地鐵盾構區間帶壓進倉換刀安全控制技術

曾思源

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，各省各市都在積極籌建地鐵。但是，地鐵的建設與自身的實際地貌息息相關，在地鐵修建過程中會碰到各種各樣復雜的地貌，地質條件的復雜性提升了地鐵的修建難度。針對復雜地質條件，刀具更換情況時有發生。針對地貌復雜多樣的因素，常常會導致盾構機周邊土體加固常壓進倉換刀工作受到影響。隨著科學技術進步，進倉換刀技術對于地質條件的要求越來越少，對于周邊環境的影響也很小，在一定程度上能夠保障地鐵建設的質量。本文針對地鐵盾構區間帶壓進倉換刀技術，研究安全控制技術具有重要價值。

1 工程概況

廣州地鐵22 號線祈福站—廣州南站區間位于廣州市番禺區境內。區間線路呈東西走向布置，兩區間4 臺盾構機均在中間風井始發，中間風井位于興業大道與G105 國道交叉路口以西位置，采用明挖法施工。盾構機使用中國鐵建重工集團生產的土壓平衡式盾構機，開挖直徑8850 mm，隧道外徑8500 mm，內徑7700 m，管片楔形量為46 mm，拼裝方式為錯縫拼裝。襯砌設計強度為C50，抗滲等級為P12。

2 地鐵盾構區間帶壓進倉換刀安全控制的意義

盾構區間地質情況復雜，區間既存在多處孤石、孤石群，下穿河涌、建筑群、又存在長距離下伏基巖，且局部存在全斷面硬巖。受此地質情況限制，多處需要換刀，盾構主要穿越礫質黏性土、全分化花崗巖層。由于對刀盤、刀具的磨損程度未知，局部地段無法在常壓條件下對盾構刀具進行檢查、更換，需要通過帶壓方式進倉作業。

3 盾構機帶壓安全進倉工程條件及技術準備

根據土壓盾構掘進速度降低、刀盤扭矩增大、推力增大等掘進參數變化情況，來判斷刀具是否磨損，刀盤是否結泥餅，掌子面是否有障礙物等情況。經研究分析后確定是否需要帶壓進倉檢查或更換刀具。帶壓進倉地點應選擇附近自穩性較好地層，確定帶壓進倉里程點，經泥漿置換、保壓試驗后滿足作業需求條件。

能夠有效根據刀盤刀具的實際檢查情況，調整刀具更換計劃。在帶壓作業前，制定詳細可靠的技術方案、技術交底、安全交底。需要嚴格要求工作人員及時填寫各項記錄表。對地面沉降監測布點和數據做好收集準備工作。依據盾構停機位置地質狀況及邊界條件，完成地質加固及涉及的建構（筑）物的防護工作。

4 盾構機安全開倉原則

目前盾構機開倉換刀以人工進入土倉內手動操作換刀為主，因此需要能夠切實保障人身安全。這就要求地層穩定，不產生坍方、涌水及有毒氣體存在。

（1）有計劃開倉的原則。根據具體工程的工程地質條件、工程環境條件，合理制定開倉計劃。計劃包括進行開倉的里程、地層處理方案等。

（2）開倉條件的安全可靠性原則。盡量選擇工程地質適合的位置進行開倉作業。在工程地質條件不具備開倉條件的情況下，必須選擇合適的地面環境對地層進行加固處理，確保開倉作業安全。

（3）對地面環境影響范圍小的原則。充分考慮開倉引起地面沉降變形、建（構）筑物變形等情況，盡量減小影響范圍及程度。

（4）開倉作業快進快出原則。制定詳細的開倉作業程序，做好開倉施工的準備工作。遵循“快進快出”原則，確保開倉施工的連續、快速。

（5）超前預想，盡量避免被動開倉，例如，結泥餅、刀具磨損嚴重等情況的開倉。

5 盾構機預設安全換刀點

為保證盾構機在通過特殊地層帶壓作業的順利進行及檢查刀盤的需要，本工程計劃在地面無建構（筑）物及盡量避開地下管線的條件下，進行帶壓進倉檢查刀盤及換刀工作，并對預設換刀點加密補勘，確定盾構機掌子面地層的實際情況。在盾構機掘進過程中如發生刀具必須更換且必須在加壓條件下作業時，按照氣壓換刀方案作業。

6 盾構機關鍵作業技術要求

6.1 盾構停機

（1）盾構司機根據指令單的停機里程將盾構機停在相應位置，與計劃停機里程相比較，偏差不超過±0.5 m。

（2）盾構機將要抵達計劃換刀位置前的掘進時，采用慢速推進的方式掘進，以減小盾構機對隧道工作面土體的擾動。

6.2 盾尾和盾殼封堵止水

盾構到達預定的帶壓進倉換刀點停機后，先采用高黏度膨潤土泥漿通過同步注漿泵和管路向盾尾后方壓注。將同步注漿管路和盾尾后方的同步砂漿置換，并向地層中滲透。然后通過中盾預留的徑向注漿孔向盾殼外部壓注高黏度膨潤土泥漿或衡盾泥、克泥效等特殊材料，使泥漿包裹整個盾殼形成止水環，避免長時間停機砂漿凝固后將盾殼抱死。

6.3 帶壓開倉作業壓力的設定原則

一般來說，在不漏氣的前提下，壓力越高掌子面越穩定，但實際地層的密封性不是很完美。如果設定值超過了掌子面的承受壓力，就有可能造成密封層破裂、地面冒泡等不利現象；壓力低一點，對進艙人員的健康和作業效率有利，但太低又會導致掌子面的不穩定和地面塌陷。根據《盾構法開倉及氣壓作業技術規范》（CJJ 217—2014）中開倉換刀作業準備工作要求，氣壓作業工作壓力：能保證掌子面穩定的開挖倉氣壓。氣壓作業的初始工作壓力制定標準應該結合地層條件和掘進參數進行計算。

式中 P——土艙氣壓設定值，kPa

Pw——計算至隧道開挖中心的水頭壓力，kPa

Pr——考慮不同地質條件、地面環境及開挖面位置的壓力調整值，kPa

k0——靜止土壓力系數，0.5～0.7

γs——土體容重，kN/m3

γw——水的容重，kN/m3

hs——覆土層高度，m

hw——水位高度，m

10～20——調整值（工作氣壓值比計算氣壓值略高0.01～0.02 MPa），kPa

舉例計算：假設換刀點位置的覆土厚度為12 m，土的容重按2.0×103kN/m3計算，靜止土壓力系數取0.5，不考慮水頭壓力，則P=k0·γs·hs+（10～20）=0.5×2.0×103×12+20=0.14 MPa。

6.4 建立泥膜

為防止帶壓進倉期間掌子面漏氣，需要提前對土倉進行泥漿置換，建立泥膜。一般情況下，可采用膨潤土泥漿或衡盾泥、克泥效等高黏度泥漿和土倉內渣土置換后建立泥膜。泥漿在地面制作完成后使用地面到井下的專用泥漿管道進行輸送，輸送至注漿系統。使用注漿泵輸送泥漿至刀盤前方，泥漿輸送完畢后，轉動刀盤，讓高質量泥漿和開挖倉里的泥漿融合，完全融合后在刀盤上方的注漿口取出少量泥漿，進行試驗。若達不到保壓要求的泥漿，需繼續注入高質量泥漿，再取樣進行試驗，直到達到開倉要求的泥漿標準，確定泥漿指標達到要求后進行保壓工作。保壓至3～5 h 后，進行開倉作業。

6.5 掌子面有害氣體檢測

由于掌子面可能會涌出某些有害氣體，包括一氧化碳、一氧化氮、甲烷等，有害氣體達到一定濃度后，將危及到帶壓進倉作業人員的生命和健康。因此，在帶壓進倉前應對土倉內的氣體進行檢測，發現異常情況，必須立即撤離換刀人員。

6.6 人倉的加壓與減壓

在作業前應制定完善的加壓減壓方案及詳盡的應急措施。人倉的加壓與減壓必須由受專業培訓的氣閘管理員操作。

6.7 進倉作業

6.7.1 首倉

首倉人員進倉前，盾構機應保障刀盤倉頂部氣壓符合技術交底的參數設定要求。待刀盤頂部壓力穩定后，經土木值班工程師確認安全后，通知操艙人員對進倉人員進行加壓。進倉人員進入刀盤倉后，首先觀察掌子面情況、刀盤倉是否有滲水處，并將檢查情況反饋給土木值班工程師。土木值班工程師確認安全后，首倉人員方可開始檢查刀盤、更換刀具、沖洗泥餅等相關作業。如掌子面穩定性較差、滲水較多，在值班領導發出出倉的命令后，首倉人員必須立即撤離刀盤倉，關好倉門、返回人艙，作好出倉準備。

6.7.2 刀盤沖洗

刀盤在粉質黏土、黏土等地層里長期掘進會對其自身形成泥餅，確定需要帶壓進倉對刀盤進行沖洗的情況下，進倉輔助人員需將高壓清洗機安裝在拼裝機下方并接好水源。高壓清洗機出水口與盾構中前盾隔板的水氣通道必須使用高壓水管連接。

刀盤沖洗應以撬棍、洛陽鏟等堅硬物體為主，高壓清洗機為輔的原則，此原則適用于刀盤堆積的泥餅較薄、較少的情況。當刀盤泥餅堆積的較多、堅硬、厚實的情況下，進倉人員可以用高壓清洗機為主，堅硬工具為輔的方式。但清理區域的泥餅較少、較薄時，必須停止使用高壓清洗機對刀盤進行沖刷，避免由于水壓較高沖掉泥餅后對掌子面泥膜造成損壞。

6.7.3 刀具檢查、更換

（1）刀具檢查。刀盤清理完成后，檢查刀具磨損情況，確認是否產生偏磨，偏磨量有多大，對于刮刀則確認合金鉆頭是否磨損；對所有刀具螺栓都應檢查，如有松動則必須重新緊固。檢查人員應填寫刀具檢查記錄表，并交底給作業人員。

（2）刀具更換。刀具更換前，應將刀盤轉動以便于刀具更換。換刀前應對刀具周邊進行清理，利用工具和工裝拆除刀具。安裝新刀具前，應對刀箱進行檢查和清潔，按照緊固參數對螺栓進行檢查緊固。

按照一般標準，刀具磨損量超過以下數值時應當更換：①滾刀，對于巖石地質邊緣滾刀刀圈磨損量達到15 mm；正面滾刀刀圈磨損量達到20 mm；中心滾刀刀圈磨損量達到25 mm。對于軟土層邊緣滾刀刀圈磨損量達到20 mm；正面滾刀刀圈磨損量達到25 mm；中心滾刀刀圈磨損量達到30 mm；②邊緣刮刀及齒刀，邊緣刮刀及齒刀出現較嚴重崩齒或刀具上的合金堆焊層磨損較嚴重時，須更換。

6.7.4 作業效果判定

（1）由檢查人員復核刀具更換數量、位置、螺栓復緊情況。

（2）按照處置方案復查障礙物處置情況。

6.7.5 關閉倉門

作業后對開挖倉及刀盤進行全面檢查，避免工具、材料等遺落在倉內。確認后關閉所有預留接口閥門至恢復掘進狀態，人員出倉，關閉倉門。

7 結束語

廣州地鐵22 號線祈福站—廣州南站區間盾構機，在采取了帶壓進倉換刀安全控制技術后順利進行了換刀。周邊的地表沉降在允許范圍內（10 mm），沒有造成周邊管線和房屋的損壞，換刀后盾構機開始正常掘進，確保了工程有序進行，對以后類似問題處理有借鑒意義。