泥水盾构带压割除排浆管格栅施工技术

2019-06-26毋海军

铁道建筑技术 2019年2期

毋海军

（中铁十二局集团有限公司山西太原 030024）

1 概述

目前，国内城市轨道交通迅猛发展，盾构法施工得到了很广泛的推广应用。但一些复杂的地质条件，也给正常的盾构施工效率带来不利的影响。泥水盾构机在黏土层中掘进目前始终是一个困扰难题［1］。

本工程泥水盾构机在施工掘进过程中，开挖断面粉质黏土、黏土较多。刀盘切削黏土层频繁形成泥团，当泥团直径超过格栅设计最大粒径17 cm时，易造成格栅与安全门之间渣土堆积，从而造成环流排渣不畅，泥水仓压力异常，影响盾构掘进安全性［2］。因此必须割除排浆管前方格栅，增大渣土的通过粒径，以保障泥水循环的通畅性。

2 工程概况及地质

2.1 工程概况

徐州城市轨道交通2号线一期工程10标包含两站两区间和出入段线，即新元大道站、新区东站、汉源大道站～新元大道站区间（701 m）、新元大道站～新区东站区间（1 056 m）、出入段线，区间均采用盾构法施工。隧道管片外径6.2 m，厚度0.35 m，环宽1.2 m。区间总体施工示意见图1。

图1 区间总体施工示意

新元大道站～新区东站区间起于新元大道与昆仑大道交叉口，沿昆仑大道布置，下穿故黄河且侧穿故黄河桥后到达新区东站。

2.2 工程地质

隧道拱顶覆土8～20 m，由上而下的主要土层为回填土、②5-2砂质粉土、②5-3砂质粉土、②4-3粉质黏土、⑤3-4B砂质粉土、⑤3-4黏土、⑤3-4A黏土。

2.3 周边建筑物及地下管线

周边环境建筑物现状见表1。

表1 周边环境建筑物现状

根据管线相关资料及图纸，与线路平行和相交的管线有多条，对区间隧道施工有影响的管线为横跨区间的DN1200给水管和斜穿区间的DN425中压煤气管。沿线管线见表2，区间隧道与沿线管线位置关系见图2。

表2 沿线管线

图2 区间隧道与沿线管线位置关系

3 盾构选型

本区间隧道穿越故黄河故道及支流河道，故黄河及其支流河道共宽大约330 m，水深2～4 m，支流河道水深1～2 m。左线隧道距离故黄河桩基最小距离约9.0 m，隧道顶板距离河底约12 m。

在本项目中，工程地质与水文地质比较复杂，地层渗透系数比较大，最后选择泥水平衡盾构，目的是为了更好地维持掌子面压力，防止地面沉降，保证黄河桥桩和故黄河河道的安全［3］。另外，从地层的适应性、盾构主体设备、刀盘型式和刀具布置、主驱动（润滑及密封）系统、泥水环流系统、同步注浆及二次补浆系统、推进及铰接系统、盾尾密封系统、管片安装系统、渣土破碎系统、管路延伸系统等对盾构适应性进行评估。

本区间采用一台CTS6470H-0630泥水平衡盾构机施工。该盾构机的特点是通过由膨润土、外加剂制成的泥浆来平衡开挖仓的来自刀盘前方的水、土压力，保证盾构机安全、高速推进；拥有Samson保压系统和VMT自动导向测量系统，能够方便、直观、精准地控制盾构机切口水压和掘进姿态，具有先进的功能特性。

4 格栅割除工艺

新元大道站～新区东站区间泥水平衡盾构机于2017年8月1日始发，盾构从17环推进至34环时，掘进参数不理想，掘进速度20 mm以下，推力约1 100 t，刀盘转速1.5 r／min，扭矩 700～980 kN·m，掘进过程中粉质黏土泥团较多，安全门与格栅之间容易堵塞，环流系统不顺畅，当掘进至34环时候，环流系统出渣难度更大，切口水压波动0.3～0.6 bar之间，掘进受阻，掘进完成一环需要3 h以上，严重影响施工进度，过河期间风险较大。

气垫仓排浆管路前格栅设计最大颗粒通过直径为17 cm。泥水分离站筛分出来泥团边缘有明显切削痕迹，证明格栅与安全门之间渣土堆积较为严重，渣土是被泥浆挤压通过格栅后排出的。泥团照片见图3。

为保证盾构顺利穿越故黄河支流及主河道，现场决定对设备进行改进，采取带压进仓方式割除排浆管前方钢格栅，解决管路堵塞问题。

4.1 停机位置选择

此时盾构刀盘里程DK23+592.57处盾体上方存在DN425燃气管线，不适合盾构停机。现场决定在DK23+582.83处，即盾构推进至47环时停机，此时刀盘距离黄河支流河道4.5 m，盾尾脱出燃气管线1.5 m。进仓位置地质情况见图4，地面情况见图5。

图3 泥团实物

图4 进仓位置地质断面图

图5 进仓位置平面图

4.2 带压进仓割除格栅风险

根据进仓工作的施工方案，结合现场作业环境、工程特点等进行危险源的辨识分析，进仓工作危险源见表3。

表3 进仓工作危险源清单

由于工程特殊性，本次带压进仓还存在如下风险。

（1）地层风险。盾构停机处位于故黄河侧面漫滩上，盾构机预斜穿故黄河支流。刀盘距离支流距离为14 m，盾体侧面距离支流最近距离为4.5 m，盾尾距离煤气管线1.5 m。停机位置土层拱顶存在砂质粉土，刀盘面范围内为砂质粉土、粉质黏土、黏土。若仓内气体压力选择不慎，极有可能造成地下通道形成，造成泥膜护壁破坏、地下水连通倒灌至仓内、地表坍塌、煤气管线损坏、有害易燃气体泄漏等风险［4］。

（2）施工风险。一般情况下不允许高压环境下进行动火作业。在高压环境下，氧气浓度虽与外界环境一样，但是经过压缩，单位体积内氧气含量实际会增加，易产生可燃物燃烧、爆炸等危险；仓内有害气体含量超标会对作业人员身体造成危害；作业空间有限，对作业人员职业素养和操作水平提出了更高的要求［5］。

（3）地质风险。在需带压作业地段，虽然采取一系列封堵加固措施和通过压缩空气来平衡掌子面水土压力，但仍存在许多不确定因素，当界面条件发生变化时候，掌子面仍存在有部分失稳或出现渗、漏水的可能，此状况极大威胁仓内底部作业的安全性，掌子面稳定情况至关重要［6］。

（4）位置风险。此次作业为排浆管前方格栅割除，由于格珊所处位置在气垫仓最底部，安全与环境风险高，人的空间建立和维持难度极大，人员安全保障难度较高。

4.3 格栅割除作业

4.3.1 方案论证

为保证带压进仓作业安全、有效、快速完成，项目部现场制定了专项带压进仓作业施工方案，并进行了内部专家讨论、专项方案外部论证会审工作，提高了带压进仓作业的安全性、可靠性。

根据方案及专家意见进行了以下带压进仓作业准备：

（1）制定人员职责机构，岗位职责到人。

（2）带压进仓作业设备检查维护（人闸、空压机、应急发电机等），并进行调试记录。

（3）带压进仓作业工具、材料、配件等提前筹备到位。

（4）带压进仓作业切口水压计算复核。

（5）支流河道填压处理，保证地面安全，防止河水倒灌。（6）完善地面监测方案，时刻注意地面沉降情况。（7）泥膜建立完善，确保泥膜质量，并按规范做好保压实验。

（8）聘用专业人员施工，并对作业人员进行施工和安全技术交底。

（9）制定应急预案，成立应急小组，保证施工安全［7］。

4.3.2 条件验收

所有准备工作到位后，项目部要组织条件验收会议，并对以下施工条件进行逐一验收：

（1）专项施工方案编审、专家论证、审批齐全有效。

（2）准备带压进仓区域监测点布设完成，初始值已测取，控制值已确定。

（3）有限空间作业施工准备完成。带压作业设备、供气装置、有害气体检测设备等已报验合格。

（4）进仓人员安全培训完成，资料齐全，考核合格；施工和安全技术交底已完成。

（5）有针对性、可操作性的应急预案编制完成并落实抢险设备、物资、人员；物资到位，通讯畅通，应急、消防器材符合要求。

（6）各材料和配件质量证明文件齐全，复试合格。

（7）设备机具准备到位，各种仪表工作正常。

4.3.3 进仓工序

在带压进仓作业过程中，现场对仓内作业、设备运转情况、施工工具及材料、仓内压力及液位变化、地面巡视及安全管理都职责到人，由专人负责，并成立领导小组对带压进仓作业施工进行总体协调。

为确保带压进仓作业安全有序展开，现场进仓作业人员分为3组，每3人一组，指定一人为组长，仓内作业拟定人闸一人（密切观察气垫仓人员安全情况且与仓外保持通讯），气垫仓中部一人（观察底部作业人员安全及泥浆门周边情况，及时与底部作业人员和人闸人员联系），气垫仓底部一人（系好安全带后施工作业），且制定以下工作计划：

（1）人员清点工具（锹、照明灯、气体检测仪、1／4水管、手电、头灯、铁钎、棉抹布、毛巾、矿泉水、相机、安全绳、对讲机），确认工具准备到位，仓内外通讯正常后仓内作业人员进入人闸。

（2）打开气垫仓气体检测球阀（主仓右上侧），通过人闸内气体检测仪检测仓内气体，气体检测仪无报警后人员仓内做好加压准备。

（3）关闭人闸仓门，操仓人员根据加压规范开始给人闸加压（0.2 bar／min），时刻注意仓内人员状况（若人员感觉不适立即停止加压，减压后带出仓内人员检查救治）。

（4）加压完毕后，对比人闸与气垫仓压力，确认压力保持一致后（即1.8 bar）打开气垫仓仓门（仓内气体检测仪打开再次检测气垫仓气体，确认气体检测无报警后，等5 min后方可进入气垫仓作业）。

（5）进入气垫仓后，先拿强光手电筒查看仓内情况，拍照。确定能作业后，再在仓内接入照明灯。

（6）然后接好冲洗水管，对气垫仓内平台及爬梯上泥浆冲洗干净，方便人员活动，避免因爬梯湿滑而跌倒。

（7）把安全绳放下去，观察仓内底部液位和渣土情况，留下影像资料，并向仓外人员反馈仓内渣土大概情况。

（8）人员根据实际情况把渣土清理到两侧或装袋清理倒运至人闸，然后用水冲洗干净。

（9）清理干净后，进行现场格栅割除作业。

（10）人员清点工具准备撤出，撤出前照明及水管都拿出仓外，关闭仓门，通知操仓人员开始减压（0.1 bar／min）。

4.3.4 带压进仓作业情况及处理

（1）在开挖面形成泥膜对防止气体泄露和维持开挖面土体稳定是气压开仓的关键因素［8］。在制浆池内制做膨润土泥浆（黏度60～70 s、比重1.0～1.20），利用盾构的泥浆环流系统送至盾构开挖仓内，同时刀盘转动（刀盘转速0.9～1.2 r／min），让原有残留的泥浆和新鲜的泥浆充分搅拌均匀，在开挖仓内形成的良好的泥膜。

（2）泥膜制作完成后，为了确保开仓期间气压稳定以及检验供气设备的持续供气能力，开仓前进行保压试验，通过观察气压的变化情况、结合在地表进行的沉降监测情况，判断开挖仓内是否安全，然后决定人员可否进仓作业［9］。

仓内加气置换泥浆，为了确保掌子面的稳定，开挖仓加气的过程中应遵循压力平衡的原则。通过环流系统，在将气压仓液位降至最低后，打开泥水仓和气压仓之间的连通阀，使气体窜至泥水仓，并调整气压至进仓工作压力设定值。最终达到泥水仓内全部为气体填充，此时气压平衡掌子面水土压力，保持压力状态持续 12 h［10］。

（3）在保压过程中记录每次空压机加载起动时间，然后计算前后两次补气起动的间隔时间。通过每次空压机补气时间间隔变化可以判断泥水仓气体泄漏情况。如果保压试验过程中空压机每次补气间隔时间趋于一个稳定值，则说明通过泄漏通道的气体量趋于稳定，仓内气压可基本保持平稳［11］。

（4）在开挖仓和气垫仓的空间内，分别进行了2次从较高压降到工作压力的无补气降压试验，目的是了解压力变化前后气体泄漏情况，以此判断泥膜是否符合安全要求，人员能否举办进仓条件。

（5）安排测量专业人员在刀盘至盾体区域实时进行地表监测，只要监测的数据在允许范围内，就可以正常进仓作业［12］。

（6）带压进仓人员进入气垫仓后，首先对仓内整个工作情况进行判断，如果发现气垫仓底部渣土堆积较多，施工不便，则要按照施工前制定的计划，先清除渣土和泥浆，然后再割除格栅，经过最短时间有序施工完成带压进仓作业。

①清理渣土和泥浆，泥水仓底部渣土情况见图6。

②清理安全门周围渣土，关闭安全门；安全门关闭后，清理底部渣土，装袋往气垫仓两边堆码，连接排污管路，抽排底部泥浆。安全门关闭情况见图7，气垫仓排污管路见图8。

图6 泥水仓底部渣土情况

图7 安全门关闭情况

图8 气垫仓排污管路

③连接水下割具，割除格栅，取出割除的格栅，并拆除使用的工具，清理装袋渣土，编织袋取出气垫仓，清点工具、材料，打开安全门，人员进仓检查开启情况，确认开启到位后，人员出仓，完成作业。格栅割除前后对比见图9、图10。

图9 格栅割除前

图10 格栅割除后

4.4 现场同步措施

4.4.1 空压机运行监控

盾构机配备1台55 kW、2台90 kW空压机，进仓作业时开启1台90 kW空压机，其余2台空压机备用。为保证带压进仓作业安全性，项目部安排专人每30 min对空压机运行情况进行了记录，空压机平均一个循环8 min左右：加载1 min左右，卸载7 min左右，从而判断出仓内泄气量较小，保证了供气量及气垫仓压力稳定，满足带压进仓施工需求。

4.4.2 地面情况及处理

为保障带压进仓作业安全性，现场安排专人对地面支流进行巡视，发现河面有气泡冒出，且有越来越大的趋势。河面气泡情况见表4。