西安地鐵富水密實性砂層盾構帶壓換刀技術

王住剛， 曹 振， 李治中

(1. 西安市地下鐵道有限責任公司， 陜西 西安 710018； 2. 北京中鐵隧建筑有限公司， 北京 100022)

西安地鐵富水密實性砂層盾構帶壓換刀技術

王住剛1， 曹 振1， 李治中2

(1. 西安市地下鐵道有限責任公司， 陜西 西安 710018； 2. 北京中鐵隧建筑有限公司， 北京 100022)

為了解決西安地鐵土壓平衡盾構在富水密實性砂層中帶壓換刀所面臨的土艙不易保壓、作業人員進出艙氣壓控制難和艙內換刀安全風險高等技術難題，對帶壓進艙換刀技術開展了研究，通過工程實踐總結出如下操作要點： 1)通過工作壓力計算，采取掌子面封閉、保壓試驗等技術措施使土艙壓力趨于穩定，保證土艙壓力滿足要求； 2)人員進艙后以10 kPa/min速率進行加壓，人員出艙前以10 kPa /min速率分4個階段逐漸減壓； 3)艙內換刀應制定周密的施工計劃，刀盤分3次轉動完成刀具更換。結果表明，通過以上控制技術，可以滿足西安地鐵富水密實性砂層盾構帶壓換刀施工要求。

西安地鐵； 富水； 密實性砂層； 帶壓換刀； 膨潤土； 泥膜

0 引言

富水密實性砂層的地質條件非常不穩定，易造成盾構刀具磨損嚴重。為保證施工安全和進度要求，需要總結富水密實性砂層土壓平衡盾構帶壓換刀技術。帶壓換刀技術在國外已廣泛應用于泥水和土壓平衡盾構施工中，尤其是在跨江、跨海等不具備常壓換刀的條件下，多采用氣壓換刀。目前，在國內泥水和土壓平衡盾構施工中，帶壓進艙作業技術不斷趨于成熟，各盾構施工單位正在積極研究不同地質條件和復雜地質條件下的帶壓換刀技術。文獻[1-2]研究結果表明，富水砂卵石地層盾構換刀應優先采用帶壓換刀，通過調整“到達預定換刀地點前”、“到達預定換刀地點時”、“換刀結束后恢復掘進”3個過程的施工控制參數以及注漿漿液的配合比，實現整個帶壓換刀工程的順利進行； 文獻[3]總結出適用于復合地層條件下的刀具更換方法以及帶壓換刀操作要點； 文獻[4]指出海瑞克土壓盾構帶壓開艙換刀主要采取了泥膜護壁工法輔助帶壓開艙技術措施； 文獻[5]對全斷面砂層中土壓盾構帶壓換刀的原理、優勢、技術難點和工藝流程進行了總結； 文獻[6]針對NFM土壓平衡盾構的設備情況，總結出盾構帶壓開艙換刀作業實施流程及相關技術要點； 文獻[7]介紹了在砂巖及其風化帶地層中對盾構刀具進行帶壓換刀的技術要點及注意事項； 文獻[8-10]總結出在富水砂卵石地層、復雜富水砂層和超大直徑等條件下泥水盾構帶壓換刀關鍵技術。已有文獻針對富水密實性砂層盾構帶壓換刀技術的研究涉及較少。

本文依托西安地鐵項目，對富水密實性砂層地質條件下盾構帶壓換刀技術進行了總結，為相似地質條件盾構帶壓換刀施工提供一定的技術參考。

1 工程概況

西安地鐵三號線科技路站—太白南路站區間位于西安市高新區，線路沿科技路布設，從科技路站向東到達太白南路站。區間里程為ZDK17+413.234～ZDK18+430.527，全長1 017.293 m。區間右線站前配線段采取暗挖施工，里程為YDK18+148.043～+430.527，長282.484 m。盾構隧道長1 752.102單延米(左線長1 017.293 m，右線長734.809 m)； 隧道埋深6～14 m，盾構隧道襯砌管片外徑6 m； 采用中鐵17號和18號土壓平衡盾構進行掘進。

區間地層自上而下依次為素填土、黃土狀土、中/細砂、粗砂、粉質黏土、粗砂等。隧道主要通過地質情況見表1，地下水位埋深9.7～12.3 m，主要為潛水，含水率約17%，滲透系數為15～25 m/d。

右線盾構換刀部位地質情況： 隧道埋深17.1 m，自上而下分別為粉土(6.9 m)、細砂(3.8 m)、中砂(2.8 m)、粗砂(3.6 m)，刀盤位置水頭高度為5.4 m，其中中砂層、粗砂層黏粒含量分別為0.8%、0.4%，砂層存在膠結和板結現象，黏聚力及內摩擦角均較大。

右線隧道盾構自2014年7月22日始發，掘進完成321環(剩余160環)時速度放緩，平均進度小于2 環/d，甚至局部出現掘進1環超過24 h的情況； 同時，在掘進過程中出現土艙內溫度過高(最高渣土溫度達到70 ℃)，推力、扭矩超限，盾構頻繁抱死，電機脫扣等問題。

表1 區間盾構穿越主要地層參數

2 盾構刀具更換原因分析

2.1 盾構刀具配置

盾構采用輻條式刀盤，開口率為60%，刀盤旋轉由6個主電動機驅動，總功率660 kW、轉速0～3 r/min。盾構刀盤刀具配置見圖1。

2.2 刀具磨損情況

對右線盾構進行了帶壓進艙檢查，發現土艙內基本無結泥餅情況，但是，刀盤背部中心位置全部被黏土包裹，刀具磨損嚴重，切刀上的合金已基本完全磨損(合金高度為46 mm)，保徑刀也有不同程度的磨損。

從刀盤中心向外延，切刀磨損逐漸增加，82把切刀上的合金全部損耗，見圖2； 8把邊刮刀刀具母體已經磨損，刀座部分磨損，銷孔未見磨損，見圖3。

根據刀具檢查的磨損情況和剩余環數的地層情況，雖然按照目前刀具狀況可以繼續掘進，但是已經無法滿足盾構接收的要求，如果繼續掘進則隨時可能導致刀座磨損，換刀難度更大。經過分析和論證，為了確保右線區間剩余160環能夠順利完成掘進，決定采用帶壓進艙的方式，對該盾構刀盤上除了焊接保徑刀和焊接撕裂刀外所有的切刀和邊刮刀進行更換。

圖1 盾構刀盤刀具配置

圖2 切刀磨損情況

圖3 邊刮刀磨損情況

3 帶壓進艙換刀技術探討

帶壓換刀施工應編制專項施工方案并通過專家評審，現場施工應嚴格按照方案實施。換刀作業嚴格按照文獻[11-13]有關設備配置和開艙作業要求，總體施工順序： 開艙準備(包括人員準備，設備、工具和物資準備，地面監測，氣壓設備的檢查與試驗，工作壓力計算等)—掌子面封閉—保壓試驗—艙內氣體檢測—人員進艙—艙內換刀—人員出艙，分3次完成刀盤旋轉及換刀作業。

3.1 地面監測

在刀盤位置對應地面前后左右各5 m范圍內鋪設1 cm厚鋼板，以減少地面行車荷載影響。鋪設時鋼板之間用φ12 mm鋼筋連接，鋼板邊緣用鋼筋錨固于地面防止發生移動和翹曲。地面監測點位按照間距2 m進行布置，布置范圍為隧道中線兩側各5 m，刀盤位置前后各5 m，總計100 m2范圍，監測點布置見圖4。沉降監測控制標準見表2，通過監測較為典型的2個管線沉降測點，點ZX-27累計沉降值為10 mm后趨于穩定(最大沉降速率為1.1 mm/d)，點ZX-28累計沉降值為7 mm后趨于穩定(最大沉降速率為1 mm/d)，沉降均在可控范圍內。

圖4 監測點位平面布置

監測內容控制累計最大值/mm累計預警控制值/mm沉降速率預警控制值/(mm/d)監測頻率地表沉降3024≥2．4管線沉降1512≥1．2 1次/d，預警后增加至2次/d或更高頻率

3.2 工作壓力計算

考慮施工環境及條件等原因，另取修正壓力20kPa，故土艙內穩定壓力值為133kPa，經綜合考慮土艙壓力值設定為150kPa。

3.3 掌子面封閉

富水砂層透氣性較好，為確保掌子面的氣密性，保證艙內工作壓力穩定，需要對掌子面封閉。掌子面封閉包括泥漿制備、泥膜制作2方面工作，并輔以向中盾注高黏度泥漿，避免氣體泄漏和預防盾體抱死。

1)泥漿制備。采用高速攪拌機攪拌，泥漿基本參數見表3。

表3 泥漿基本參數

2)泥膜制作。通過刀盤上的注漿孔緩慢注入泥漿，注漿過程以上部土艙壓力為控制依據，壓力宜穩定在150 kPa，如果壓力超過150 kPa，應立即暫停注漿，并隨即配合螺旋輸送機將土艙內渣土適當排出。在排土過程中同步注入膨潤土漿液，盡量控制注入及排出速率，以實現膨潤土與渣土置換。注漿期間禁止向土艙內加氣，待膨潤土注入量達到20 m3(約刀盤高度的2/3)，停止排渣并進行保壓； 為提高漿液滲透效果，保壓期間持續轉動刀盤(轉速1 r/min)，并控制上部土艙

壓力為150～160 kPa，同時，保壓需持續24 h以上，使膨潤土充分進入刀盤周圍地層，形成泥膜。

注漿過程中，膨潤土的注入量可通過刀盤面板球閥檢查泥漿是否滿足預計要求。另外，在保壓過程中，在土艙壓力作用下，膨潤土漿液會不斷滲入周邊地層中，隨之土艙壓力下降，值班工程師需要持續觀察土艙壓力情況，及時補充漿液，確保土艙壓力不低于150 kPa。

3)中盾注漿。通過中盾注漿孔注入泥漿，注漿壓力比刀盤土艙對應位置壓力大20 kPa左右，以確保中盾注漿能夠順利注入。

3.4 保壓試驗

保壓試驗是檢驗掌子面封閉效果的關鍵工序，在泥膜制作完成后，通過螺旋輸送機將土艙內膨潤土漿液排出，并同步開啟盾構氣壓系統，向土艙內加壓。在土艙內漿液置換過程中應嚴格控制出土量，保證土艙內膨潤土占總體積的1/2(約15 m3)。如果通過空壓機補氣，土艙壓力在3 h內趨于穩定，則說明泥膜達到預期效果，滿足進艙作業條件。通過空壓機補氣時間間隔變化可以判斷土艙氣體泄漏情況： 若保壓系統控制空壓機補氣時間間隔約為2 s，進氣聲音緩和，保壓系統開度在0.1～0.2，土艙內土壓基本穩定在150 kPa，則說明泥膜完整，掌子面氣密性良好； 若保壓系統控制空壓機補氣基本無時間間隔，持續補氣，進氣聲音急促，保壓系統開度超過0.7，說明泥膜質量較差，漏氣嚴重，需重新封閉掌子面； 因此，保壓系統開度宜控制在較低值，雖然高值下也可以進艙作業，但因補氣急促，艙內氣壓變化幅度較大，易導致艙內人員作業效率降低。盾構空壓機及保壓系統參數見表4。

表4 盾構空壓機及保壓系統參數

3.5 艙內氣體檢測

開艙作業時，應對艙內持續通風，艙內氣體條件要求見表5。艙內氣體檢測前，通過打開人艙與土艙之間的球閥，排出土艙氣體進入人艙，利用氣體檢測儀檢測氣體是否達到人員工作標準，若未達到標準，則采用空壓機向土艙內持續換氣直至氣體達標。

3.6 人員進艙和出艙

1)人員進艙。人員先進入主艙，隨后主、副艙同時加壓，加壓速率為10 kPa/min，加壓至150 kPa時開啟出氣閥，建立主艙進出氣平衡，使氣壓穩定在(150±10) kPa； 穩定主、副艙氣壓并打開土艙與主艙之間的壓力平衡閥，平衡土艙和人艙之間的氣壓后再打開土艙門進入土艙，消除兩艙之間的氣壓差，但氣壓依然要穩定在(150±10) kPa。操作期間將主、副艙之間雙向密封門打開，主艙、副艙、土艙連通后開始土艙內換刀作業，其中每班作業人員中有2人進入土艙作業，另外1人留在主艙觀察并輔助換刀。

表5 艙內氣體條件要求

2)人員出艙。每次刀具更換作業完成后，作業人員退出土艙，關閉土艙與主艙之間閘門及閥門，并做好記錄。通過球閥逐步排出土艙內空氣，按規定緩慢地降低主艙壓力，監視主艙壓力計，打開通風球閥進行主艙通風，在通風的同時要避免壓力升高； 人艙內氣壓可通過艙內進、排氣閥進行調節，進氣流量計的流量值確保每人至少為0.5 m3/min，且排氣減壓時間要緩慢，以10 kPa/min的恒定速率分階段緩慢減壓； 人員出艙減壓時間控制見表6，減壓過程中密切關注艙內人員情況，并保證通風，避免減壓過程中發生人員傷害。人員走出主艙時清點帶入人艙的工具，避免遺漏。

3.7 艙內換刀

工作人員進艙后先檢查室內氣體情況及土體穩定情況，在確保安全的情況下開始換刀作業，若發現艙內氣體或掌子面異常應立即撤離。本次共更換切刀82把，邊刮刀8把，每次進艙更換2～4把切刀或邊刮刀，每次進艙作業時間不超過3 h?？紤]到換刀作業刀盤轉動會擾動掌子面，分3次轉動完成刀盤換刀，每次完成刀盤120°范圍(以中心刀位置為圓心，刀盤自然垂直軸線兩側各60°的扇形范圍)內的切刀與邊刮刀的更換，具體作業計劃見表7。

表7 換刀工作計劃

注： 完成90把刀更換，合計工作時間12 d，進艙45人次。換刀過程中可能存在泥膜失效、重新制作泥膜的情況，即30把刀可能需要分多次更換。

艙內換刀注意事項： 1)進艙后發現刀具被泥漿包裹或存在板結泥餅的情況時，可采用風鎬或大錘+鐵釬鑿除，使刀具銷孔完全暴露，從而能夠實施換刀作業。2)刀具更換遵循自上而下、一根輻條更換完成后進行下一根輻條的順序更換，在更換完的輻條上采用膠條做好標記，避免因旋轉刀盤后無法分辨該輻條是否已完成更換，影響換刀效率。3)由于刀具采用銷接，在拆除過程中注意對各部件的保護，避免掉落到泥漿中或者損壞，對更換完成的刀具必須確認連接無誤后方可繼續下一把刀具更換。

4 結論與討論

通過科技路站—太白南路站區間盾構帶壓換刀實踐，得出如下結論。

1)在富水密實性砂層地質條件下進行土壓平衡盾構帶壓進艙換刀是可行的。

2)區間右線砂層較左線砂層黏土含量明顯增加，砂層存在膠結和板結現象，右線掘進參數基本參照左線設置，但由于實際地質情況較勘察圖紙差別較大，導致刀具磨損加??； 建議在類似工程地質中應預先改變刀具型式，比如增加滾刀破巖等措施。

3)土壓平衡盾構在富水密實性砂層地質條件下進行帶壓換刀應通過工作壓力計算、掌子面封閉、保壓試驗等技術措施使土艙壓力滿足施工要求； 人員進艙和出艙應按照10 kPa/min的速率進行加壓和減壓； 艙內換刀應制定周密的施工計劃。

今后將繼續針對工作壓力選擇、泥膜質量提高、艙內加減壓穩定控制、艙內換刀效率提高等方面進行研究，使土壓平衡盾構在富水密實性砂層地質條件下帶壓換刀工藝更加完善。

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Technologies for Shield Cutting Tool Replacement under Hyperbaric Condition in Water-rich and Compact Sandy Stratum of Xi’an Metro

WANG Zhugang1, CAO Zhen1, LI Zhizhong2

(1.Xi’anMetroCo.,Ltd.,Xi’an710018,Shaanxi,China; 2.ChinaRailwayTunnelGroupBeijingCTGConstructionCo.,Ltd.,Beijing100022,China)

The cutting tool replacement of earth pressure balance (EPB) shield used in Xi’an Metro has many difficulties, i.e. difficult pressure maintaining of earth chamber, difficult pressure control of earth chamber and high risk. As a result, technologies for shield cutting toll replacement under hyperbaric condition are studied. Key operation points are summarized as follows: 1)The pressure of earth chamber becomes stable by carrying out tunnel face closing and pressure maintaining test. 2) Increasing the air pressure with rate of 10 kPa/min after the working personnel entering the chamber, and reducing the air pressure gradually in four phases with rate of 10 kPa/min before the working personnel leaving the chamber. 3) A detailed construction plan should be made before replacing the cutting tools; and then the cutterhead needs to roll by 3 times to complete cutting tool replacement. The results show that it can meet the construction requirements of shield cutting tool replacement under hyperbaric condition in water-rich and compact sandy stratum of Xi’an Metro by adopting the above-mentioned technologies.

Xi’an Metro; water-rich; compact sand; cutting tool replacement under hyperbaric condition; bentonite; filter membrane

2016-03-30;

2016-06-23

王住剛(1985—)，男，陜西乾縣人，2006年畢業于西安建筑科技大學，土木工程專業，本科，工程師，現從事地鐵工程安全質量管理工作。E-mail： 151601377@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.016

U 455.3

B

1672-741X(2017)01-0097-06