富水砂卵石地層地鐵盾構(gòu)區(qū)間帶壓換刀施工控制技術(shù)探討

陳 萬 強(qiáng)

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

1.1 背 景

成都地鐵7號(hào)線1標(biāo)火駟區(qū)間單線長度為1 770 m，原計(jì)劃在距離始發(fā)端600 m、1 200 m附近進(jìn)倉換刀兩次。第一次常壓換刀在左線距始發(fā)端頭453環(huán)(680 m)、右線距始發(fā)端頭440環(huán)(660 m)，原計(jì)劃第二次換刀位置在荷花池停車場內(nèi)，但屢次與停車場產(chǎn)權(quán)單位溝通協(xié)調(diào)無果。按成都砂卵石地層常規(guī)的“降水+地層加固”的常壓換刀方法進(jìn)行換刀，在區(qū)間剩余段已不具備條件，后續(xù)盾構(gòu)機(jī)需連續(xù)下穿北新高架橋、荷花池停車場、城北賓館、荷花池社區(qū)等重大風(fēng)險(xiǎn)源，且隧道開挖斷面存在復(fù)合地層，考慮到下穿重大風(fēng)險(xiǎn)源和泥巖掘進(jìn)的安全和質(zhì)量，有必要再進(jìn)行一次換刀作業(yè)。就區(qū)間地表現(xiàn)狀而言，不做地面處置的帶壓換刀就成了重點(diǎn)考慮的方法。

1.2 盾構(gòu)開倉工藝簡介

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，由于刀具的檢查和更換，刀盤磨損檢查或修補(bǔ)，處理刀盤開口的堵塞、固結(jié)，疏通膨潤土管、泡沫管，處理刀盤前方的孤石或樁基等施工，需要開倉進(jìn)入土倉才能完成，開倉是具有較大危險(xiǎn)性的工序，根據(jù)環(huán)境、地質(zhì)的不同，通常有以下四種開倉方式。

(1)在常壓條件下直接開倉進(jìn)行施工(地層穩(wěn)定、地下水影響較小)。

(2)對地層進(jìn)行地面垂直加固(降水+注漿加固或灌注樁加固)后，再實(shí)施常壓下開倉，進(jìn)行施工(地面具備降水和加固條件)。

(3)利用壓入一定壓力的空氣，穩(wěn)定掌子面，阻止開挖面的涌水，達(dá)到平衡，在非常壓條件下進(jìn)行施工(具備實(shí)施壓氣作業(yè)的條件)。

(4)通過對盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)進(jìn)行砂漿回填加固，穩(wěn)定掌子面，再進(jìn)行常壓狀態(tài)下的施工(較穩(wěn)定地層，地面無加固條件的惡劣環(huán)境下)。

2 帶壓換刀管控程序

2.1 帶壓換刀作業(yè)流程(見圖1)

2.2 帶壓換刀主要執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)及文件

成都地鐵7號(hào)線帶壓換刀主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和文件如下：

(1)《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50446-2008)。

(2)《盾構(gòu)法開倉及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》(CJJ-17-2014)。

(3)《成都地鐵有限責(zé)任公司建設(shè)分公司關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)成都盾構(gòu)施工換刀作業(yè)安全管理的緊急通知》(成地鐵建[2014]103號(hào))。

(4)《成都地鐵盾構(gòu)施工管理規(guī)定》(暫行)(成地鐵[2015]126號(hào))。

(5)《富水砂卵石地層地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工管理規(guī)程》(試行)。

2.3 開倉前的準(zhǔn)備工作

(1)帶壓換刀的可行性分析，換刀位置的選擇，加固方式的確定，換刀隊(duì)伍的選擇，設(shè)備的檢查和確定(從地質(zhì)條件、地面環(huán)境、設(shè)備、人員等方面確認(rèn)可以開展壓氣帶壓作業(yè))。

圖1 壓氣帶壓換刀作業(yè)流程

(2)編制壓氣帶壓換刀的安全專項(xiàng)施工方案，并組織專家評審。

(3)現(xiàn)場進(jìn)行地層加固和保壓試驗(yàn)的前期工作(注入膨潤土泥漿、盾尾封環(huán)等)。

(4)作業(yè)隊(duì)伍的確認(rèn)工作，對操倉員和作業(yè)人員的資質(zhì)進(jìn)行檢查和確認(rèn)，操倉員和進(jìn)倉人員必須持證上崗，對進(jìn)倉人員進(jìn)行專項(xiàng)體檢，由醫(yī)生確認(rèn)進(jìn)倉人員，根據(jù)確認(rèn)的進(jìn)倉人員名單編排進(jìn)倉作業(yè)的分組。

(5)現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備、電、氣方面的準(zhǔn)備，空壓機(jī)調(diào)試和壓力確定，低壓安全電源接入人閘，氣管、水管等接入人閘。

(6)人員的交底、教育、培訓(xùn)，有條件地組織心理方面的輔導(dǎo)。

(7)應(yīng)急設(shè)備準(zhǔn)備到位，主要是應(yīng)急發(fā)電機(jī)和空壓機(jī)，并安排專人24 h看護(hù)，可隨時(shí)接駁。

(8)對有害氣體檢測儀提前標(biāo)定，制定應(yīng)急措施并組織現(xiàn)場進(jìn)行演練。

(9)聯(lián)系落實(shí)急救醫(yī)院，制定急救線路，有條件的可在現(xiàn)場配置1～2名急救醫(yī)生。

(10)方案落實(shí)、人員、設(shè)備、應(yīng)急等各方面準(zhǔn)備到位后，組織條件驗(yàn)收，并對條件驗(yàn)收提出的內(nèi)容進(jìn)行整改。

(11)開倉前出土、置換膨潤土、建立工作氣壓等工作，在進(jìn)倉前再進(jìn)行一次保壓試驗(yàn)，并將保壓試驗(yàn)結(jié)果通報(bào)各方，滿足條件后安排帶壓開倉施工并按流程組織開倉作業(yè)。

2.4 設(shè)備檢查

(1)在籌劃帶壓開倉期間，首先應(yīng)邀請?jiān)O(shè)備廠家對壓氣帶壓的設(shè)備進(jìn)行全面的檢查，尤其是人閘的氣密性、壓力儀表、空壓機(jī)等，確保保壓系統(tǒng)管路無泄漏、土壓傳感器壓氣檢測正常、各儀表顯示正常，人倉耐壓值及時(shí)間符合標(biāo)準(zhǔn)值，流量計(jì)及壓力表顯示正常，消聲器正常。

(2)檢查各空氣管路、胸板上閘門的可靠性。

(3)檢查操倉人員所使用的加、減壓縮空氣的手動(dòng)流量閥及流量計(jì)，觀察壓力儀表的可靠性和精確性，并確保操倉人員反復(fù)使用、調(diào)試，達(dá)到熟練使用程度。

(4)對盾構(gòu)機(jī)自帶的兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)和精心維護(hù)。另外裝配一臺(tái)內(nèi)燃式空氣壓縮機(jī)，使其與盾構(gòu)臺(tái)車管路連接完好，確保電力中斷時(shí)的緊急使用。壓縮機(jī)的規(guī)格應(yīng)在10立方以上，一般空壓機(jī)自身的壓力設(shè)定應(yīng)為0.7～0.8 MPa，盾構(gòu)機(jī)壓氣作業(yè)時(shí)的管路壓力可通過設(shè)備自身的調(diào)壓閥設(shè)定為0.5～0.6 MPa。

(5)土倉保壓的自動(dòng)保壓系統(tǒng)是壓氣作業(yè)的核心設(shè)備，必須有專業(yè)人士對其進(jìn)行維護(hù)和調(diào)試，并且自動(dòng)保壓系統(tǒng)的預(yù)先補(bǔ)氣測試一定要反復(fù)測試數(shù)次后，方可確認(rèn)下來。

(6)通信設(shè)備的準(zhǔn)備。倉內(nèi)、倉外、操作室、地面指揮中心的通信設(shè)備一定要自成絕對的獨(dú)立系統(tǒng)，確保通信暢通無阻。

(7)地面還應(yīng)準(zhǔn)備一臺(tái)200 kW以上的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)，與盾構(gòu)后配套設(shè)備相連，以防電力中斷時(shí)使用。土倉內(nèi)使用24 V或36 V安全電壓。

(8)帶壓進(jìn)倉作業(yè)設(shè)備進(jìn)行全面的檢查和試運(yùn)行，兩套壓氣調(diào)節(jié)設(shè)備應(yīng)全部正常，并做好應(yīng)急設(shè)備的準(zhǔn)備。

2.5 人員選定

帶壓換刀的人員選定分為操倉員和進(jìn)倉作業(yè)人員兩類。

(1)專業(yè)的操倉醫(yī)生是確保施工和進(jìn)倉作業(yè)人員生命健康的有力保障，宜選擇具有高壓氧倉工作經(jīng)驗(yàn)、熟悉盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉加減壓操作的人員。每次換刀操倉員應(yīng)配置兩名，交替輪流在現(xiàn)場進(jìn)行值守。

(2)作業(yè)人員選定。

①壓氣環(huán)境是一種特殊環(huán)境，對人的身體要求較高，患有如上呼吸道疾病、慢性中耳炎、慢性肺炎、支氣管炎、高血壓、消化道出血者，以及肝臟、腎臟、鼻炎、關(guān)節(jié)炎等疾病人員不能參與壓氣作業(yè)?，F(xiàn)場應(yīng)經(jīng)過兩層篩選來確定進(jìn)倉人員：一是經(jīng)過正規(guī)醫(yī)院體檢的初次篩選；二是對初選合格后的人員進(jìn)行加壓試驗(yàn)和適應(yīng)性測試。只有上述兩項(xiàng)檢查合格的人員才能進(jìn)行壓氣作業(yè)。

②在施工前應(yīng)由壓氣操倉醫(yī)生和熟練的壓氣作業(yè)人員，對選定的合格作業(yè)人員進(jìn)行帶壓作業(yè)培訓(xùn)，化解其恐慌和疑慮。

③ 帶壓進(jìn)倉人員應(yīng)選擇具有相應(yīng)資質(zhì)的人員，熟悉帶壓換刀操作工藝，并從事過帶壓換刀作業(yè)。

④ 人員確定后應(yīng)進(jìn)行一次較為全面的體檢，體檢的內(nèi)容由高壓氧倉科的專業(yè)醫(yī)生確定。

⑤ 體檢完成后由專業(yè)醫(yī)生對人員的身體狀況進(jìn)行確認(rèn)，符合進(jìn)倉條件的進(jìn)行下一步安排。

⑥ 每組人員宜3～4人，并選擇經(jīng)驗(yàn)豐富和安全意識(shí)高的人員為帶班班長。

2.6 漿液準(zhǔn)備

(1)同步漿液準(zhǔn)備。根據(jù)成都市地鐵7號(hào)線地質(zhì)情況，同步注漿漿液按現(xiàn)場實(shí)際情況初凝時(shí)間控制在6 h左右。每環(huán)的注漿量為6.5 m3以上,同步注漿壓力控制在0.2～0.28 MPa范圍。從A-2環(huán)開始,同步注漿在每環(huán)最后一車渣土?xí)r停止注漿,并且要盡量保證掘進(jìn)的連續(xù)性,以保證注漿的連續(xù)與飽滿。漿液配合比見表1。

表1 同步漿液配合比 (單位：kg/m3)

(2)膨潤土泥漿準(zhǔn)備。根據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)情況,在距A 環(huán)24 h之前拌制高黏度鈉基膨潤土泥漿,具體拌制量由現(xiàn)場協(xié)調(diào)人員控制(按至少15 m3拌制)。

膨潤土泥漿按照1 ∶6～1 ∶8的比例拌制，充分膨化24 h以上，泥漿比重為1.1～1.2范圍，黏度為12～15 s為宜。

在換刀過程中，膨潤土泥漿也須拌制好備用，以防倉內(nèi)氣體損失嚴(yán)重，及時(shí)進(jìn)行泥膜的重新建立。

2.7 土倉置換

(1)利用泡沫管向土倉內(nèi)打入空氣，利用空氣置換渣土，置換過程中倉壓維持在換刀倉壓+0.03 MPa。

(2)置換渣土總量以10 m3為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，判定換倉的情形，以3點(diǎn)、9點(diǎn)位倉位觀察閥判定倉內(nèi)渣位。

(3)啟動(dòng)保壓系統(tǒng)加氣，并停止從泡沫管注入氣體，保壓系統(tǒng)壓力設(shè)定為既定換刀工作倉壓。

(4)觀察空壓機(jī)啟動(dòng)頻率及倉內(nèi)氣體穩(wěn)定性(及倉壓)。

2.8 氣體檢測

在開倉前和每倉進(jìn)倉前打開土倉隔壁上的平衡閥，對倉內(nèi)有毒有害氣體進(jìn)行檢測，并做好檢測記錄。

2.9 人員進(jìn)倉作業(yè)

(1)施工現(xiàn)場準(zhǔn)備完善后，將土倉內(nèi)壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力位置，人員進(jìn)入人閘，關(guān)閉人閘，開始加壓作業(yè)，加壓時(shí)間為15～20 min。

(2)人閘內(nèi)壓力與土倉內(nèi)壓力平衡后，打開閘門，先對土倉內(nèi)情況進(jìn)行檢查。一是檢查掌子面有無水滲入，二是檢查掌子面是否穩(wěn)定。檢查完成后開始進(jìn)倉作業(yè)，先清理土倉，然后測量刀具，對需要更換的進(jìn)行更換。

(3)帶壓作業(yè)時(shí)間結(jié)束前15 min，由操倉員通知倉內(nèi)作業(yè)人員，準(zhǔn)備撤離，人員和工具全部撤離至人閘后關(guān)閉閘門，作業(yè)人員休息并開始減壓。

(4)減壓完成后人員打開人閘門，完成一個(gè)班的施工，加減壓的時(shí)間和每階段的時(shí)間控制執(zhí)行《盾構(gòu)法開倉及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》(CJJ-17-2014)。

2.10 職業(yè)病防治

壓氣帶壓換刀施工完成后，為降低高壓作業(yè)對施工人員的健康影響，換刀施工完成后必須進(jìn)行高壓氧倉的治療。

3 關(guān)鍵控制技術(shù)

3.1 壓氣作業(yè)施工的目的

利用氣壓代替土壓從而平衡開挖面的土水壓力，提供施工人員安全進(jìn)入盾構(gòu)土倉的條件。壓氣對開挖面的穩(wěn)定作用，可大致分為三種：

(1)阻止來自開挖面的涌水，防止開挖面坍塌。

(2)由于氣壓作用于掌子面，能夠加強(qiáng)掌子面的穩(wěn)定。

(3)由于壓氣對圍巖縫隙起到排擠水的作用，增強(qiáng)了砂卵石地層的強(qiáng)度。

因此帶壓換刀的核心在于建立穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境，確保地層不滲水、不坍塌。帶壓換刀的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是圍繞倉內(nèi)高壓力穩(wěn)定來開展的，其核心是地層的氣密性。這個(gè)工作分為兩個(gè)方面來落實(shí)，一是地層的氣密性加固，二是自動(dòng)保壓系統(tǒng)加氣狀態(tài)的判斷和調(diào)整(見圖2)。

圖2 帶壓換刀氣密性薄弱處示意

3.2 刀盤上部土體加固

刀盤上部的穩(wěn)定性和氣密性對壓氣開倉非常關(guān)鍵。為加強(qiáng)帶壓換刀的安全性，確保刀盤上部的土體不出現(xiàn)塌落、掌子面的土體在氣壓作用下更加穩(wěn)定，必須根據(jù)地質(zhì)條件制定合適的加固措施，包括采用化學(xué)漿液或雙液漿進(jìn)行加固等。

3.3 掌子面氣密性加固

掌子面的氣密性是通過高膨化、高濃度的膨潤土泥漿在高壓力作用下滲透進(jìn)入地層，并在刀盤和掌子面之間形成一層密實(shí)的泥膜。其施工方法如下：

(1)盾構(gòu)停機(jī)時(shí)向土倉內(nèi)注入膨潤土泥漿，注入的體積由壓力控制，每次注入時(shí)使上部土壓達(dá)到掘進(jìn)壓力的1.5～2倍，多次注入。

(2)開倉前降低倉位的同時(shí)注入膨潤土泥漿，用泥漿置換渣土，置換渣土?xí)r要嚴(yán)格控制出土量。

(3)進(jìn)倉前注入高壓空氣置換泥漿。使膨潤土泥漿在多次高壓力作用下不斷在掌子面上擠壓，形成泥膜，在整個(gè)泥膜建立過程中，適當(dāng)?shù)厥湛s油缸，使盾構(gòu)機(jī)在壓力作用下后退3～5 cm，對泥膜建立更為理想。

3.4 周邊地層的氣密性加固

為保證鉸接位置的氣密性和確保氣體不向盾體后面流竄，有必要對盾體上部或管片位置進(jìn)行加固。

(1)通過盾體徑向注漿孔向土倉內(nèi)注入充分的優(yōu)質(zhì)聚氨酯：一是封堵盾體周圍滲水通道，增強(qiáng)氣密性；二是方便盾構(gòu)機(jī)脫困。

成都地鐵7號(hào)線經(jīng)過比選后采用CFPU-120油溶性聚氨酯止漏劑，該聚氨酯具有以下特點(diǎn)：

①該產(chǎn)品是雙組分聚氨酯注漿堵漏材料，由主劑和副劑組成，主劑與副劑配比為重量比(主劑100 ∶副劑 8～12)。

②漿液遇水后會(huì)發(fā)泡膨脹快，膨脹率大，強(qiáng)度好，對滲水量大的地下工程堵漏效果良好，能加固地基。

③固結(jié)體有良好的抗?jié)B性，在水中永久保持原形，并具有耐低溫性。

④與水具有良好的混溶性，誘導(dǎo)時(shí)間可以通過配比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2)在盾尾后5～7環(huán)注入雙液漿進(jìn)行封環(huán)，雙液漿為水玻璃與水泥漿液的混合液，具體配比及相關(guān)參數(shù)如下：

水泥漿液水灰比，水 ∶水泥(重量比)= 1 ∶1。

水玻璃 ∶水泥漿(體積比)=1 ∶1，凝結(jié)時(shí)間35～40 s。

雙液漿注入壓力控制在0.3～0.5 MPa。

3.5 作業(yè)壓力確定及保壓試驗(yàn)

3.5.1 土倉內(nèi)作業(yè)環(huán)境壓力確定

為達(dá)到壓氣作業(yè)施工的目的，保障作業(yè)人員的身體健康，壓氣壓力值的設(shè)定尤為重要。通常，壓氣壓力以開挖面的地下水為基準(zhǔn)，再考慮隧道埋深從而來確定數(shù)值。實(shí)際上在成都富水砂卵石地層，盾構(gòu)機(jī)停機(jī)的上部土倉壓力基本等于該位置的水壓力，再加上3 m的隧道埋深，因此作業(yè)環(huán)境的壓力為盾構(gòu)上部土倉壓力+0.03 MPa。

以火駟區(qū)間為例，靜止時(shí)盾構(gòu)機(jī)上部壓力為0.19 MPa左右，將作業(yè)壓力設(shè)定在0.22～0.23 MPa，先高后低，作業(yè)過程中適當(dāng)降低，這對人的健康更為有利。

3.5.2 保壓試驗(yàn)

在開倉前為驗(yàn)證地層的氣密性，有必要進(jìn)行一次保壓試驗(yàn)，保壓試驗(yàn)的時(shí)間為膨潤土泥漿置換渣土后。

膨潤土泥漿置換渣土后，經(jīng)過一段時(shí)間的高壓作用，開始用氣體置換泥漿。置換完成后打開自動(dòng)保壓系統(tǒng)，使土倉壓力穩(wěn)定在工作壓力位置，然后對空壓力的補(bǔ)氣情況進(jìn)行檢查。

以中鐵裝備的盾構(gòu)機(jī)為例，自帶的空壓力為8立方，額定工作壓力為0.8 MPa，將儲(chǔ)氣罐的壓力設(shè)定在0.5～0.6 MPa，儲(chǔ)氣罐不斷地給土倉內(nèi)補(bǔ)氣加壓，穩(wěn)定土倉壓力，當(dāng)壓力低于設(shè)定的0.5～0.6 MPa時(shí)，空壓機(jī)開始啟動(dòng)并補(bǔ)償儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力，使之接近0.8 MPa，然后空壓機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力降低后再次啟動(dòng)。

保壓試驗(yàn)的情況將直接反映該地層條件能否進(jìn)行帶壓換刀，或反映地層氣密性的加固是否到位，也直接關(guān)系到人員能否進(jìn)倉。

4 應(yīng)急準(zhǔn)備

壓氣帶壓作業(yè)具有較高的風(fēng)險(xiǎn)，不同于常規(guī)的作業(yè)環(huán)境，因此在壓氣帶壓作業(yè)的全過程應(yīng)保持高度警惕。在帶壓換刀前，必須做好開倉前應(yīng)急物資準(zhǔn)備，針對性地編制應(yīng)急預(yù)案并做好應(yīng)急演練工作。

5 結(jié) 語

成都地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)表明在砂卵石地層中施工時(shí)刀具磨耗非常嚴(yán)重，平均400～500 m需開倉對刀具進(jìn)行檢查和更換，由于部分盾構(gòu)施工受地面外界條件限制，致使帶壓換刀施工作業(yè)成為盾構(gòu)施工常用工藝。在地鐵7號(hào)線1標(biāo)火駟區(qū)間的帶壓換刀施工中，通過參建各方對施工方案的詳細(xì)制定及審查，嚴(yán)格過程管控，確保了盾構(gòu)帶壓換刀的保質(zhì)、安全進(jìn)行，對后續(xù)盾構(gòu)的正常掘進(jìn)起到了至關(guān)重要的作用。