和材料先進入人艙內，關閉艙門，按照加壓標準逐步加壓，由操艙人員把人艙壓力按規(guī)定時間加壓到設定壓力，使人艙壓力達到與氣艙相同的氣壓，確認兩艙壓力相等后方可打開人艙與氣墊艙的艙門進入氣墊艙。

人員進入氣墊艙以后，在確認泥水艙和氣墊艙壓力一致后，打開氣墊艙與泥水艙的艙門，進入刀盤艙開始對刀盤和刀具進行清洗。在清洗過程中，隨時觀察刀盤艙周邊及掌子面地層的穩(wěn)定情況。

3.7 帶壓進艙檢查

第一次開艙先由有經驗的專業(yè)工程師進入，鑒定艙內的工作狀況，主要對掌子面的地質情況和穩(wěn)定性進行檢查、確認，同時對刀盤、刀具的磨損情況進行檢查，以便確定換刀方案和各種帶壓換刀前的各項準備工作。

3.8 進艙作業(yè)

按預定方案進艙進行換刀、刀具緊固等作業(yè)。進艙作業(yè)注意不要破壞泥膜，如果破壞應及時調整泥漿修復泥膜，并經常觀察泥膜有無龜裂現(xiàn)象。同時，操艙人員與主機室人員要隨時觀察開挖艙壓力、液位的變化與補氣量的變化情況，必要時人員要退出，再次對刀盤艙重新置換高黏度泥漿，以確保進艙作業(yè)的安全、穩(wěn)定。

在作業(yè)過程中，如要轉動刀盤，人員和工具應全部撤出刀盤艙，退回至人艙，并關閉艙門，刀盤轉動時應最大限度地減少旋轉次數(shù)以減輕對開挖面的影響。刀盤停止后，在確認無漏水、開挖面保持穩(wěn)定后，人員再次進艙進行作業(yè)。

3.9 減壓出艙

在艙內作業(yè)完畢后，關閉土艙門前，對所有的刀具安裝質量進行檢查，并避免工具、雜物遺留在內。確認無誤后關閉艙門，人員進入人艙，按規(guī)定速率進行減壓出艙。

4 結論

通過施工中多次帶壓進艙的實施效果，結合本文對富水砂卵石地層大直徑泥水盾構帶壓換刀技術的研究，得出以下結論:

1)在地面環(huán)境無法采取加固措施時，對砂卵石地層采取泥漿封堵措施，可實現(xiàn)帶壓進艙換刀并滿足對刀盤艙的氣密性要求，較好地解決了長距離大直徑泥水盾構掘進過程中的帶壓換刀的氣密性難題。

2)砂卵石地層滲透性好，帶壓作業(yè)時氣體損失大，必須采取全方位的技術措施封堵氣體逃逸通道，才能維持艙內壓力的穩(wěn)定，確保作業(yè)人員的安全。

3)帶壓進艙1 ～2 次后，必須向中盾補注高黏度泥漿，否則有可能漏氣嚴重，使人員無法帶壓進艙。連續(xù)進艙5 ～8 次后，由于掌子面泥膜逐漸變薄，漏氣現(xiàn)象將逐漸嚴重。因此，必須根據(jù)掌子面泥膜的變化情況，對刀盤艙重新置換高黏度泥漿，以確保掌子面的氣密性，同時必須向中盾補注高黏度泥漿。

4)工程實踐表明，非加固區(qū)帶壓進艙引起地層和周邊環(huán)境的沉降較小，可滿足施工對周邊環(huán)境的沉降控制要求，最大限度地減少了對居民正常生活的干擾，突破了地面環(huán)境條件對換刀地點的限制，為長距離快速掘進提供了安全和技術保障。

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