1、复杂地质中盾构带压换刀施工技术探析 冯宏朝 王少鹏 摘 要 随着城市地铁的快速发展，盾构隧道施工以其开挖速度快、对地面建筑物影响小、节能环保等优点得到广泛应用。当盾构机在软弱土层、砂层、卵石、上软下硬等特殊复杂地质中进行刀具检查更换存在重大安全风险，本文结合深圳地铁 7号线西丽湖 西丽区间带压换刀施工的具体工程实例，分析总结土压平衡盾构机在复杂地质中检查、更换刀具的方法，经实践证明该技术可降低施工安全风险、提高施工效率，保证工程的顺利贯通，为类似工程建设提供借鉴。 关键词 复杂地质 土压平衡盾构机 带压换刀 施工技术 1 前 言 在盾构机掘进施工中，由于刀盘旋转，通过刀具在地层中不断切割土体而
2、前进，不同的地质刀具会发生不同程度的磨损，当磨损量过大时，将造成盾构无法掘进，需要根据情况开仓进行刀具检查和更换。人员进仓作业，一般分为两种方式，即带压开仓和常压开仓。常压开仓在围岩自稳性良好或土层加固良好，不易发生透水、坍塌的地层中进行。而当地面加固条件受限，且地层自稳性较差，无法进行常压开仓时，为保证人员、设备的安全，同时在计划时间内快速、安全地实现开仓作业的目的，借鉴国内以往类似地层刀具检查更换的经 验，采取了带压进仓进行作业。 2 工程概况 深圳地铁 7 号线西丽湖站 西丽站（简称西西区间）左线长度 1662.077m，右线长度1752.073m，采用直径 6250mm 复合式土压平衡
3、盾构机进行掘进施工。西西区间 位于深圳市南山区 ， 台地地貌，地形稍有起伏，地面高程一般为 EL13.10 EL28.00m。该段区间隧道穿越 地质主要为 粗砂、 砾砂、 砾质粘性土、砂质粘性土、粉质粘土 ，以及 全、强、中、微风化花岗岩和全、强风化花岗片麻岩等地层。受区域构造影响， 部分 基岩节理裂隙发育，中、微风化花岗岩均较破碎，地下水 丰富，水位均 高于隧道顶部， 总体 地质条件较差。 3 施工前准备 3.1 开仓换刀点位置选择 盾构施工前，分析区间地质状况，根据刀具磨损与地质关系，初步拟定主动开仓换刀点，一般将主动换刀点选择在地质自稳性良好的岩石地层中进行常压开仓检查，必要时也可根据地
4、面情况对地层进行注浆加固，采取常压开仓检查处理。当盾构掘进过程中出现刀具磨损探测器报警、油缸推力增大、掘进速度减慢等异常情况时，判断刀具可能存在磨损，需进行开仓检查刀具时，一般需尽量避开粗砂、砾砂、淤泥层、上软下硬等自稳性较差的地层，选择透水性较小的粉质粘土、砂质粘性土 、花岗岩或花岗片麻岩中进行带压开仓。当无法避开时，需根据情况采取泥膜护壁、盾壳后部止水等辅助方法保证地层保压能力，进行带压开仓作业。 本文选取西西区间盾构在隧道埋深 13m，盾构掌子面地层主要为砾砂和砾质粘性土，隧道以上为砾砂、砾质粘性土、杂填土的复杂地质，采用带压换刀方法为例进行阐述。 3.2 人员准备 带压进仓前，选择有类
5、似工作经验的专业人员（一般需要具有潜水员证）进仓，仓外人员主要包括操仓员、值班工程师、机电工程师、安全员、物资供应人员，盾构操作手为主要辅助人员，电瓶车司机、调车员负责材料、机具等供 应。操仓员应具备高压氧仓专业医生资格，且具有相应盾构操仓经验的人员负责，每班必须有 1 名机电工程师负责技术指导、 1 名值班工程师现场管理。 3.3 主要物资准备 带压开仓前，需准备好各类开仓作业所需要的各种物资和设备， 见表 3-1。 表 3-1 带压进仓作业工具及材料一览表 序号 名称 规格 单位 数量 备注 1 风动扳手 2500N 台 1 2 开口扳手 46、 50mm 把 各 2 3 重型套筒 M36
6、、 M46、 M50 个 各 2 4 撬棍 1m、 0.6m 根 各 2 5 手摇葫芦 1T 个 4 6 钢丝绳 8 1500MM 根 6 7 锤头 8磅 把 1 8 防水电筒 充电式 把 4 9 钢丝钳 200mm 把 2 10 照明灯 24V 盏 4 11 对讲机 个 3 12 风、水管 20mm 20 根 2 13 工兵锹 把 2 14 分离式千斤顶 套 1 15 气体监测仪 台 2 16 各类刀具 若干 17 医疗用品 套 1 应急物资 18 防毒面罩 副 4 应急物资 19 氧气呼吸瓶 个 1 应急物资 20 内燃空压机 13m3 台 1 应急设备 21 医疗仓 台 1 应急设备 3
7、.4 人气仓调试 带压开仓前，由专业机电工程师对盾构机的风、水、电、通信、保压系统进行检查，确保各系统工作正常，并就各系统的工作原理和操作方法向进仓作业人员、操仓员、相关辅助人员进行培训，使作业人员熟悉设备操作方法及当发生异常情况时的应对措施。 3.5 开仓前主要辅助施工方法 （ 1） 当盾构掘进至预定开仓位置前 15m 需 加大同步注浆量 ，提高注浆压力，一般每环注浆量 7 10m3， 同步 注浆压力 为 0.3 0.4MPa，确保管片 壁后 间隙能够有效填充 ； （ 2） 当盾构掘进 至 预定开仓位置前 7.5m 调整好盾构姿态，尽量减少纠偏，刀盘转速适当降低 ，减少刀盘对 开挖面 土体的
8、扰动 ； （ 3） 盾构掘进至预定开仓位置时，通过同步注浆泵向土仓注入高黏度膨润土浆，膨润土为提前 24h 拌制的 400 目以上钠基浆液，泥浆配合比为膨润土： CMC：纯碱：水 =180： 2：1： 900，粘度为 120S，储备浆液不小于 40m3。采用泥浆置换土仓内渣土，置换过程中土仓压力需高于正常工作压力 0.03 MPa 0.05MPa，置换土仓渣土量的 2/3，以保证泥浆能够有效渗透至掌子面地层，考虑该掌子面地层为 含砾砂层，制作泥膜时仓内压力大于正常工作压力 0.04 MPa 0.05MPa，泥膜制作过程中每 2h 慢速转动刀盘 2 3 圈，压力不足时需注入膨润土浆进行补充，泥膜
9、制作时间为 48h，保证泥膜形成质量。 （ 4） 当盾构掘进 至 预定开仓位置 后， 对盾尾后 3 6 环 管片 进行全断面二次注 浆，浆液采用水泥 -水玻璃双液 浆， 形成封水环 ，阻隔盾尾后方的渗水通道 ， 增加盾尾附近成型隧道稳定性 ； （ 5） 通过盾体径向注入孔注入聚氨酯化学浆液，在盾壳外形成封闭止水带； （ 6） 二次注浆前增加盾尾油脂的注入量，同时加强盾尾管片螺栓的复紧工作 ，保证盾尾 密封效果； （ 7） 开仓前对盾尾附近的管片吊装孔进行开孔，检查盾尾后方是否 存在 流水情况。经检查 符合要求后 ，方可进行开仓作业，否则应继续进行止水 注浆 ， 直至合格。 3.6 有害有毒气体
10、检测 膨润土置换期间，首先对 螺旋机 输送口 进行气体检测 。人员进仓前，在土仓壁上的隔板平衡阀处监测，开仓后在仓内监测，检测 合格后 方可 进行 仓内换刀作业。 第一次进仓时，也可在人仓内放置一只动物，观察变化情况，进行活体检测。 3.7 地面监测 测量人员在换刀部位地面布置沉降监测点，一般不少于 10 个，换刀期间对其沉降变化进行 24h 观测，并 将沉降变化数据及时传至值班工程师和相关人员，当发现异常情况时及时撤离仓内人员，保证施工安全。 4 带压进仓作业 4.1 开仓前土仓泥浆置换 当压制泥膜达到 48h，且 4h 内压力稳定在设定值，泥膜总注入量小于 20L 时，可以初步判断泥膜制作
11、完成，可以进行渣土置换。 首先根据地层埋深以及本段掘进参数土压值，确定土仓压力，为确保地表及土仓安全，压力值取掘进参数的 1.2 倍，即 1.4bar。将保压系统压力调节阀调整值设定后，打开保压系统开关阀进行土仓气压自动补充，然后旋转螺旋输送机，通过土仓体积计算渣土方量，先将土仓 内渣土排出 1/3，停机 30min 观察土仓的气压及地表沉降情况，如果压力稳定（加气量正常），地表无沉降和气体泄露，继续再将土仓内渣土出至刀盘 1/2 的位置，再次停机30min 观察土仓和地表变化情况，在所有数值正常时，将渣土排出至土仓 2/3 处停机，在此过程中应注意保压系统气压补充能力是否与出碴同步。 4.2
12、 保压实验 （ 1） 土仓保压试验 在土仓渣土排至设定位置后，先进行土仓压力保压试验，将土仓压力值调整至预定值1.5bar，打开自动保压系统，若土仓压力保持在 3h 没有变化或不发生大的波动时，则表明土仓保压试验合格 。 （ 2） 人仓保压试验 人仓包括主仓和副仓，保压试验时，将主仓的仓门关闭，进行舱内加压至 2.0bar，停留 30min 观察人仓气压变化情况，确认无泄露后，将副仓仓门关闭，向副仓加压至 2.0bar，停留 30min，观察副仓压力变化，确认无泄漏和仓内设备、仪表等正常后，通过调整溢流阀降低压力到设定要求的 1.5bar，确认人仓气压值能否稳定在设定的 1.5bar。在人仓保
13、压测试的同时，观察土仓压力变化和各仓的密封效果，当所有系统及参数检测正常后，方可进入土仓。 4.3 进仓步骤 把每班作业所需刀具、工具等放入主仓， 作业人员进入主、副仓室，关闭仓门，关闭压力挡板上的所有卸压球阀，仓内管理员随时保持与舱外操仓员联系，操仓员慢慢打开进气开关阀，严格控制加压速度在 0.05MPa 0.08 MPa/10min。加压过程中发现进仓人员身体不适时，应立即停止加压，若身体仍然不适应减压出仓，不得进入。加压至设定值后，如舱内温度过低，主仓室内的人员可根据仓内温度调节加热系统。当确认主仓室的压力值等于盾构机土仓的压力时，主仓内人员缓慢打开主仓和土仓之间的平衡球阀开关，使主仓室
14、和土仓之间进行了压力补偿达到平衡。在此过程中应密切注意观察平衡 阀是否出现向外流水情况，防止地层透水异常。观察平衡阀稳定无异常后，将土仓压力挡板的门打开，人员进入土仓。首先检查地质情况，确定安全后，一人进入土仓进行刀具检查，一人进行仓口辅助，一人进行磨损量记录，在此过程中，严禁仓外作业人员进行转动刀盘、出渣等危及仓内作业人员安全的操作。 刀盘检查情况完成后，根据磨损情况确定更换的刀具。 4.4 土仓作业 作业人员在土仓工作期间由自动保压系统的恒压器向刀盘供气，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并将废气排出。土仓内作业采用轮班 制，根据工作压力按照带压
15、工作减压表选择合适的工作时间，工作人员每班 3 4 人。检查换刀的主要方法如下： （ 1）带压作业人员应系好安全绳、穿防滑鞋、打开防爆头灯，先对掌子面检查，无异常情况时通知仓位操仓员和值班工程师，实施检查或更换刀具作业； （ 2）每次换刀前，作业人员将刀具上的泥土清理干净，保证留有一定工作空间； （ 3）由刀盘外侧向内逐个检查刀具的磨损情况，确定需要更换时，需做好相应记录； （ 4）在土仓内安装刀具提升托架和手拉葫芦，辅助换刀作业； （ 5）用专用套筒卸下固定螺栓，将拆下的螺栓及附件放入随身携带的 工具袋内，以防丢失； （ 6）将换下的刀具移动至人闸内，同时将固定螺栓和固定座用水清洗干净，以便
16、下次使用； （ 7）将新的刀具按原来的位置安装好，并将固定螺栓拧紧； （ 8）作业过程中，仓内需要物资和工具时，可将其放入副仓内进行加压，压力达到平衡后打开主、副仓平衡阀，进行物资的运送； （ 9）每换完一批刀具后，转动刀盘前，应仔细检查是否有漏掉或者没有固定好的刀具和配件，并将临时放置在刀盘上的撬棍、锤头等工具放置至人仓，防止遗忘在土仓内； （ 10）作业过程中需要转动刀盘时，土仓内作业人员必须撤离出土仓，由人仓内专业作 业人员点动操作控制按钮，使刀盘旋转至合适位置； （ 11）每批刀具更换完成、人员关闭土仓闸门前，应将仓内所有材料、工具等放置在人仓内，防止异常情况能保压掘进； （ 12）换
17、刀过程中土仓外观察人员应经常观察掌子面变化情况，如是否有地下水流入、泥膜是否存在脱落、掌子面是否有泥渣掉落等情况，并定期向仓外值班工程师、操仓员报告，以便采取有效控制措施，当发现掌子面异常时，作业人员应立刻离开土仓，关闭土仓门。进入降压程序撤离。 4.5 人仓降压、撤离 作业人员在土仓内到达规定时间时，需迅速离开土仓，并将仓内物资、工器具等 所有物资放入主仓内，关闭好土仓和主仓之间的压力仓门，开始准备降压撤离。 操仓员根据相关要求，缓慢给仓内一边加入空气、一边通过卸压阀进行释放压力，使仓内压力缓慢下降，同时观察人仓压力表和流量计变化情况，使其稳定。当人员仓内的压力到达了第一阶降压的压力 , 操
18、仓员通过调节供气阀和降压阀将压力保持在这一阶段值上稳定，确保舱内的通风，使仓内人员到更好。减压过程中需和仓内人员进行经常沟通，了解作业人员身体舒适情况，必要时放慢降压速度，加大空气循环量，保证人员安全。每次降压一般需要 1h。 为保证仓内作业人员身体得到最好的 恢复，每人每天进仓时间一般不超过 5h。 4.6 其它注意事项 （ 1）带压换刀期间，在换刀点地面 12m 范围内设置临时防护栏杆，严禁车辆进入和堆放物品，以免对地层造成震动； （ 2）仓内照明应采用 24V 安全电压； （ 3）备用柴油空压机应与盾构机连接并调试正常，换刀期间由专人看护，出现停电等异常情况可立即启动，确保仓内压力稳定，保证作业人员安全； （ 4）定期对仓内有害气体情况进行监测，确保符合相关要求； （ 5）如仓内需动火作业，必须经安全部门审批，并由专业人员操作，保证施工安全。 5 结 语 西西区间在围岩境况 复杂、地面无法加固的软弱地层中共组织带压换刀作业 8 次，一般换刀时间 3 7 天，换刀过程中严格按照相关规范和以上措施进行控制，顺利完成了区间施工任务，为类似工程的实施积累了宝贵的经验。
