鄒冠堯

（廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州 510010）

0 引言

進(jìn)倉換刀技術(shù)自問世以來經(jīng)歷3 個階段的發(fā)展：①在廣州地鐵1 號線短暫采用了泥水泥膜帶壓進(jìn)倉；②經(jīng)過數(shù)十年的泥漿發(fā)展，研發(fā)了超濃膨潤土泥漿，但這兩種泥膜均易剝落，無法滿足長時間作業(yè)要求，保壓情況下1～2 d 就必須修補(bǔ)；③在廣州地鐵三號線采用填倉法進(jìn)倉換刀，即用砂漿與水泥混合填入土倉，很容易出現(xiàn)盾構(gòu)被水泥漿糊住，在換完刀具后無法恢復(fù)掘進(jìn)的問題；最后施工人員又回到地面加固的老方法，但加固工期長、費(fèi)用高，很多停機(jī)位置處于建筑物或江河底下無法進(jìn)行地面加固，且部分地層即使加固了仍無法常壓進(jìn)倉，因此帶壓進(jìn)倉是不得不考慮的選擇［1-2］。

隨著盾構(gòu)隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展，如何尋找一種既能夠克服各種復(fù)雜的地面環(huán)境，在洞內(nèi)進(jìn)行處理；又能解決各種困難地層的開倉難題，已經(jīng)成為盾構(gòu)工程技術(shù)人員研究的重難點(diǎn)，經(jīng)過大量工程探索實(shí)踐，解決開倉作業(yè)難題的新設(shè)備、新材料、新工藝正不斷涌現(xiàn)。

1 常規(guī)開倉作業(yè)面臨存在問題及風(fēng)險

開倉作業(yè)有常壓作業(yè)和氣壓作業(yè)之分，主要根據(jù)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置地層條件、地面環(huán)境、工期要求、成本控制以及人的安全性等4個方面統(tǒng)一考慮。這4個因素本身是矛盾統(tǒng)一體，并沒有明確的規(guī)范指標(biāo)，只能通過現(xiàn)場工程技術(shù)人員綜合判斷，合理選擇。

1.1 地層適應(yīng)范圍不廣

極端惡劣的地質(zhì)條件，如洞內(nèi)處理，一般采用高濃度的泥膜護(hù)壁帶壓開倉工藝或填倉作業(yè)工藝，在海底、江底貫通地層、全斷面中粗砂地層、卵礫石地層、富水?dāng)嗔褞У葷B漏性極大的地層鮮有成功的案例。加之地面不具備加固條件后，開倉作業(yè)將異常困難。

1.2 開倉工藝選擇困難

方案選擇過程中，往往容易出現(xiàn)技術(shù)人員對水文地質(zhì)條件預(yù)判不準(zhǔn)，周邊環(huán)境摸查不清（如暗河、地質(zhì)鉆孔）或節(jié)約成本，搶工期等僥幸心理，導(dǎo)致選用工藝達(dá)不到預(yù)期效果，輕者重復(fù)處理，重者出現(xiàn)人員傷亡等事故。

1.3 輔助工藝質(zhì)量控制較差

不同的施工隊伍，其技術(shù)水平及質(zhì)量管控能力參差不齊，如常壓開倉地面加固或填倉法質(zhì)量較差，或帶壓開倉泥漿護(hù)壁工藝作業(yè)流程、標(biāo)準(zhǔn)均不統(tǒng)一，會直接影響開倉作業(yè)效果。

1.4 高危作業(yè)風(fēng)險極大

對于倉內(nèi)動火作業(yè)，一般能夠采用常壓條件進(jìn)倉，都不會考慮帶壓開倉。因?yàn)閹涵h(huán)境下，一方面必須嚴(yán)格保證開倉壓力的絕對穩(wěn)定，另一方面進(jìn)行焊接、切割作業(yè)將產(chǎn)生大量有害氣體、煙霧和粉塵等直接更容易危害人體健康。

2 冷凍刀盤常壓開倉輔助工藝

為克服當(dāng)前開倉作業(yè)存在的問題及風(fēng)險，華南某施工單位通過對盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行改造，并采用冷凍法施工原理，創(chuàng)新性提出了“冷凍刀盤及常壓開倉換刀作業(yè)工藝”，并在廣州淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粉細(xì)砂層中成功使用［3］。

“冷凍刀盤及常壓開倉換刀作業(yè)工藝”，即對盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)行改造，增加冷凍管路和冷凍設(shè)備，使得盾構(gòu)機(jī)刀盤鋼結(jié)構(gòu)變成一個“凍結(jié)圓盤”（等溫體），通過“凍結(jié)刀盤”，對隔倉內(nèi)土體及盾構(gòu)機(jī)周邊土體進(jìn)行凍結(jié)，使得周邊形成凍土帷幕，以達(dá)到常壓開倉換刀的要求。

2.1 冷凍管路設(shè)置及改造情況

首先對盾構(gòu)機(jī)刀盤、前體進(jìn)行改造，增加刀盤冷凍管路、盾體冷凍管路、主驅(qū)動保護(hù)管路、接管密封倉等（見圖1）。

圖1 冷凍刀盤改造總裝示意圖Fig.1 Schematic Diagram of General Assembly of Refrigeration Cutter Head Modification

冷凍管路分布在刀盤4 個區(qū)間，每個區(qū)間布置獨(dú)立的冷凍液進(jìn)、出回路；冷凍管路由φ89×8 mm 鋼管制作而成，從2∕3 截面處剖開，即用2∕3 斷面鋼管與刀盤體焊接（見圖2）。管路改造過程中，需重點(diǎn)保證冷凍管口的密閉性。

圖2 刀盤冷漿管路分布Fig.2 Cutterhead Cold Slurry Pipeline Distribution

2.2 凍結(jié)設(shè)計

⑴設(shè)計凍土帷幕厚度控制在0.5～1.0 m，平均溫度在-10 ℃左右，異型冷凍管分布于刀盤內(nèi)側(cè)12 個隔倉內(nèi)壁上，實(shí)現(xiàn)與鋼結(jié)構(gòu)密貼。冷凍管路在刀盤上實(shí)行四進(jìn)四出的鹽水循環(huán)方式（見圖3），盾構(gòu)機(jī)內(nèi)殼布置圓形整環(huán)2排冷凍管路，單獨(dú)鹽水循環(huán)，所有鹽水管路采用并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)［4-5］。

圖3 冷凍管刀盤鹽水循環(huán)Fig.3 Cooling Pipe Cutterhead Brine Circulation

⑵凍結(jié)站占地設(shè)計面積約80 m2，可放置于盾構(gòu)機(jī)后配套里。站內(nèi)設(shè)備主要包括冷凍機(jī)、鹽水箱、鹽水泵以及箱式變電站、清水泵和冷卻塔。

⑶冷凍法施工期間嚴(yán)格指定設(shè)備保護(hù)方案進(jìn)行保護(hù)，特別是主軸承等關(guān)鍵部件的保護(hù)。

⑷ 針對凍土發(fā)展，累計布置測溫孔33 個（見圖4）。其中，測溫孔分布在4 個區(qū)域隔倉、對盾構(gòu)機(jī)倉內(nèi)監(jiān)測保溫處理后冷凍對倉內(nèi)溫度的影響；分布在輔板外側(cè)中心縱深方向的測溫孔，監(jiān)測輔板垂直方向土體溫度變化及凍土發(fā)展情況；分布在盾構(gòu)機(jī)外殼前方邊緣與掘進(jìn)交接面斜45°方向的測溫孔，用于監(jiān)測交接面溫度變化及凍土發(fā)展情況［6］。

圖4 測溫孔布置設(shè)計情況Fig.4 Layout and Design of Temperature Measuring Hole

⑸積極凍結(jié)期鹽水溫度為（-28）～（-30）℃，維護(hù)凍結(jié)期為（-25）～（-28）℃，凍土帷幕交圈時間預(yù)計為20 d，達(dá)到設(shè)計厚度（0.5～1.0 m）的時間為30 d。

2.3 項目實(shí)施情況

2.3.1 項目概況

廣州某項目采用4350 泥水盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，在645 環(huán)停機(jī)，地質(zhì)補(bǔ)勘揭示盾掌子面為中砂及黏土，隧道洞身地層為〈3-2〉中砂層2.05 m、〈4N-2〉粉質(zhì)黏土2.05 m。隧道覆土12.20 m，上覆土層為〈4-2B〉淤泥質(zhì)土層和雜填土層，隧道地質(zhì)條件為全斷面軟弱地層，含水較豐富（見圖5）。

圖5 盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置情況Fig.5 Stop Position of Shield Machine

2.3.2 模擬分析

通過對停機(jī)位置相關(guān)參數(shù)模擬凍土的MISES 等效應(yīng)力、第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力分布由圖6可見，刀具更換時，在刀具位置附近凍結(jié)壁承受較大的拉力和壓力。取最大的拉、壓應(yīng)力（最危險截面與凍土的抗拉、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較），得出抗拉和抗壓的安全系數(shù)均大于2，凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性能滿足要求。

圖6 主應(yīng)力云圖（拉應(yīng)力）Fig.6 The Principal Stress Nephogram

2.3.3 工藝實(shí)施情況

冷凍刀盤常壓輔助工藝?yán)枚軜?gòu)機(jī)改造的冷凍裝備對刀盤外側(cè)土體形成凍結(jié)圈，抵擋周邊的水土壓力，同時結(jié)合開倉工藝步驟，形成整套的開倉作業(yè)流程，如圖7所示。

圖7 冷凍刀盤常壓開艙輔助工藝流程Fig.7 Auxiliary Process Flow for Normal Pressure Opening of Freezing Cutter Head

⑴凍結(jié)前施工準(zhǔn)備工作

①根據(jù)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置靜止水土壓力計算，可以求得切口水壓需保持在130～150 kPa之間；

②做好地表監(jiān)測點(diǎn)的布置工作；

③針對脫出管片壁后5 環(huán)管片進(jìn)行止水環(huán)注漿工作，避免盾構(gòu)機(jī)管片后發(fā)有流動水，影響凍結(jié)效果。

⑵凍結(jié)情況

本項目積極凍結(jié)一共12 d，其中，凍結(jié)后第8 d 開始進(jìn)行土倉內(nèi)氣體-渣土置換，第12 d達(dá)到凍結(jié)要求，具體情況如下。

①土倉內(nèi)氣渣置換：根據(jù)監(jiān)測土倉內(nèi)漿液溫度情況，把控冷凍發(fā)展，在20 min 內(nèi)把土倉大部分漿液置換為高壓空氣，凍期間切口水壓保持在138～150 kPa之間，置換完成繼續(xù)冷凍。

②分級降壓：積極凍結(jié)完成后，結(jié)合現(xiàn)場凍土監(jiān)測及確保掌子面情況（見圖8），經(jīng)初步分析凍土帷幕已形成，為驗(yàn)證冷凍效果，對土倉按照梯度110 kPa→80 kPa→50 kPa→0 kPa 分級泄壓并穩(wěn)壓后在土倉與外界有能量交換的條件下繼續(xù)冷凍，保持掌子面及拱頂冷凍體溫度仍穩(wěn)定降低。同時，在泄壓、常壓冷凍過程加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測。

圖8 對掌子面土體取樣效果Fig.8 Effect of Soil Sampling on Tunnel Face

③根據(jù)測溫監(jiān)測情況（見圖9），鹽水去回路溫度、溫差均達(dá)到設(shè)計要求，刀盤前方0.5～0.8 m 處凍土溫度已達(dá)到0 ℃以下，且已保持冷凍5 d，滿足安全開倉冷凍帷幕厚度達(dá)到0.5～1.0 m，至15 d，掌子面已結(jié)成具相當(dāng)硬度冰塊，根據(jù)數(shù)據(jù)綜合分析，已達(dá)到預(yù)設(shè)冷凍效果，綜合判斷允許開倉后，人員進(jìn)倉作業(yè)。

圖9 冷凍刀盤測溫變化情況Fig.9 Change of Temperature Measured by Freezing Knife Disc

⑶冷凍開倉前應(yīng)具備以下條件

①凍結(jié)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常并有備用。

②凍結(jié)壁厚度滿足設(shè)計要求。

③凍結(jié)體平均溫度低于0 ℃（根據(jù)試驗(yàn)的分析）。

④開倉施工所需人員、材料、工具、設(shè)備準(zhǔn)備就緒，相關(guān)安全、技術(shù)措施完善，并已完成安全、技術(shù)交底。

⑤隧道通風(fēng)滿足要求。

⑥通過盾構(gòu)開倉前條件驗(yàn)收。

⑷停止作業(yè)、關(guān)閉倉門的條件。開倉過程中出現(xiàn)以下情況應(yīng)立即停止作業(yè)，撤出人員、工具，關(guān)閉土倉門：

①溫度上升＞2 ℃∕d 且單點(diǎn)凍結(jié)帷幕溫度≥-2 ℃；（根據(jù)試驗(yàn)的分析）。

②地下水位持續(xù)上升至土倉底以上1.5 m；

③土倉內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定的征兆；

④土倉頂部及掌子面漏水（線漏）；

⑤鹽水泄漏；

⑥土倉內(nèi)作業(yè)人員身體出現(xiàn)不適，人員暈倒。

2.3.4 實(shí)施效果

進(jìn)倉后，工人穿戴防凍服及防凍手套，進(jìn)行刀具更換作業(yè)。期間，一共更換滾刀3把，耗時2 d，未發(fā)生任何異常，本次開倉作業(yè)成功。

3 衡盾泥泥膜護(hù)壁帶壓開倉

截止目前，“衡盾泥及其泥膜護(hù)壁帶壓開倉工藝”已經(jīng)在廣州、蘭州、廈門、福州、長沙、佛山等13個城市的近100 個項目上使用，成功解決了全斷面富水卵石層、海底塌陷地層、全斷面砂層、上軟下硬地層、突遇孤石、軟弱地層、溶洞地層特別困難條件下等帶壓開倉作業(yè)難題［7-8］。

3.1 衡盾泥材料特性

“衡盾泥”是采用改性黏土材料與塑化劑按一定比例混合反應(yīng)，產(chǎn)生具有一定強(qiáng)度、粘度和塑性的膏體。該材料具有隔水性好、黏附及裹攜性能強(qiáng)、具有一定的承載力等工程特性（見圖10），能夠用于盾構(gòu)施工隔水、加固、滯排的一種綠色環(huán)保材料。

圖10 材料的工程特性Fig.10 Engineering Properties of Materials

3.2 衡盾泥泥膜護(hù)壁帶壓開倉作業(yè)

“衡盾泥”材料呈軟塑狀，塑化稠度大，無法直接滲透進(jìn)入松散地層中。但是在密閉的土倉內(nèi)，通過少量多次的注入，一定的分級加壓作用下，將松散地層中存在的水強(qiáng)迫擠出，繼續(xù)將“衡盾泥”材料擠壓、劈裂并入到砂層空隙和裂隙中，及時封堵地層中漏水、泄氣通道并使其固結(jié)，達(dá)到改良砂層力學(xué)性質(zhì)的目的，以此來克服盾構(gòu)機(jī)在自穩(wěn)能力較差的富水砂層中進(jìn)倉作業(yè)的困難，其工藝步驟如圖11 所示［9-10］。

圖11 “衡盾泥”泥膜護(hù)壁帶壓開倉工藝流程及示意圖Fig.11 Process Flow and Schematic Diagram of“Balance Mud”Mud Film Wall Protection with Pressure Opening

3.3 應(yīng)用實(shí)例

3.3.1 工程概況

廈門某隧道跨海段左線盾構(gòu)機(jī)在全斷面強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖中掘進(jìn)，因突遇孤石及基巖突起，導(dǎo)致刀盤轉(zhuǎn)動一直伴隨較大異響，盾構(gòu)機(jī)顫動明顯，排出安山巖石塊占渣量一半以上，盾構(gòu)機(jī)被卡死，無法繼續(xù)掘進(jìn)。后發(fā)現(xiàn)盾體上方存在一塌陷區(qū)域，近似圓形，直徑15.0 m，基本覆蓋盾體區(qū)域（見圖12）。

圖12 塌陷位置平面及剖面情況Fig.12 Plane and Profile Condition of Collapse Position

3.3.2 衡盾泥泥膜護(hù)壁應(yīng)用情況

⑴準(zhǔn)備工作

①首先對塌方位置進(jìn)行塌陷區(qū)域探明范圍，采用頂部2 m 黏土裝袋回填處理后，繼續(xù)對探險區(qū)域注漿處理。

②對脫出盾尾后10 環(huán)進(jìn)行止水環(huán)施工，控制管片后方來水，同時利用徑向注漿孔對盾構(gòu)機(jī)筒體注入衡盾泥，使其包裹整個盾構(gòu)機(jī)。

③根據(jù)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置地質(zhì)、水文條件、潮汐等情況，合理計算該位置衡盾泥泥膜制作時開倉作業(yè)壓力，并確定衡盾泥分級加壓（保高壓）時的最高控制壓力［11］。

開倉作業(yè)壓力P=Pw＋Pr+P1

衡盾泥保高壓控制壓力P控=1.4（Pw＋Pr）+P1

式中：Pw為計算至隧道開挖中心的水頭壓力；Pr為考慮不同地質(zhì)條件、地面環(huán)境及開挖面位置的壓力調(diào)整值；P1為盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置當(dāng)日潮汐壓力的高值。

⑵ 泥水盾構(gòu)衡盾泥泥膜護(hù)壁工藝

①“漿漿”置換：首先派潛水員對艙底掉落的刀具進(jìn)行打撈，并關(guān)閉泥水倉與氣墊倉之間的閘門。利用同步注漿設(shè)備將衡盾泥從泥水倉隔板上的底部預(yù)留孔洞注入衡盾泥，頂部預(yù)留孔接管排出泥漿，按照注入量與排出量相匹配原則，保持泥漿壓力平衡。當(dāng)頂部排出衡盾泥時，認(rèn)為“漿漿”置換完成［12］。

②分級加壓：計算衡盾泥在高潮汐水位時的壓力為0.23 MPa，按照5 級進(jìn)行分級加壓（見圖13、圖14），即0.23～0.25 MPa，0.25～0.27 MPa，0.27～0.29 MPa，0.29～0.31 MPa，0.31～0.33 MPa。考慮該地層塌方過，較之原來工藝中提出每一級動態(tài)穩(wěn)壓2 h指標(biāo)，在本項目中，每級穩(wěn)壓時間必須嚴(yán)格控制在2 h 內(nèi)，壓力不下降0.01 MPa，最后一級必須穩(wěn)壓6 h壓力不下降0.01 MPa才能視為穩(wěn)壓成功。通過30日不斷注入衡盾泥，共計注入衡盾泥達(dá)37.5 m3，最終確保6 h 內(nèi)衡盾泥保高壓壓力下降不低于0.2 bar，視為“分級加壓”步驟完成［6］。

圖13 衡盾泥分級加壓示意圖Fig.13 Schematic Diagram of Grading and Pressurization of Balance Mud

圖14 分級加壓壓力變化曲線Fig.14 Pressure Change Curve of Step Pressurization

③漿氣置換：考慮衡盾泥充滿泥水倉后，其稠度很大，基本上處于軟塑狀態(tài)，現(xiàn)場無法利用泥水盾構(gòu)進(jìn)排漿管路排出，也很難利用同步注漿設(shè)備“反抽”排出，只能利用泥水盾構(gòu)雙倉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，打開人閘的前艙門后，人工進(jìn)入掏挖衡盾泥至氣墊倉，掏挖至衡盾泥液面至土倉高度1∕3 處停止并撤出。掏挖過程中，同步注入空氣，并確保壓力平衡。待人員撤出后，最后才分級降壓至開倉作業(yè)壓力。

④漿氣置換完成后，再次保壓12 h，在空壓機(jī)開啟的條件下，壓力不下降，視為可以人員進(jìn)倉作業(yè)。

3.3.3 項目實(shí)施效果

經(jīng)過接近30 d 的分級加壓作業(yè)，衡盾泥泥膜在海水環(huán)境下順利制成并具備開倉條件，初次壓氣進(jìn)倉檢查結(jié)果表明，刀盤切口環(huán)位置、刀盤背板位置衡盾泥材料覆蓋情況良好，泥膜效果非常明顯，倉內(nèi)無滲漏水現(xiàn)象。壓氣作業(yè)時間共計20 d，壓氣進(jìn)倉35 倉，更換滾刀14把。

4 結(jié)論

常壓開倉創(chuàng)新工法中，冷凍刀盤通過對盾構(gòu)機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造，并結(jié)合冷凍法的原理，創(chuàng)造能夠人員直接常壓進(jìn)倉的條件。本工法不僅解決了的特殊地質(zhì)條件下開倉作業(yè)難題，還能夠從根本上克服了動火作業(yè)等重大風(fēng)險作業(yè)，更重要的是體現(xiàn)了施工“以人為本”的安全思想。但是，本工法僅處于試驗(yàn)階段，還需經(jīng)過大量工程實(shí)踐的考驗(yàn)，不斷優(yōu)化設(shè)備改造及工藝指標(biāo)。

帶壓開倉創(chuàng)新工法中，“衡盾泥”泥膜護(hù)壁帶壓開倉技術(shù)，自2015 年首次使用以來，經(jīng)過各種困難地層及施工環(huán)境的檢驗(yàn)，其材料、設(shè)備、工藝均逐步趨于成熟，本工法不僅拓寬了帶壓開倉在不同困難地層中應(yīng)用范圍，而且通過各種泥膜制作指標(biāo)量化參數(shù)的管控，進(jìn)一步提高開倉作業(yè)的安全性及成功率。

作為開倉作業(yè)的輔助創(chuàng)新工法，工程實(shí)踐中，并不能完全套用，還需根據(jù)實(shí)際情況，合理選擇，才能確保開倉作業(yè)安全。