地铁遂道施工中海瑞克土压盾构带压开仓换刀作业专项技术探讨

【摘要】 盾构施工以其安全、快速、高效在城市基础设施――城市地铁、市政公用管路、输油地下管道等各类地下工程建设中得到越来越广泛的应用。本文通过工程实例，对地铁遂道施工中海瑞克土压盾构带压开仓换刀作业专项技术进行了探讨，以供同仁参考。

【关键词】 地铁遂道施工；海瑞克土压盾构带压开仓换刀作业；技术要点

一、工程概况

某城市地铁隧道工程：本盾构施工隧道穿越一人工淡水湖泊，常年水深保持在1.2-1.7米，湖泊所在施工里程为：右线CK18+110～CK18+434，左线CK18+113～CK18+431，该隧道在湖泊下最大中心埋深为28米，湖下所穿越地质主要为中密～密实的混合土，该层主要为角砾混砾砂、风化岩屑及少量粘性土，胶结性差，易坍塌，自稳性差，且含较丰富的弱承压水，中部强风化钙质泥岩，底部中风化钙质泥岩，存在“上软下硬”型地质段。本标段采用的是两台德国海瑞克土压平衡复合盾构施工，该型盾构采用开口率为38%的面板式可伸缩刀盘、16组液压千斤顶可产生最大4200T推力；所用盘型滚刀采用意大利庞万力进口刀圈及国内某知名厂家生产的刀毂自行组装而成，泡沫剂选用的是法国康达特公司生产的泡沫原液。右线盾构机掘进447―453环时参数异常（掘进参数见表1）。

右线盾构机掘进设定正常刀盘保护扭矩为3.9MN.m，当达到或超过该值时，刀盘停止转动，掘进停止。提取螺闸门处渣样分析，渣样含22%岩石，且岩石渣样已不具备盾构岩层正常掘进的“飞碟状”，而是呈细颗粒状，直径小于4mm。根据以上掘进参数，判断刀盘中心泥饼较重、部分刀具已产生较大磨损，从掘进段掌子面地质断面图及渣样分析，该断面下不具备常压开仓换刀条件，拟对掌子面土体采取泥膜护壁辅助措施后，实行压气换刀作业。

二、带压作业施工方法及流程

（1）总体施工方法及步骤

带压作业是指通过对盾构机土仓内注入过滤后的压缩空气，使盾构机前端土仓与外界土层形成一个密闭的压气空间，以压缩空气为压力介质保证掌子面土层稳定，并能阻止地下水流入土仓内，使得作业人员能够安全进入稳定压气空间内，进行盾构机刀具的检查及更换工作。步骤如下：施工准备工作土仓置换加压、保压实验人员进入人仓，开始加压人员进入土仓，更换刀具人员进入人仓，开始减压一个换刀作业循环结束，数个循环至刀具更换完成，建立土压、恢复推进。

5）泥膜护壁施工工序设计

5）.1施工前准备：

①盾构止水：洗仓前，盾尾后三环管片及盾构中体注射聚氨酯做止水环，防止管片后方来水涌到土仓内，影响本次洗仓及分级加压效果。

②管路连接：

a、二次注浆机（或同步注浆机）与土仓壁平衡阀之间的管路连接。海瑞克盾构机土仓壁平衡阀有若干个，本次回填注浆选用3点、9点及人闸12点三个平衡阀作为回填通道，平衡阀管路接到二次注浆机上，管路接头选用活动接头，方便不同点位之间管路连接的切换。

b、二次注浆机与膨润土运输设备的管路连接。膨润土浆液按要求在地面砂浆站调试好后，放到井口电瓶车砂浆灌里，运输进隧内。将砂浆灌自带的放浆管与隧道内二次注浆机进浆口连接，管道安装完毕，检查浆液运输设备、二次注浆机及土仓壁之间管路的密封性。

5）.2泥膜护壁、加压置换施工：

4月14日，进行泥膜护壁第一步――洗仓，同时将盾构机刀盘伸出至180mm位置。利用同步注浆机往土仓内注射黏度为30S（现场测试）膨润土，待土仓压力稳定在1.8bar后，逐步通过螺旋机出土平衡仓内压力。当天共注膨润土31.3m?，螺旋机出土25.17m?，出土渣样从粗颗粒逐步变成小颗粒，至15日凌晨从土仓壁9点位置取出膨润土渣样测试黏度，为27.8S（小颗粒较多）。15日利用管片车放置的二次注浆机对土仓注射膨润土，仓内压力提高到2.1bar，共注膨润土21.4m?，出土19m?，预计将膨润土黏度调高到45S。从土仓壁9点球阀取出膨润土渣样，测试黏度为52S，效果比预期好。16日利用盾构机刀盘可伸缩功能，使盾构机刀盘回缩至50mm位置，进行第二次膨润土注入，仓压调整到2.5bar，膨润土黏度调到50S，共注进土仓6m?，出土5.6m?。仓内取渣样测试黏度，为57S，泥膜状况良好。

下一步加压置换――出土加气保压。

a、当仓内渣土位置降至SAMSON系统气压注入口前，开启盾构胸板高处的加气口加气保持土仓压力平衡置换，此时不转动刀盘，将舱内压力降至2.2bar。

b、当仓内渣土位置降至SAMSON系统气压注入口后，停止出土，开启SAMSON系统并同时关闭胸板处加气口，输入确定好的气压设定值（1.8bar），进行土仓内保压实验。观察40min舱内土压无异常。

c、继续出土，将仓内水土降至土仓密封门下部，观察40min土压是否有异常情况；同时监测湖面监测点状况。

②若无异常情况，继续出土，将仓内水土降至中心位置；

在上述过程中，土仓内压力不可低于输入的设定值，SAMSON系统工作正常，补气的频率越慢越少越好，注意观察记录。一切正常2～3小时后，打开人闸室土仓壁上的平衡阀，可排出压缩空气，无水，无泥，此时可判断地层保压成功，可进仓带压换刀。

（3）压气换刀作业

1）气体检测。应地铁公司的要求，在换刀前必须对仓内的空气质量做有毒气体的气体检测，由于本次换刀为压气换刀，监测设备无法直接进入土仓内，所以将在建立了气压之后，将监测装置至于排气孔的位置进行气体检测。经检测合格后，施工人员方可进入人舱内进行下一步的施工作业。在压气换刀期间，气体检测每3天进行一次。

2）前舱加压。检查显示仪表、供暖装置、钟表、温度计、电话、紧急电话及阀门、舱门密封件是否干净；关闭前舱舱门，确保关闭正确；关闭前舱与主舱之间密封门；使用电话，使人闸值班员与人闸里面的人员保持联系；操舱医生缓慢地打开进气阀；缓慢地升高前舱的压力，直到达到工作压力； 前舱里面的人员可根据需要调节供暖装置；当主舱内压力达到工作压力时，前舱内的人先打开舱门旁边的平衡阀，待压力平衡后就可以打开主舱与前舱之间的气密门，进入主舱。

3）换刀作业。加压完成后，主舱的气压与土仓的气压相等，都是工作压力，工作人员可打开主舱与土仓之间的密封门进入土仓进行换刀作业。所有换刀人员必须服从命令听指挥，按照既定的方针在仓内进行作业。

经检查，刀具磨损量以外圈最大，中心部位磨损量最小，以及担心掌子面稳定时间问题，所以换刀顺序先从外圈开始，刀具编号由大到小的顺序进行更换，经过对刀具磨损量的量测，决定对磨损量>20mm的刀具进行更换，正面磨损量20mm的不更换，两把保径刀39A＼39B磨损量>5mm即必须更换，每班（5小时）可更换滚刀1把，累计换滚刀20把（13、26号～39B），周边11把，正面9把。其他工作包括疏通泡沫管路，清除刀盘泥饼。

4）前舱减压。工作人员在达到限定的工作时间（或出现不适）需进行减压，具体步骤如下：工作人员到达前舱并关闭主舱与前舱的气密门；主舱内人员使用电话与操舱人员联系；根据减压表的要求降低前舱的压力，观察前舱压力表和前舱进气流量计；与此同时，操舱人员同时打开排气阀，开始排气，无论如何此时压力不可以再次升高；调节进气阀和排气阀，直到达到排气过程所规定的缓慢而恒定的压力降低速度，进气流量计的流量值每人至少为：0.5m3/min。

观察前舱压力表，当前舱内部的气压降到第一级压力值时，操舱人员通过调节进气阀和排气阀，在规定的时间内保持压力恒定。操舱人员应通过进气流量计经常检查人闸的排气情况。在保压过程中重复进气和排气的调节步骤，直到舱内压力与外界的常压相同，在减压过程中，人闸内的人员可以打开供暖装置，推荐的温度为15℃-28℃。打开前舱与外界之间的舱门，人员从前舱出来。操舱人员将减压过程（日期、时间、压力、人数等）记录在人闸记录本上。减压之后，必须按有关加压减压的规定，确保在压力下工作的人员在工作场所休息一定的时间。

本次采用泥膜护壁工法辅助带压开仓，有效提高了掌子面前方土层的稳定性，形成了有效的密闭空间，在气压作用下，稳定了掌子面前方土层，为人员安全作业创造了有利条件，完成了453环位置20把边缘及正面滚刀的更换。从4月17日人员带压进仓检查刀具到24日完成20把刀具更换，地面沉降基本稳定。