談全斷面砂層中土壓盾構機帶壓換刀的技術與應用

魯棣源

摘 要：土壓平衡盾構機在全斷面砂層掘進過程中存在著沉降難以控制、土壓平衡掘進模式很難建立、掘進參數不協調以及設備磨損嚴重等技術問題，本文通過采用試驗、理論和實踐應用相結合的方法，對全斷面砂層中土壓盾構機帶壓換刀的技術和應用進行了分析和研究，并對施工過程中的經驗進行總結。

關鍵詞：全斷面砂層；土壓盾構機；帶壓換刀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.177

1 引言

近年來，我國在開展大規模的地鐵工程的建設中，盾構法的施工技術因為有著綠色環保、安全可靠的特點，在地下工程中得到了突飛猛進的發展。國內外學者通過采用室內模擬試驗、監測數據分析、工程應用研究及理論研究相結合等方法對土壓平衡盾構機在全斷面砂層中掘進的基本理論和關鍵技術進行深入研究，進一步提高了盾構法在施工過程中的適應性。

隨著盾構法施工技術的不斷發展，土壓盾構機對地層的適應性也有了很大的提高，主要適用于軟巖、含水的軟土、硬巖和復合地層的地下工程盾構掘進施工。

2 土壓盾構法

（1）土壓盾構與泥水盾構。通過泥水平衡盾構土和壓平衡盾構的對比： 技術方面，兩種機型都可以適應這種地層； 從開挖面的穩定控制來看，泥水盾構比土壓盾構具有更好的適應性，但如果使用正確的輔助方法和施工管理，土壓盾構也可以適應；施工場地方面，泥水盾構在運輸、廢棄泥水處理、場地占用上有著很大的難度，而土壓盾構不存在這方面的問題。

（2）土壓盾構的施工原理。它的原理是在普通盾構機的基礎上，將一個密閉的擋板放在盾構機中部，把需要開挖的土體與盾構開挖面隔離開來，形成一個封閉的艙體，此艙體叫土壓力艙，它是用來切削刀盤的地方。還要在密封的擋板處放一個螺旋出土器裝置，在千斤頂提供推力的情況下，當盾構機向前推進的時候，刀盤切削渣土并充滿土壓力艙，這時盾構開挖面上的水壓力和土壓力的總和與土艙內的土壓力保持平衡。圖1為土壓盾構機原理圖。

3 帶壓換刀技術

（1）簡要概述。在掘進的過程中盾構機主要有三種刀具磨損的更換方式：第一種是在常壓條件下地層經過加固或排水后直接敞開式換刀。第二種是在常壓條件下直接敞開式換刀。第三種則是通過壓入空氣來穩定掌子面，在非常壓的條件下更換刀具。

（2）帯壓換刀技術的原理。帶壓換刀技術的工作原理：對刀盤前方的開挖面土層改良進行加固處理，并保證土倉和刀盤前方的周圍地層滿足氣密性要求，然后利用空氣壓縮機對空氣進行加壓，最后注入土倉，慢慢置換掉土倉內的土體，用氣壓替代土壓，在土倉內建立合理的氣壓來平衡刀盤前方的土、水壓力，達到防止地下水滲入和穩定開挖面的目的，在一定的氣壓條件下，施工人員需要安全的進入到土倉內進行刀具更換和檢查、維修保養等作業。

（3）帯壓換刀的優勢。帶壓換刀技術具有加固地層和降低地下水位的優點，這是常壓換刀作業方法無法代替的，它的優勢有：1）洞內進行加固，對周圍環境影響小且不占用地面積；2）加固的效果比較好，地表的變形小；3）成本費用相對較低；4）可以頻繁的實施換刀技術。

（4）帶壓換刀技術在施工中的困難。帶壓換刀與常壓換刀相比，其困難有以下幾點：1）換刀壓力值的確定與計算比較麻煩；2）膨潤土的配合比極其制備方法；3）換刀前后對掘進參數的設置以及施工技術控制；4）保壓和加減壓技術；5）工作人員的健康和安全保證；6）對地表沉降的控制

（5）帶壓換刀技術的工藝流程。帶壓換刀技術的施工工藝流程可總結如下：

刀具檢查更換地點預測→確定帶壓換刀方案→盾構離換刀點最后五環周邊加入膨潤土漿→盾構離換刀點最后一環時開挖面注入膨潤土漿→停止掘進刀盤繼續轉動5min使開挖面形成泥膜→刀盤停止轉動，螺旋輸送機開始出土并同時給土倉加壓→對土倉氣壓觀察半個小時→人員進入人閘逐步加壓至與土倉壓力平衡（氣壓穩定） →進入土倉進行換刀作業→換刀作業人員完成一個作業班次降壓出艙→完成換刀作業→土倉重新建立土壓平衡恢復掘進

4 帶壓換刀技術的應用

國內的大部分地鐵建設單位和盾構施工單位都在積極的探索和研究帶壓換刀技術在不同地層條件下的應用，已經取得了一定的成果。（1）2005年6月廣州地鐵四號線在小谷圍到新造區間左線江底土壓盾構施工中應用了帶壓換刀技術；（2）廣州地鐵四號線的大學城專線區間采用了土壓盾構施工，過江時由于刀具的磨損十分嚴重，先進行加固，后進行了帶壓換刀；（3）2006年12月宜昌長江穿越隧道工程開工時使用了德國的海瑞克泥水加壓盾構機進行作業，帶壓進倉修復了磨損的刀盤并更換了刀盤主軸承；（4）2003年底，廣州地鐵三號線在天河客運站到華師站的區間，采用帶壓換刀技術破除了卡住刀盤的孤石；（5）在武漢長江隧道施工中中鐵隧道集團采用土壓盾構法，第一次自主實現了高水壓帶壓換刀技術；（6）中鐵隧道集團下的TBM公司根據廣州地鐵的土壓盾構的施工經驗，形成了“盾構帶壓進倉作業工法”。

5 結語

實踐表明，在全斷面砂層實現帶壓檢查以及更換刀具等操作是一種可行的方法。帶壓換刀技術不僅避免了由于地表加固而造成的地面交通擁堵問題，還保證了既有建筑物和管線的安全以及隧道上方道路的暢通，同時也樹立了城市的良好形象。而且，進倉人員的身體狀況并沒有不良的反應，換刀的效率很高。所以帶壓換刀技術是一種有效、經濟、安全的換刀技術。

參考文獻：

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