富水砂礫石復合地層土壓平衡盾構氣壓開倉施工技術

董澤龍

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200083）

富水砂礫石復合地層土壓平衡盾構氣壓開倉施工技術

董澤龍

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200083）

盾構在砂卵石地層中掘進刀具磨損嚴重，因此選擇合適的時機進倉對刀具進行檢查及更換就成了一項無法回避的任務。在盾構工法施工中，進倉對刀具進行檢查處理大致有三種方法：一是加壓進入土倉進行檢查；二是對前方土體進行加固后在常壓情況下進倉檢查；三是從地面向下做豎井到刀盤前方從而實現對盾構刀具的檢查和維修。通過介紹南昌地鐵1號線一期工程土建二標盾構氣壓開倉施工情況，對盾構在富水砂層氣壓開倉施工技術進行探討。

盾構；復合地層；氣壓開倉；富水砂礫石

0　引言

隨著我國軌道交通的大發展，盾構施工遇到的地層也越來越復雜。盾構機在掘進過程中，經常會遇到刀具磨損需要更換，檢查刀盤磨損或修補，泡沫管維修，處理掌子面前方的孤石或地面建筑物的樁基或刀盤泥餅等情況，這時就需要進行盾構開倉施工。

盾構機在掘進過程中開倉方式主要有兩種:第一種是在地層自身穩定，情況良好，或者經過降水或加固后地層穩定性好的情況下常壓直接開倉。該方式最為簡便，而且成本最低，但只適用于土體穩定、地下水較少、有較高自穩性的地層。根據經驗提前加固，實際的操作也比較簡單，但加固成本較高，施工工期長，同時這也在對地層的預判、刀具或刀盤情況的把握、地面建筑物的影響等方面提出了較高的要求。往往刀具在沒有到達加固區已經磨損，往往需要被動地進行開倉施工，如此時正好在不具備加固條件的地層，如隧道上方有構筑物，或正處于交通繁忙的道路，則不容易實現開倉施工，因此有一定的局限性。第二種是氣壓開倉施工，適用范圍較廣，對盾構設備、開挖面、地面建筑物及周邊環境等影響較小。因此，在上軟下硬、孤石、軟弱土層中掘進時，地面條件苛刻，不利于組織施工的情況下，氣壓開倉施工是施工中最好的選擇。

在富水砂礫石復合地層氣壓開倉施工過程中，存在著氣壓建立、砂土氣壓置換和地層漏氣量大保壓困難等諸多難題，這些就對氣壓施工提出了很高的要求。本文對南昌地鐵某標段在富水砂礫石地層建筑物下方的氣壓開倉更換刀具施工進行總結。

1　工程概況

南昌軌道交通1號線一期工程某標段在富水砂礫石復合地層（上軟下硬地層，上部為富水砂礫石地層，下部為中風化泥質粉砂巖）施工了213環后，發現盾構機刀盤扭矩增大，刀盤頻繁出現卡死，渣土溫度高、掘進緩慢的情況。經過分析，認為刀具已經發生了大的磨損，需要進行開倉檢查進行更換。此處地層刀盤下部4 m范圍為中風化泥質粉砂巖，上部為透水性高（8E-2 cm/s）的富水砂礫石地層。

盾構機的停機位置位于一棟11層建筑物的下方，盾構機頂部距離建筑物樁基底部僅49 cm，地面無法進行有效加固和降水。為了確保建筑物的安全，事先對建筑物及開倉的位置進行雙液漿加固，以降低盾構機氣壓開倉過程中由于突然失壓造成地面塌陷給建筑物的安全帶來的風險，加固完成后進行氣壓開倉施工。圖1為盾構氣壓開倉平剖面圖。

2　盾構機氣壓施工原理及流程

盾構機氣壓開倉施工的工作流程是：對刀盤前方開挖面土層經過膨潤土或者水泥砂漿改良加固處理后，在保證刀盤前方和盾構機周圍地層、盾構機螺旋機及盾尾滿足氣密性要求的條件下，利用空壓機將壓縮空氣通過泡沫系統管路或者其他備用管路注入土倉，在保證壓力的條件下逐步置換土倉內土體，以氣壓代替土壓，通過在土倉內建立合理的氣壓來平衡刀盤前方水土壓力，達到穩定掌子面和防止地下水滲入的目的。施工人員在氣壓條件下，安全進入土倉內進行檢查、維修保養和刀具更換等作業[2，3]。

圖1　盾構氣壓開倉平剖面圖

利用氣壓代替土壓從而平衡掌子面的水土壓力，氣壓對掌子面的平衡穩定作用，可大致分為三種：（1）可抑制或減小來自開挖面的涌水，防止開挖面坍塌；（2）氣壓作用于掌子面，能夠加強掌子面的穩定；（3）氣體壓力對地層縫隙起到排擠水的作用，增強了粉砂、礫砂、含有粉砂黏土成分等砂質土的強度[4]。

3　氣壓施工的前期準備工作

氣壓施工的前期準備工作對整個氣壓施工能否安全順利起到至關重要的作用。前期的準備工作主要有設備、人員和物資材料三個方面。

3.1設備的準備工作

（1）氣壓施工中設備的好壞直接關系到整個壓氣作業的安全與成敗。以海瑞克盾構機為例，兩臺10 m3空壓機要預先進行徹底的保養和維護，另外需配備一臺10 m3以上的內燃式空壓機，使其與盾構臺車氣壓管路連接完好，確保電力中斷時的緊急使用。一般空壓機自身的壓力設定應為7～8 bar，盾構機氣壓施工時的管路壓力可通過盾構機設備自身的調壓閥設定為5 bar。

（2）土倉氣體自動補償系統（samson系統）是壓氣作業的核心設備，它是用來穩定土倉內壓力的核心設備，它的維護和調試，必須由專業人來完成，并且自動補償系統的預先補氣測試一定要反復測試數次方可確認下來，同時應出具檢測合格證明。

（3）盾構機自身氣密性的檢查：a.氣壓倉密閉性的檢測一般需要向關閉的人閘室壓入大于2.0 bar以上的壓縮空氣，停止壓氣后，通過裝在氣壓倉門上方的氣壓儀表觀察氣壓倉內的氣體泄漏速率。一般在1 h內氣壓值下降小于0.2 bar為合格；b.螺旋輸送機閘門的密閉性至關重要，由于在整個土氣置換過程中只有它是反復開閉的，它的即開即閉一定要到位。

（4）各儀表管路等準備：各空氣管路、胸板上的閘門可靠性的檢查確認及維護；各儀器、儀表、流量計數值精確性要進行檢查確認和維護；操倉人員所使用的加、減壓縮空氣的手動流量閥及流量計，觀察壓力儀表的可靠性和精確性必須由操倉人員反復使用、調試。

（5）通信設備的準備：倉內、倉外、操作室，地面指揮中心的通信設備一定要自成絕對的獨立系統，確保通信暢通無阻。

（6）地面還要準備一臺200 kW以上的內燃發電機，與盾構后配套設備相連，以防電力中斷時使用。

3.2人員和操倉手準備

（1）專業的操倉醫生或潛水員操作手是施工和進倉作業人員生命安全的有力保障。

（2）壓氣環境是一種特殊環境，對人的身體要求比較高，患有某些疾病的人員是不能夠參加壓氣作業的，如上呼吸道疾病、慢性中耳炎、慢性肺炎、支氣管炎、高血壓、消化道出血者、鼻炎、關節炎等。通常要經過兩層篩選來確定進倉人員，一是經過正規醫院體檢的初次篩選，二是合格后的人員再到盾構設備的氣壓倉內，進行加壓試驗和適應性測試，只有通過上述兩項檢查合格的人員才能進行壓氣作業。

（3）心理素質對氣壓施工人員十分重要。很多人員身體素質好，但他們對氣壓作業存在著恐慌、害怕心理。通過氣壓操倉醫生、熟練的壓氣作業人員及項目部管理人員對他們詳細講解相關知識，化解恐慌和疑慮，使作業人員數量充足，確保施工的穩定性。

3.3工具及物資準備

由于氣壓作業是在非常壓下進行的，施工中有很大的局限性和不可調整性，所以就需要對將要使用到的換刀工具，水、電、氣的進倉，照明設施的安全接入，換刀物資儲備等進行詳細周密的計劃和儲備，越詳實越好，寧多勿缺。

4　氣壓開倉施工關鍵環節

4.1壓力設定

在氣壓開倉施工過程中，既要確保掌子面的穩定，又要保障作業人員的身體健康，因此氣體壓力值的設定尤為重要。氣壓開倉關鍵是要確定氣壓的下限，長時間氣壓施工中壓力高可能會使地層內漏氣通道被打開，造成地層漏氣，給后續施工帶來很大風險；另外，氣壓值越小，對作業人員生理健康越有利，勞動效率越高，單班持續工作時間也越長。

選擇壓力的方法因覆土厚度、地層滲透性、隧道直徑、地下水埋深而異。理論上，如圖2所示，土倉氣壓值應根據空倉底部（即圖2中A點，一般為半空狀態）的水土壓力值來確定。

圖2　氣體壓力的選擇

一般透水性地層氣壓開倉施工氣體壓力值的設定采用下面的水土分算公式計算：

式中：P下限為土倉氣壓設定值，kPa；k為安全系數，一般K＞1；γ水h水為空倉底部水壓（刀盤中心位置）；e側為空倉底部土層側壓力。

從南昌地區多次成功氣壓開倉經驗來看，由于掌子面地層脫水和較小的刀盤開口率，加之泥漿護壁作用使其前方土體自穩性提高，側向土壓力可以不考慮，因此，南昌地區富水砂礫石地層土壓平衡盾構氣壓開倉施工可按以下經驗公式計算所需氣壓值：

式中：k為氣壓的取值系數，0.9≤k≤1.2，在氣壓開倉初期，k值一般取上限，后期應逐步降低到1，但不應低于0.9。

4.2土工系統準備

（1）到達開倉位置后從盾構中盾每一個注漿孔注入膨潤土，膨潤土注入完畢后，在距離盾尾第5環到第7環進行系統雙液漿。所有注漿孔必須全部開孔注漿，確保壁后填充充實。

（2）通過盾體上部的注漿孔向內注入膨潤土，加強盾體處的氣密性，同時也隔斷了盾體內外的氣體逸出通道。

（3）通過膨潤土漿液稠度試驗確定膨潤土漿液的配比。帶壓換刀對膨潤土稠度的要求是120 s左右，通過膨潤土稠度儀進行測試。在確定膨潤土漿液的配比后，根據盾構機推進情況，在盾構推進換刀位置24 h之前拌制膨潤土。

（4）開倉換氣：開倉前，利用空壓機從泡沫系統的管路向刀盤前面吹入壓縮空氣，土倉內原有的保壓系統管路作為排氣通道，排風道盾構機后配套尾部，形成循環，置換土倉內的氣體；開倉后，土倉內的空氣循環主要是通過空壓機向倉內輸入壓縮空氣，并將土倉內原有氣體排出，形成循環，保證土倉內的空氣質量。洞內通風主要利用洞外的壓入式通風機供風，形成循環，洞內和艙內通風時需進行氣體檢測，保證作業人員的安全。

4.3砂漿置換土體

砂漿置換土體目的：一是置換倉內土體；二是降低倉內溫度；三是盾構機后退，在刀盤前方形成泥膜。表1為置換土體砂漿配合比。

表1　置換土體砂漿配合比

首先將同步注漿1號管路接到土倉前壁右上方加泥加水孔。置換土體時將盾構機推進油、缸全部收縮15 cm。注漿過程堅持“等量替換、土壓不變”的原則。

4.4氣壓置換

土倉內壓力穩定后，進行氣體置換土體。首先關掉泡沫系統的液體球閥，只利用1#、3#泡沫系統的供氣管路往土倉內加氣。管路供氣量1 200 L/min，控制1#土壓2.1 bar進行出土，出土完成后開啟盾構機保壓系統，維持倉內壓力在1.8 bar。

4.5進倉前壓力試驗

試驗時不要求人員進入，只進行無人壓力試驗，以檢查主艙與副倉的各功能部件在試驗壓力下的工作情況。

（1）關閉主艙倉門和艙壁密封門，并關閉主艙與副倉之間的密封門。人閘值班員緩慢地打開進氣閥，提高主艙的壓力，均速加壓。根據帶壓工作減壓表設定速率，因為壓差太大會導致作業人員中耳鼓膜破裂。觀察主艙壓力表和進氣儀表的數值。

（2）打開排氣閥，開始排氣。為了作業安全，壓力不可以再次大幅度升高，再調節進氣閥和排氣閥，直到達到排氣過程所規定的緩慢而恒定的壓力降低速度，進氣流量計的流量值每人至少為0.5 m3/min，以保證正常呼吸。

（3）觀察主艙壓力表，當主艙內部的氣壓降到第一級壓力值時，人閘值班員通過調節排氣閥和進氣閥，在規定的時間內保持壓力恒定。如此慢慢重復減壓，直到倉內壓力與外界的常壓相同。

（4）人閘值班員將加壓和減壓試驗過程中數據記錄在人閘記錄本上，同樣的方法進行副倉的壓力試驗，在整個試驗過程中必須保證所有的過程都正常。

（5）為保證帶壓作業人員身體安全及健康，每位施工人員在倉內連續作業不得超過3 h。

4.6土倉作業

作業人員在土倉工作期間由自動保壓系統供氣，保證土倉內氣壓保持在設定值，作業期間必須隨時檢查氣體流量計以保證土倉的通風效果，將廢氣排出。土倉內作業采用輪班制，到達規定時間時，需迅速離開土倉和主艙，進入人倉副倉，關閉好主副倉之間的倉門，再進行副倉降壓，撤離出壓力艙。

（1）清理刀盤及刀具檢查

在清理刀盤前確保人員倉刀盤現場控制完好，在進行刀盤清理和換刀時要有合理的結合，盡量減少刀盤的轉動；操作人員熟練掌握現場操作技能。如用高壓清洗機對刀盤進行清洗，在清洗時應盡量減小對上部的掌子面泥膜的影響（掌子面下半部為巖層，上半部為砂礫石層），從刀盤的中部向周邊沖洗，保證高壓清洗機噴口朝下沖洗，不要沖洗刀盤開口，并且盡量避免對上部掌子面的影響，通過向一個方向轉動刀盤，實現對整個刀盤的清洗。待清理完后由機電工程師對倉內的刀具、刀盤照相，并檢查刀具磨損情況，看看是否產生偏磨，確定偏磨量，刀具軸承是否損壞；對于刮刀則看看合金鉆頭是否磨損；對所有的刀具螺栓都應檢查，如有松動則必須重新緊固。同時檢查刀盤是否結泥餅，如有結泥餅采用機械清理。

（2）刀具更換

a.根據檢查刀具磨損情況,對磨損量為25 mm以上的中心刀和正滾刀、磨損量為10～15 mm的邊滾刀進行更換；

b.根據檢查刀具磨損情況，對刀具偏磨或軸承損壞嚴重，刮刀的合金鉆頭磨損厲害的，則對其進行更換；

c.換刀過程中必須明確所需更換刀具的編號及換刀步驟，必須將拆下的螺栓、墊圈、螺母、壓塊等集中放置在工具箱里；換刀工作完成后，將土倉內所有的雜物清出來，再由專業人員對刀具安裝質量進行檢查確認，確保刀盤修復完成后，盾構機能恢復正常掘進。

5　結語

在上軟下硬（富水砂礫石）地層中掘進，盾構刀具的磨損嚴重，為了正常掘進，需要對刀具進行更換。由于地面條件的限制，會出現無法加固的情況，就必須采取氣壓開倉的施工方案進行換刀。通過多次帶壓換刀的成功經驗表明：

（1）要采取合適的泥膜材料，通過精細的操作，確保泥膜的質量。只要土倉壓力能在一定時間穩定在設定氣壓值，工作人員進入土倉進行氣壓換刀或檢查刀具是安全、可靠的，作業人員的安全風險也大為降低。

（2）通過人員、設備材料的精心準備以及精細的過程控制管理，確保氣壓開倉的安全與順利。

在南昌復雜的地質條件以及復雜的地面環境條件下進行開倉換刀施工作業，是一次大膽的嘗試和創新，為今后類似條件下盾構開倉作業積累了寶貴參考經驗。

[1]侯磊.富水砂卵石地層土壓平衡盾構帶壓換刀技術研究[D].成都：西南交通大學，2009.

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U455.43

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1009-7716（2016）03-0127-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.037

2015-12-11

董澤龍（1975-），男，湖北鐘祥人，高級工程師，主要研究方向為地下工程。