富水砂卵石地层地铁盾构区间带压换刀施工控制技术探讨

陈 万 强

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川 成都 610072)

1 工程概况

1.1 背 景

成都地铁7号线1标火驷区间单线长度为1 770 m，原计划在距离始发端600 m、1 200 m附近进仓换刀两次。第一次常压换刀在左线距始发端头453环(680 m)、右线距始发端头440环(660 m)，原计划第二次换刀位置在荷花池停车场内，但屡次与停车场产权单位沟通协调无果。按成都砂卵石地层常规的“降水+地层加固”的常压换刀方法进行换刀，在区间剩余段已不具备条件，后续盾构机需连续下穿北新高架桥、荷花池停车场、城北宾馆、荷花池社区等重大风险源，且隧道开挖断面存在复合地层，考虑到下穿重大风险源和泥岩掘进的安全和质量，有必要再进行一次换刀作业。就区间地表现状而言，不做地面处置的带压换刀就成了重点考虑的方法。

1.2 盾构开仓工艺简介

盾构机在掘进过程中，由于刀具的检查和更换，刀盘磨损检查或修补，处理刀盘开口的堵塞、固结，疏通膨润土管、泡沫管，处理刀盘前方的孤石或桩基等施工，需要开仓进入土仓才能完成，开仓是具有较大危险性的工序，根据环境、地质的不同，通常有以下四种开仓方式。

(1)在常压条件下直接开仓进行施工(地层稳定、地下水影响较小)。

(2)对地层进行地面垂直加固(降水+注浆加固或灌注桩加固)后，再实施常压下开仓，进行施工(地面具备降水和加固条件)。

(3)利用压入一定压力的空气，稳定掌子面，阻止开挖面的涌水，达到平衡，在非常压条件下进行施工(具备实施压气作业的条件)。

(4)通过对盾构机土仓内进行砂浆回填加固，稳定掌子面，再进行常压状态下的施工(较稳定地层，地面无加固条件的恶劣环境下)。

2 带压换刀管控程序

2.1 带压换刀作业流程(见图1)

2.2 带压换刀主要执行的标准及文件

成都地铁7号线带压换刀主要依据的标准和文件如下：

(1)《盾构法隧道施工与验收规范》(GB 50446-2008)。

(2)《盾构法开仓及气压作业技术规范》(CJJ-17-2014)。

(3)《成都地铁有限责任公司建设分公司关于进一步加强成都盾构施工换刀作业安全管理的紧急通知》(成地铁建[2014]103号)。

(4)《成都地铁盾构施工管理规定》(暂行)(成地铁[2015]126号)。

(5)《富水砂卵石地层地铁区间隧道盾构法施工管理规程》(试行)。

2.3 开仓前的准备工作

(1)带压换刀的可行性分析，换刀位置的选择，加固方式的确定，换刀队伍的选择，设备的检查和确定(从地质条件、地面环境、设备、人员等方面确认可以开展压气带压作业)。

图1 压气带压换刀作业流程

(2)编制压气带压换刀的安全专项施工方案，并组织专家评审。

(3)现场进行地层加固和保压试验的前期工作(注入膨润土泥浆、盾尾封环等)。

(4)作业队伍的确认工作，对操仓员和作业人员的资质进行检查和确认，操仓员和进仓人员必须持证上岗，对进仓人员进行专项体检，由医生确认进仓人员，根据确认的进仓人员名单编排进仓作业的分组。

(5)现场进行设备、电、气方面的准备，空压机调试和压力确定，低压安全电源接入人闸，气管、水管等接入人闸。

(6)人员的交底、教育、培训，有条件地组织心理方面的辅导。

(7)应急设备准备到位，主要是应急发电机和空压机，并安排专人24 h看护，可随时接驳。

(8)对有害气体检测仪提前标定，制定应急措施并组织现场进行演练。

(9)联系落实急救医院，制定急救线路，有条件的可在现场配置1～2名急救医生。

(10)方案落实、人员、设备、应急等各方面准备到位后，组织条件验收，并对条件验收提出的内容进行整改。

(11)开仓前出土、置换膨润土、建立工作气压等工作，在进仓前再进行一次保压试验，并将保压试验结果通报各方，满足条件后安排带压开仓施工并按流程组织开仓作业。

2.4 设备检查

(1)在筹划带压开仓期间，首先应邀请设备厂家对压气带压的设备进行全面的检查，尤其是人闸的气密性、压力仪表、空压机等，确保保压系统管路无泄漏、土压传感器压气检测正常、各仪表显示正常，人仓耐压值及时间符合标准值，流量计及压力表显示正常，消声器正常。

(2)检查各空气管路、胸板上闸门的可靠性。

(3)检查操仓人员所使用的加、减压缩空气的手动流量阀及流量计，观察压力仪表的可靠性和精确性，并确保操仓人员反复使用、调试，达到熟练使用程度。

(4)对盾构机自带的两台空气压缩机进行保养和精心维护。另外装配一台内燃式空气压缩机，使其与盾构台车管路连接完好，确保电力中断时的紧急使用。压缩机的规格应在10立方以上，一般空压机自身的压力设定应为0.7～0.8 MPa，盾构机压气作业时的管路压力可通过设备自身的调压阀设定为0.5～0.6 MPa。

(5)土仓保压的自动保压系统是压气作业的核心设备，必须有专业人士对其进行维护和调试，并且自动保压系统的预先补气测试一定要反复测试数次后，方可确认下来。

(6)通信设备的准备。仓内、仓外、操作室、地面指挥中心的通信设备一定要自成绝对的独立系统，确保通信畅通无阻。

(7)地面还应准备一台200 kW以上的内燃发电机，与盾构后配套设备相连，以防电力中断时使用。土仓内使用24 V或36 V安全电压。

(8)带压进仓作业设备进行全面的检查和试运行，两套压气调节设备应全部正常，并做好应急设备的准备。

2.5 人员选定

带压换刀的人员选定分为操仓员和进仓作业人员两类。

(1)专业的操仓医生是确保施工和进仓作业人员生命健康的有力保障，宜选择具有高压氧仓工作经验、熟悉盾构带压进仓加减压操作的人员。每次换刀操仓员应配置两名，交替轮流在现场进行值守。

(2)作业人员选定。

①压气环境是一种特殊环境，对人的身体要求较高，患有如上呼吸道疾病、慢性中耳炎、慢性肺炎、支气管炎、高血压、消化道出血者，以及肝脏、肾脏、鼻炎、关节炎等疾病人员不能参与压气作业。现场应经过两层筛选来确定进仓人员：一是经过正规医院体检的初次筛选；二是对初选合格后的人员进行加压试验和适应性测试。只有上述两项检查合格的人员才能进行压气作业。

②在施工前应由压气操仓医生和熟练的压气作业人员，对选定的合格作业人员进行带压作业培训，化解其恐慌和疑虑。

③ 带压进仓人员应选择具有相应资质的人员，熟悉带压换刀操作工艺，并从事过带压换刀作业。

④ 人员确定后应进行一次较为全面的体检，体检的内容由高压氧仓科的专业医生确定。

⑤ 体检完成后由专业医生对人员的身体状况进行确认，符合进仓条件的进行下一步安排。

⑥ 每组人员宜3～4人，并选择经验丰富和安全意识高的人员为带班班长。

2.6 浆液准备

(1)同步浆液准备。根据成都市地铁7号线地质情况，同步注浆浆液按现场实际情况初凝时间控制在6 h左右。每环的注浆量为6.5 m3以上,同步注浆压力控制在0.2～0.28 MPa范围。从A-2环开始,同步注浆在每环最后一车渣土时停止注浆,并且要尽量保证掘进的连续性,以保证注浆的连续与饱满。浆液配合比见表1。

表1 同步浆液配合比 (单位：kg/m3)

(2)膨润土泥浆准备。根据盾构推进情况,在距A 环24 h之前拌制高黏度钠基膨润土泥浆,具体拌制量由现场协调人员控制(按至少15 m3拌制)。

膨润土泥浆按照1 ∶6～1 ∶8的比例拌制，充分膨化24 h以上，泥浆比重为1.1～1.2范围，黏度为12～15 s为宜。

在换刀过程中，膨润土泥浆也须拌制好备用，以防仓内气体损失严重，及时进行泥膜的重新建立。

2.7 土仓置换

(1)利用泡沫管向土仓内打入空气，利用空气置换渣土，置换过程中仓压维持在换刀仓压+0.03 MPa。

(2)置换渣土总量以10 m3为标准进行控制，判定换仓的情形，以3点、9点位仓位观察阀判定仓内渣位。

(3)启动保压系统加气，并停止从泡沫管注入气体，保压系统压力设定为既定换刀工作仓压。

(4)观察空压机启动频率及仓内气体稳定性(及仓压)。

2.8 气体检测

在开仓前和每仓进仓前打开土仓隔壁上的平衡阀，对仓内有毒有害气体进行检测，并做好检测记录。

2.9 人员进仓作业

(1)施工现场准备完善后，将土仓内压力稳定在设定压力位置，人员进入人闸，关闭人闸，开始加压作业，加压时间为15～20 min。

(2)人闸内压力与土仓内压力平衡后，打开闸门，先对土仓内情况进行检查。一是检查掌子面有无水渗入，二是检查掌子面是否稳定。检查完成后开始进仓作业，先清理土仓，然后测量刀具，对需要更换的进行更换。

(3)带压作业时间结束前15 min，由操仓员通知仓内作业人员，准备撤离，人员和工具全部撤离至人闸后关闭闸门，作业人员休息并开始减压。

(4)减压完成后人员打开人闸门，完成一个班的施工，加减压的时间和每阶段的时间控制执行《盾构法开仓及气压作业技术规范》(CJJ-17-2014)。

2.10 职业病防治

压气带压换刀施工完成后，为降低高压作业对施工人员的健康影响，换刀施工完成后必须进行高压氧仓的治疗。

3 关键控制技术

3.1 压气作业施工的目的

利用气压代替土压从而平衡开挖面的土水压力，提供施工人员安全进入盾构土仓的条件。压气对开挖面的稳定作用，可大致分为三种：

(1)阻止来自开挖面的涌水，防止开挖面坍塌。

(2)由于气压作用于掌子面，能够加强掌子面的稳定。

(3)由于压气对围岩缝隙起到排挤水的作用，增强了砂卵石地层的强度。

因此带压换刀的核心在于建立稳定的作业环境，确保地层不渗水、不坍塌。带压换刀的关键环节是围绕仓内高压力稳定来开展的，其核心是地层的气密性。这个工作分为两个方面来落实，一是地层的气密性加固，二是自动保压系统加气状态的判断和调整(见图2)。

图2 带压换刀气密性薄弱处示意

3.2 刀盘上部土体加固

刀盘上部的稳定性和气密性对压气开仓非常关键。为加强带压换刀的安全性，确保刀盘上部的土体不出现塌落、掌子面的土体在气压作用下更加稳定，必须根据地质条件制定合适的加固措施，包括采用化学浆液或双液浆进行加固等。

3.3 掌子面气密性加固

掌子面的气密性是通过高膨化、高浓度的膨润土泥浆在高压力作用下渗透进入地层，并在刀盘和掌子面之间形成一层密实的泥膜。其施工方法如下：

(1)盾构停机时向土仓内注入膨润土泥浆，注入的体积由压力控制，每次注入时使上部土压达到掘进压力的1.5～2倍，多次注入。

(2)开仓前降低仓位的同时注入膨润土泥浆，用泥浆置换渣土，置换渣土时要严格控制出土量。

(3)进仓前注入高压空气置换泥浆。使膨润土泥浆在多次高压力作用下不断在掌子面上挤压，形成泥膜，在整个泥膜建立过程中，适当地收缩油缸，使盾构机在压力作用下后退3～5 cm，对泥膜建立更为理想。

3.4 周边地层的气密性加固

为保证铰接位置的气密性和确保气体不向盾体后面流窜，有必要对盾体上部或管片位置进行加固。

(1)通过盾体径向注浆孔向土仓内注入充分的优质聚氨酯：一是封堵盾体周围渗水通道，增强气密性；二是方便盾构机脱困。

成都地铁7号线经过比选后采用CFPU-120油溶性聚氨酯止漏剂，该聚氨酯具有以下特点：

①该产品是双组分聚氨酯注浆堵漏材料，由主剂和副剂组成，主剂与副剂配比为重量比(主剂100 ∶副剂 8～12)。

②浆液遇水后会发泡膨胀快，膨胀率大，强度好，对渗水量大的地下工程堵漏效果良好，能加固地基。

③固结体有良好的抗渗性，在水中永久保持原形，并具有耐低温性。

④与水具有良好的混溶性，诱导时间可以通过配比进行调节。

(2)在盾尾后5～7环注入双液浆进行封环，双液浆为水玻璃与水泥浆液的混合液，具体配比及相关参数如下：

水泥浆液水灰比，水 ∶水泥(重量比)= 1 ∶1。

水玻璃 ∶水泥浆(体积比)=1 ∶1，凝结时间35～40 s。

双液浆注入压力控制在0.3～0.5 MPa。

3.5 作业压力确定及保压试验

3.5.1 土仓内作业环境压力确定

为达到压气作业施工的目的，保障作业人员的身体健康，压气压力值的设定尤为重要。通常，压气压力以开挖面的地下水为基准，再考虑隧道埋深从而来确定数值。实际上在成都富水砂卵石地层，盾构机停机的上部土仓压力基本等于该位置的水压力，再加上3 m的隧道埋深，因此作业环境的压力为盾构上部土仓压力+0.03 MPa。

以火驷区间为例，静止时盾构机上部压力为0.19 MPa左右，将作业压力设定在0.22～0.23 MPa，先高后低，作业过程中适当降低，这对人的健康更为有利。

3.5.2 保压试验

在开仓前为验证地层的气密性，有必要进行一次保压试验，保压试验的时间为膨润土泥浆置换渣土后。

膨润土泥浆置换渣土后，经过一段时间的高压作用，开始用气体置换泥浆。置换完成后打开自动保压系统，使土仓压力稳定在工作压力位置，然后对空压力的补气情况进行检查。

以中铁装备的盾构机为例，自带的空压力为8立方，额定工作压力为0.8 MPa，将储气罐的压力设定在0.5～0.6 MPa，储气罐不断地给土仓内补气加压，稳定土仓压力，当压力低于设定的0.5～0.6 MPa时，空压机开始启动并补偿储气罐内的压力，使之接近0.8 MPa，然后空压机停止运转，压力降低后再次启动。

保压试验的情况将直接反映该地层条件能否进行带压换刀，或反映地层气密性的加固是否到位，也直接关系到人员能否进仓。

4 应急准备

压气带压作业具有较高的风险，不同于常规的作业环境，因此在压气带压作业的全过程应保持高度警惕。在带压换刀前，必须做好开仓前应急物资准备，针对性地编制应急预案并做好应急演练工作。

5 结 语

成都地铁盾构掘进表明在砂卵石地层中施工时刀具磨耗非常严重，平均400～500 m需开仓对刀具进行检查和更换，由于部分盾构施工受地面外界条件限制，致使带压换刀施工作业成为盾构施工常用工艺。在地铁7号线1标火驷区间的带压换刀施工中，通过参建各方对施工方案的详细制定及审查，严格过程管控，确保了盾构带压换刀的保质、安全进行，对后续盾构的正常掘进起到了至关重要的作用。