盾构施工换刀风险控制技术

2011-09-04程新军

铁道建筑 2011年9期

程新军

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100)

1 工程概况

南水北调穿黄工程位于河南省郑州市上游约30 km处，穿黄隧洞全长4 250 m，其中穿越黄河主河道长3 480 m，双洞平行布置，中心线间距为28 m，各采用1台泥水加压平衡盾构机自北岸竖井始发向南岸掘进，穿黄隧洞最大埋深35 m，最小埋深23 m;断面最大水压为450 kPa。穿黄隧洞管片外径φ 8 700 mm，内径φ 7 900 mm，厚400 mm，环宽1 600 mm，最大单块质量为6.5 t，采用7等分管片分块形式(见图1)。

图1 穿黄隧洞形象示意

2 换刀方案

南水北调穿黄工程由于一次掘进距离长，盾构机刀盘磨损问题严重，根据穿黄工程的地质特点及特殊性，经研究讨论确定采用常压修复刀盘的方案。

盾构机埋深29 m，地面至28 m深处为高透水的中砂层，盾构机上方1 m的粉质壤土以上即为稳定性差，透水率高的砂层;刀盘全断面为粉质黏土及粉质壤土，虽然有较好的隔水性，但是长时间暴露在高水土压力中的粉质壤土的稳定性仍然不能保证。为防止在掌子面开挖和盾构常压修复刀盘作业时地下水渗透到盾构刀盘工作区域，造成刀盘周边涌水及土体塌方，我部在盾构机周边施作一道搅拌桩防渗墙作为止水帷幕，并对盾构刀盘前部和尾部周围土体进行加固，加固采用三轴搅拌桩，加固全部完成后，又在止水帷幕内外对土体进行了降水。降水完成后再进行掌子面的开挖支护，最后在常压下进行刀盘修复及刀具改造的施工。

3 风险分析

盾构机刀盘所处位置地质条件相对较差、埋深较大、水土压力高，容易发生以下风险。

3.1 涌水涌沙事故

1)易发生时间:掌子面开挖期间，刀盘修复期间。

2)发生形式:①在对掌子面的刀盘修复空间进行开挖时，掌子面或开挖空间顶部发生透水，导致盾构顶部28 m的水携带大量沙涌入开挖空间，造成较大事故。②在刀盘修复期间，如果地面降水设备出现故障，或因为其它原因，导致地下水位突然升高，开挖空间的支护衬砌承受的水土压力突然增大，外部水土有可能寻找支护衬砌的薄弱点突破并大量涌入开挖空间内。

3.2 掌子面拱顶塌方

1)易发生时间:掌子面开挖期间。

2)发生形式:开挖空间顶部仅0.5～1.0 m厚的粉质壤土承受不住上部的水土压力而向开挖空间内部坍塌，导致上部地下水及砂涌入开挖空间。

3.3 支护垮塌

1)易发生时间:开挖支护期间、支护完成后尚未稳定时、刀盘修复期间地下水位突然升高时。

2)发生形式:①开挖支护期间，支护顺序及支护方法不当或拆除临时支撑顺序不当、未支护完成的部分暴露时间过长有可能引起支护垮塌，造成整个开挖空间的坍塌。②前一步支护刚刚完成尚未达到稳定状态，并未具有足够的承载能力时，错误拆除支撑或盲目进尺，容易引起未稳定的支护垮塌，如果有连带作用，整个开挖空间将发生垮塌。③在刀盘修复期间，如果地面降水设备出现故障，或因为其他原因，导致地下水位突然升高，开挖空间的支护衬砌承受的水土压力突然升高，支护衬砌受力不合理，容易导致支护的垮塌。

3.4 高空坠落

1)易发生时间:掌子面开挖期间、刀盘修复期间。

2)发生形式:由于掌子面开挖空间较高，内部钢支架较多，而工作人员需经常性上下，容易发生高空坠落事故。

3.5 有害气体中毒

1)易发生时间:刀盘修复期间。

2)发生形式:刀盘修复需要大量动火作业，包括气割、焊接等，在动火作业过程中会产生大量有毒有害气体，比如二氧化碳、一氧化碳等，如果通风条件不好，工作人员长时间在此环境中作业，容易气体中毒，昏迷、晕倒、甚至有生命危险。

3.6 触电

1)易发生时间:刀盘修复期间。

2)发生形式:刀盘修复过程中需要使用大量机械设备，通电线路杂且多，又因为刀盘修复空间狭小、通道狭窄，过往人员及设备较多，因此容易发生电线或机械破损漏电，而盾构机均为导电性好的钢结构，从而容易发生触电事故。

3.7 爆炸

1)易发生时间:刀盘修复期间。

2)发生形式:①刀盘修复所用氧气乙炔等易燃易爆物品，一般会分类集中摆放，且使用频率高。如果气瓶、气带等发生漏气，浓度达到一定限度后遇火即会发生爆炸。②修复焊接动火作业较多，作业时的火苗、飞溅的焊渣等容易落到易燃易爆品上，如气瓶、气带等，从而烧破气带引起火灾或爆炸。

4 风险控制

4.1 搅拌桩防渗及加固

为防止有较高压力的地下水进入刀盘开挖空间，形成大量涌水涌沙，并减小水土压力对刀盘修复空间的影响，防止开挖空间坍塌，我部在盾构机四周设置一圈止水帷幕，其中盾构机前方和两侧各施作一道搅拌桩防渗墙，加固深度为42 m，采用单排三轴搅拌桩套打施工，盾构机后部防渗墙采用单排三轴搅拌桩，加固深度为28.5～42.0 m，紧贴其所在位置的已成型隧道，尽量减少过水通道。

为防止掌子面开挖期间和常压修复及改造刀盘时，刀盘上方和前方土体失稳，对开挖空间造成较大压力，造成整个空间坍塌，我部对盾构机前方土体进行三排搅拌桩加固，加固深度为42.0 m，对盾构机前盾上方范围施作7排搅拌桩加固，加固深度为28.5 m，以增强此处土体的稳定性、隔水性及强度。

4.2 防渗墙内外降水

1)降水目的:①通过降水及时降低加固区域范围内土体的地下水位，防止高压水进入开挖区，满足加固区域刀盘前方开挖、支护等施工的要求。②降低开挖区外的水土压力，防止掌子面开挖和刀盘修复期间发生涌水涌沙、塌方、开挖支护垮塌的现象。③通过降水降低加固区域内外侧土体主动土压力，减少搅拌桩变形，提高桩体稳定性，缩小对周边环境的影响。④降低刀盘修复区域的地下水，为刀盘修复提供安全作业环境。

2)降水井布置(见图2)

图 2 中，普通降水深井中 1#，2#，3#，4#，5#，10#，11#，13#降水井深 40 m，7#，8#，12#降水井深 50 m，6#，9#降水井深28 m;观测井中 1#为28 m 深，2#，3#为 40 m深，4#为50 m深;真空降水井沿盾构机两侧各布置4口，深40 m。

三个区域布置深井降水井:1区为搅拌桩防渗墙内侧即盾构机头上部，目的为疏干防渗墙内砂层中的地下水，同时对粉质壤土和粉质黏土层也起到一定的疏干作用;2区为盾尾，将地下潜水水位降至20 m以下，最大程度地减小防渗墙外地下水向墙内渗透的压力;3区为盾前即盾前加固区外侧，主要用于降低砂岩层的承压水水位。

真空深井降水布置:布置的真空降水井主要以疏干黏性土层水为目的，根据搅拌桩加固情况，真空井布置在盾构机身两侧与搅拌桩之间，以高度真空的方式疏干黏性土层的孔隙水，保障盾构机头开挖洞室的稳定及施工人员的安全。

4.3 换刀作业面开挖

1)开挖范围(见图3)

根据经验确定的刀盘修复空间为刀盘90°开口范围内的土体，同时向刀盘外边缘扩展1.0 m，以满足对刀盘外缘耐磨条的修复。在隧道轴线方向上，向刀盘面板前方开挖1.3 m，向刀盘面板后方开挖1.2 m，总开挖长度2.5 m。

图2 常压换刀降水井布置(单位:cm)

图3 拟开挖空间横断面示意(单位:cm)

2)开挖方法

盾构所处位置刀盘前方土体主要为粉质壤土、粉质黏土及钙质结核的胶结物。开挖空间最大跨度为10.68 m。根据上述条件，同时考虑施工的安全性、易操作性，确定开挖方法采用中隔壁法。

3)支护方法

刀盘修复及换刀工作持续时间较长，需要一个稳定持久的开挖空间，而且掌子面土体较不稳定，有可能存在较丰富的地下水。因此，我部采用隧道施工中的新奥法对掌子面进行支护。

开挖采用喷射混凝土、锚杆、钢拱架、钢筋网联合支护，但不做二次衬砌。

①本次钢拱架榀间距取0.5 m，共设5榀，钢架选用I20a工字钢;②钢架连接筋:HPB235，φ20 mm，连接筋环向间距为1.0 m，交错布置;③本次支护锚杆间距1 m，长度3 m，拱、墙均布置，而且在背面周边布置。沿钢拱架边缘呈梅花形布置。锁脚锚杆采用φ20 mm药包锚杆;④采用的喷射混凝土设计厚度为28 cm，设计强度等级为C20;⑤支护钢筋网采用 φ8 mm钢筋，钢筋网格尺寸为15 cm×15 cm，拱、墙布置。

4)支护形式(见图4)