开挖舱高压环境下盾构刀盘动火修复技术

李建华，何 伟，王百泉（.中铁隧道勘测设计研究院，河南洛阳 47009；.中铁隧道集团北京直径线项目部，北京 00045）

开挖舱高压环境下盾构刀盘动火修复技术

李建华1，何 伟1，王百泉2
（1.中铁隧道勘测设计研究院，河南洛阳 471009；2.中铁隧道集团北京直径线项目部，北京 100045）

摘要：为了解决盾构在城市环境中长距离掘进时刀盘修复难题，结合北京铁路地下直径线工程的成功经验，阐述带压动火的整体思路，介绍带压动火作业的现场实施情况，分析在焊接过程中保障作业空间安全、气体环境的防爆安全、人员健康和作业可控的技术要求，研究高压焊接技术涉及的焊接方法、焊接设备、焊接材料和焊接工艺等系列问题，形成了完整的技术体系，并取得了良好的应用效果。

关键词：隧道；砂卵石地层；盾构；刀盘修复；带压动火；环境安全保障；高压焊接技术

0　引言

21世纪是人类开发利用地下空间的世纪。盾构施工以其安全、优质、高效、环保等显著优点，已成为地下隧道施工的首选方法，并广泛应用于城市轨道交通、电力、水利水电、地下水库与水处理、输气输油、公路、铁路、军工等地下工程领域。

盾构掘进过程中，因地质条件变化、地下障碍物等影响，刀盘刀具的磨损乃至损坏经常发生，需及时进行修复［1］。目前可行的修复方法有常压修复和高压修复2类［2］。常压修复即通过竖井或地层加固后常压开舱，在工厂或施工现场进行修复作业，是现阶段技术相对成熟的方法，应用也较为常见；但是，常压修复存在着较大的局限性，例如该方法对停机位置有诸多的要求和限制条件，在繁华城区进行盾构施工时难以完全得到满足，时常造成盾构掘进速度下降、掘进效率降低甚至停机等严重后果。此外，该方法会对修复成本和工期造成沉重压力。高压修复的原理是在停机位置刀盘前方建立高压空间，由维修人员在该空间内动火修复刀盘［3］，这种方法适用于受环境条件限制无法开凿竖井或加固地面的位置，如江河、海底、建筑物或密集管线的下方。由此可见，高压修复方式有利于拓宽盾构的应用范围，不过高压修复技术难度较大，在世界范围内的应用案例不多。

北京铁路地下直径线工程位于北京市中心城区，

沿途穿越地层以砂卵石为主，盾构刀具磨损很快。据试验段盾构施工数据统计，每隔100～150 m即需进行刀具检查更换［4］，且在带压换刀过程中发现刀盘出现了不同程度的磨损，为后续施工埋下了隐患。考虑到工程沿线建筑物林立，地下管线众多，许多地方不具备常压修复刀盘的条件；因此，高压修复技术的应用及其效果成为了本工程的关键环节，为此工程技术人员联合高校开展了相关专项技术的科研攻关，并取得了一系列成果。何峰等［5］、程明亮等［6］、孙善辉等［7］对压缩空气条件下的动火作业工艺流程进行了研究；李其修等［8］对密闭舱室动火作业的有害气体分布规律进行了分析；孟海峰等［9］、黄学军等［10］对舱室的气密性维持和相应的地层加固技术进行了论述。在此基础上，本文从环境安全、作业方法、技术参数、操作设备等多角度出发，对开挖舱高压环境下盾构刀盘动火焊接、切割修复技术进行了分析。

1　工程概况

北京铁路地下直径线工程是承启北京站与北京西站的地下铁路线工程，工程地处北京市中心城区，全长9 151 m，采用多工法施工，其中盾构隧道长5 175 m。

直径线工程的修建面临着诸多的技术难题。首先是周边环境较为复杂，沿线建（构）筑物、管线众多，如平行地铁2号线4 km，最小距离仅1.7 m；下穿地铁4号线宣武门站，最小净距4.98 m；穿越天宁寺桥、西便门桥、前门箭楼、正阳门火车站等特级风险点。其次是工程地质复杂，盾构隧道西端（天宁寺至和平门）以卵石层、圆砾为主，并伴有强度较高的钙质胶结层；东端（和平门至崇文门）则以粉质黏土层、粉土层和砂层地层为主。

直径线工程盾构掘进施工过程中，因为复杂的地质条件、其他工程遗留于地下的钢管等障碍物的影响，盾构刀盘先后3次严重受损。受制于地面环境条件的限制，只能通过高压环境下的动火切割、焊接技术来解决［11］。

2　高压环境空间构建与安全维持技术

地下高压作业空间的构建，其实质就是在地下某一区域内将拟建立空间范围的天然土体置换成可以平衡周围水土压力的气压。高压作业空间的安全维持，一是要维持空间气压的稳定，以有效平衡周围水土压力，进而保证作业面及停机位置周边环境的安全；二是要对刀盘修复过程中作业空间高压气体漏失量进行有效控制，避免环境气压波动伤害作业人员、大量的气体漏失造成地下某一区域土层形成渗透通道而引发土体失稳、单位时间的气体漏失量超过设备的单位时间补气量导致空间压力无法维持。总而言之，这项技术的关键是保证作业空间的气压稳定，而就北京直径线工程的地质条件来看，开挖舱气密性问题是砂卵石地层盾构施工的一大难题。

实际施工中，保持作业空间气密性和稳定性采用了2条途径。一是在有条件的停机点，根据停机点的埋深、水位标高、地层地质特点以及停机时长，选择垂直袖阀管分段注浆、高压旋喷桩、钻孔灌注桩、全回钻钻机咬合桩，利用盾构自带的全圆超前注浆等方式进行地层加固，加强地层自稳能力；二是通过优质泥膜、盾尾注浆、聚合物堵漏剂和气囊密封等综合手段，封堵高压气体的逃逸通道。

在宣武门西侧DK5＋028处，经带压进舱检查发现刀盘刀具磨损严重，需进行刀盘改造和修复。该地点位于宣武门西大街国华旅馆前中心绿化带下方，刀盘维修时利用了空心桩技术预设带压作业空间。加固区以DK5＋028为中心施作3排玻璃纤维筋灌注桩，在隧道轴线上，群桩中间施作1根2.0 m的灌注桩，然后在2.0 m桩中间位置采用旋挖钻钻出1个1.3 m工作井，并加盖封闭，如图1所示。盾构掘进至第2排桩中间位置停机，使盾构刀盘恰好将工作井临近端井壁切除，然后在带压状态下对刀盘刀具进行切割或焊接作业。

图1　复打空心桩施工平面示意图（单位：mm）Fig.1 Position of hollow pile（mm）

在无条件进行地层加固的刀盘检修位置，主要通过气密性封堵措施，维持刀盘前方密闭空间的气压与土压平衡，从而保证维修空间的稳定。在砂卵石地层中，由于气体逃逸通道多，采用这种方法存在较大困难，包括掌子面地层漏气、盾构设备本身密封不严漏气、中盾预留管路漏气、盾尾密封刷漏气、盾壳周围地层漏气、管片接缝处漏气等。针对各种漏气通道，应采用相应的封堵方法。通过室内泥浆配比试验和渗透试验，配置出了一种优质泥浆，黏度不低于90 Pa·s，黏聚性和柔软性较好，不易开裂，泥浆置换后通过在掘进泥水压基础上增加一定压力，并进行不小于4 h的保压后，可在开挖面建立良好的泥膜，以避免高压气体向前方土体泄漏，并结合同步注浆、盾尾注浆、中盾壁后

注浆、加装气囊密封（如图2所示）、加注聚合物堵漏剂等措施，较好地维持了检修空间的气密性。此外，对刀盘舱压力进行了严格控制，并对舱内空气质量、泥膜质量、作业空间构造安全和沉降数据变化情况进行了严密监控，以保证高压检修空间的稳定和安全。

图2　气囊密封装置Fig.2 Sealing by air bag

3　高压环境作业人员安全及健康保障技术

在焊接、切割及相关工艺过程中，会产生一些有害人体健康的气态和颗粒状态的物质，包括气体、烟雾和粉尘等，是人体可吸入的空气污染物质，危害人体健康，尤其是作业人员长时间在密闭空间进行动火作业时，更易加重对身体的损害程度。

对封闭空间内压力环境下火灾烟流特性进行了动力学仿真研究，试验模型如图3所示。图4为火源功率为49.7 kW时，不同时间下火源和舱门处温度随舱室高度变化情况。图5为烟气毒性评价有效剂量分数FED（Fractional Effective Dose，主要考察气体为CO和CO2）随舱室纵向长度的分布。

图3　火灾烟流特性仿真试验模型Fig.3 Simulation model for smoke flow in case of fire

研究结果表明：随着火源功率的增大，舱室内的FED数值均明显增大，表明舱室内烟气毒性增加；同时，火源附近以及舱门处的FED数较其他位置大，是较为危险的区域。随着火源功率的增大，舱室内CO2体积分数从火源开始燃烧后持续增加，但CO体积分数在火源燃烧一段时间之后才开始明显增加。

针对烟雾对人身健康的伤害，开发了一种作业人员在高压密闭空间内动火作业过程中佩戴的专用呼吸面罩，如图6所示。面罩分别连接净化空气输送软管和废气排放软管，并配有减压装置，可根据需要调节空气压力，保证人员正常呼吸。

图4　火源和舱门处温度随舱室高度和时间变化情况Fig.4 Curves of temperature changes

图5　FED随舱室纵向长度分布情况Fig.5 Correlation between FED and length of chamber

图6　新型呼吸面罩Fig.6 New type of breathing mask

此外，对自动保压进排气系统进行了改进，增设了废气排放及气体组分实时监测系统、高压灭火和防爆装备等，在实际施工中有效地保障了高压环境下作业人员的安全。

4　高压环境下刀盘切割焊接成套修复技术

4.1压缩空气爆炸燃烧试验

同常压环境下的动火作业相比，在压缩空气环境中进行盾构刀盘焊接修复时，既要考虑压缩空气对焊接行为的影响，又要考虑舱内可能存在的可燃气体的影响。常压环境中可燃气体的爆炸燃烧上下限已有成熟的研究结论，但高压环境下的爆炸界限还是个新课题。为了保证高压环境中动火作业的安全，在国内进行了首次的≤0.7 MPa环境下不同体积比的可燃气体密闭空间点火爆炸试验。试验设备采用了卧式防爆罐和高压密封罐，可燃气体由于种类繁多，选用了甲烷进行简化。

该次试验首先验证了纯空气介质在0.1～0.7 MPa压力下的爆炸情况，然后测试了甲烷和空气混合体在常压环境中的爆炸下限，最后通过环境压力的改变，验证爆炸下限在不同压力下是否会发生变化。部分试验记录见表1。

表1　0.3 MPa甲烷和空气混合气体爆炸下限试验记录Table 1 Explosion experiment data

试验结果显示，在0～0.7 MPa压力范围内，随着环境压力的增大，可燃气体的燃烧明显加剧，但并未发生爆炸。在试验设计的装置及环境条件中，测得甲烷在常压下的爆炸下限是体积比5.60%，而在加压环境中，甲烷体积分数≤体积比5.60%时，也并未发生爆炸。这一结论在实际施工中被作为重要的控制指标。

4.2压缩空气环境下焊接电弧行为

为了保证动火修复作业的质量，考察压缩空气环境下焊接电弧行为，对高压环境焊接电弧导电机制进行了理论研究，采用有限元软件CFD－ACE＋进行了仿真模拟，并进行了焊接电弧形态、电弧电特性的试验。

试验结果显示，随着环境压力的增加，弧柱弧压增加，电弧收缩。图7是弧长为5.5 mm时，在0.1～0.7 MPa压力范围内测量得到的电弧静特性曲线。统计结果表明，在空气环境下，电弧静特性随环境压力增加而向上平移，其平移量为5～10 V／MPa。图8为温度场模拟计算结果。从图8可以发现随着环境压力的升高，电弧最高温度在下降，且电弧收缩，电弧收缩结论与试验拍摄的电弧图像（见图9）结果一致。图9的试验条件是焊接电流为100 A，电极间距为3 mm，从左到右分别是0.1、0.3、0.7 MPa压力下的电弧图像。

图7　压缩空气环境下电弧静特性曲线（弧长l＝5.5 mm）Fig.7 Curves of static characteristics of arc under compressed air condition（arc length l＝5.5 mm）

图8　焊接电弧温度场Fig.8 Temperature field of welding arc

4.3高压环境下无人自动焊接工艺

在爆炸燃烧试验和焊接电弧行为研究的基础上，进行了压缩空气环境下的无人自动焊接试验。

图9　试验拍摄的电弧图像Fig.9 Picture of arc

焊接试验装置主要由高压气体储罐、高压焊接实验舱、自动焊接设备、摄像系统和中央控制台组成。自动焊接采用TIG焊（钨极氩弧焊），焊接电源为高性能数字逆变焊接电源，在0～0.6 MPa压力范围内，进行平板自动焊接试验，见图10。

图10　高压环境下无人自动焊接试验Fig.10 Automatic welding test under high pressure

试验结果表明，焊接过程是安全可控的，焊接质量能够达到美国焊接学会水下焊接标准AWS D3.6M∶1999规定的A类焊缝要求。

4.4高压环境下人工焊接切割工艺

经过前期的理论和试验研究，在保证人员安全和过程可控的前提下，进行了压缩空气环境中人工焊接切割试验。

带压进舱人员在压缩空气环境中进行了焊接、碳弧气刨试验，完成了平焊、立焊、横焊等多个位置的焊接，焊接质量均能够达到美国焊接学会水下焊接标准AWS D3.6M∶1999规定的A类焊缝要求，从而形成了具有自主产权的成套盾构刀盘带压动火修复作业工艺。

5　现场应用情况

2012年9月，北京铁路地下直径线工程项目部组织进行了盾构隧道内高压环境下的焊接切割技术现场试验，并取得了良好的效果。

现场修复应用试验在盾构高压舱内进行，焊接试验压力分为0.15、0.22、0.3 MPa 3个级别，焊缝型式包括对接接头坡口焊缝和堆焊缝。0.3 MPa压力下的现场焊接作业如图11所示。针对盾构刀盘维修焊接切割工艺多样、安全性与可靠性要求高以及作业空间狭小等特点，最终采用了伊萨公司ESAB650C型多功能焊机（见图12）用于现场焊接修复试验。焊条包括焊接用焊条和堆焊用焊条，焊接用焊条采用了伊萨公司的OK 48.08焊条，堆焊用焊条采用了伊萨公司的UTR－C DUR600焊条。

图11　0.3 MPa压力下的现场焊接作业Fig.11 Welding under 0.3 MPa pressure

图12　ESAB650C型多功能焊机Fig.12 ESAB650C multipurpose welding machine

试验过程中发现，随着环境压力的增加，焊接电弧区域氧、氮分压增加，焊缝金属的韧性下降，试验后期选用了高韧性焊接材料，以提供足够的韧性储备。此外，根据气体监测结果，切割产生的废气远比焊接时多，因此，即使作业人员佩戴了专用呼吸面罩，现场施工时仍对连续切割时间进行了限制，同时加强了舱内气体监测和强制换气。

在该工程修建过程中，项目部独立自主完成了带压动火作业56舱，盾构刀盘和冲刷管路得到了及时有效的修复，作业人员健康得到了良好保障，为工程的安全顺利完工起到了至关重要的作用。

6　结论与讨论

经过大量的理论分析和试验研究，盾构刀盘带压动火修复技术实现了自主产权，突破了国外技术垄断，并在北京铁路地下直径线工程的实际应用中取得了良好的技术效果和经济效益。

1）形成了通过复打空心桩、注浆结合泥浆置换保压、高黏度泥浆保压及堵漏置换等多种方式构建地下

高压作业空间的技术，解决了当地面条件受限不能建修复井时，盾构修复作业空间的构建与安全保障问题。

2）该项技术填补了国内空白，主要技术指标在国际领域具有先进水平，可实现0.6 MPa以内高压环境作业空间构建与维持，作业人员健康控制符合60 m以内潜水员作业标准，焊缝性能满足美国焊接学会水下焊接标准A类焊缝要求（国内未建立类似标准）。

3）在工程应用过程中，通过作业人员培训和技术工艺试验总结，成立了国内首支带压动火作业团队和跨安全、高压医学、高压潜水、土木、机械、电气和焊接等多学科的高压作业技术支持团队，编制了全套的作业技术指南、人员操作安全控制规程和人员培训标准等技术指导文件，为盾构刀盘带压动火修复技术的应用推广奠定了坚实的基础，对于盾构施工技术向深埋长大隧道工程项目的推广应用具有重大的现实意义。

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Technologies for Repairing Shield Cutterhead by means of Welding under Pressure

LI Jianhua1，HE Wei1，WANG Baiquan2
（1.Survey，Design and Research Institute of China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang 471009，Henan，China；2.Beijing Underground Rail Transit Line Project Department of China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Beijing 100045，China）

Abstract：During the construction of Beijing underground rail transit line，the cutterhead of the shield machine has to be repaired in the urban area.In the paper，the concept of dynamic fire under pressure is presented，the site conditions of operation under dynamic fire are described，the technical requirements for the safety，health and environment of the welders are analyzed，the welding method，welding equipment，welding materials and welding techniques under pressure are studied，thus a complete technological system is established.In the end，satisfactory effect has been achieved in the project.

Keywords：tunnel；sandy gravel strata；shield；cutterhead repairing；dynamic fire；safety guarantee；welding technology under pressure

作者简介：第一李建华（1968—），男，江苏金坛人，1993年毕业于西南交通大学，隧道与地下工程专业，本科，教授级高级工程师，现从事隧道施工科研及技术管理工作。

基金项目：铁道部科技研究开发计划“复杂地质环境下北京地下直径线施工综合技术研究”（2007G035）

收稿日期：2015－05－29；修回日期：2015－08－24

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672－741X（2015）09－0891－06

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.09.006