泥水盾构在富水砂层中带压进仓作业安全技术措施

冯东举

（中交第二航务工程局第三工程有限公司,江苏 镇江 430040)

1 工程概况

孟加拉卡纳普里河底隧道项目,作为一项施工难度及安全风险均较大的中交海外长、大直径隧道工程。泥水平衡盾构设备主要是由中交天和机械制造有限公司自主研发设计制造,开挖直径12.16m。隧道衬砌采用通用楔形管片,5+2+1 错缝拼装。成型盾构管片外径11800mm,内径10800mm,环宽2000mm,壁厚500mm,单条隧道总长为2.45 公里,双线总长约4.9 公里。

盾构掘进穿越地层为第四系全新统冲积成因（Q4）的粘性土层和砂土层互层,以砂层为主,粘性土层夹薄层砂,砂层也夹薄层粘性土。粘性土以软塑状态为主,工程地质性质较差。因盾构掘进控制参数异常,推力过大,本项目进行带压进仓作业4 次,累计进仓次数108 次,更换刀具19 只。以第三次带压进仓作为例。

1.1 带压进仓停机作业位置

本次停机带压进仓位置位于西岸荒地,KZ3+023.55（刀盘里程）,盾尾所在位置里程为KZ3+010.3,管片拼装环数为307 环（图1）。

图1 左线带压进仓停机平面位置示意图（管片位置）

1.2 停机位置断面图及工程地质

拟停机位置自上而下分别为：

②停滞于淤泥层,粉质多为黏土。

③1 粉、2 粉质粘土、多为粉砂、3 粉砂、粉质粘土、4仅为粉砂、5 粉质为粘土、淤泥质粉质粘土、6 粉质为淤泥质、8 粉质是粘土、细砂。

④粉、细砂,停机刀盘覆土厚度31.03m,地下水水位在地表以下3.21m,刀盘中心水压0.332MPa。

1.3 停机位置水土压力

因本次停机位置隧道全断面位于粉砂地层,顶部粉质粘土、淤泥质黏土、粉砂交互,根据土力学相关规定,带压进仓控制压力可参考水土压力分算值,并根据盾构掘进至停机位置附近的实际切口压力适当调整。本次带压进仓作业压力在掌子面稳定的前提下以低压为宜,中心切口压力暂定为3.6～3.9bar,同时将根据气密性试验做适当调整（表1）。

表1 水土压力计算表（KZ3+039.1）

2 常压进仓风险控制措施

2.1 止水环箍的施工

2.1.1 同步注浆

根据盾尾刷的停机状态进行分析,掌握在前10 环的运行状态,通过盾毛刷的拼装、掘进的方式,实现对注浆压力的控制,使其拉力控制在0.6MPa 以内,保证同步注浆工作能够顺利完成,一旦停机时间过长,则需通过数据参数整合的方式,将停机时间进行控制,避免打膨润土、管道疏通的时间过长,只要将管道的上端、下端、左端、右端,分别打通6孔,每环总注浆量控制在14.0～18.0m3,304、305环注浆量为16m3,306、307、308 环每环18m3（308 环根据掘进行程确定）,注浆时注浆压力不得大于0.6MPa,防止击穿盾尾,为后续更换盾尾刷的止水及加固提供前期保证条件。

2.1.2 管片背后注聚氨酯

在封闭后,可实现对注浆空间的控制,使其能够延伸至盾尾通道,这样一来,即可防止注浆体受到影响,运用包裹的方式填充盾尾间隙以及盾尾,掌握影响盾构机恢复掘进的区域,在上述工作执行完毕后方可进行启动,需对306 环22 个预留注浆孔注入聚氨酯,发泡填充盾尾管片至第四道尾刷外空间,形成隔离缓冲带。同时应及时对后2 道密封腔相应位置进行油脂压注,确保密封腔压力大于聚氨酯注入压力,防止聚氨酯进入盾尾刷。

2.1.3 盾体径向孔注聚氨酯

停机后利用中盾后排14 个径向孔向盾体周围注入聚氨酯,使其与盾体周边地下水反应发泡,包裹盾体,阻挡后方地下水进入刀盘前方。径向孔注入聚氨酯压力应大于地下水压,宜为0.4～0.5Mpa 左右,总注入量为1.4t(10KG 装140 桶）左右,此时从隧道底部延伸到两侧,每个孔内需要注入约为100KG 的水。

2.1.4 二次注浆

306 环注入应急聚氨酯后,对其后的303～305 共3 环管片进行二次注浆,按照从下至上,定期通排同步注浆管路,以降低填充不实状况的发生频率,促使压力结束前注浆工作能够顺利开展。

2.1.5 浆液等强

在注浆工作执行完毕后,需静待一些时,确保浆液等强,且以6 小时为时间间隔,适当地转动刀盘,避免刀盘出现凝结,使其可以顺利转动。

2.2 掌子面泥膜建立

2.2.1 泥浆制备

结合地层表面的开挖情况进行分析,合理配制泥浆并将不同指标的泥浆进行分离处理,保证其能够相互融合。促使泥膜制作、渗透型泥浆泥可以按照同等比例应用于施工区域,降低泥浆制备环节的问题出现频率,让渗透型泥浆可以满足施工要求,增加泥浆在施工区域的实际比重并强化其气密性,这样则可保证后续带压作业工作可以顺利开展,让地层表面的开挖面趋于稳定。

2.2.2 渗透型泥膜形成

盾构机停止推进后,将切口水压比正常掘进时提高0.2～0.5bar（左线暂定为4.8～5.1 bar）,至少24 小时后,当循环期间液位、气压无异常波动,可认为渗透膜已形成。

2.2.3 泥皮型泥膜形成

开挖面渗透带形成后,为保证带压换刀的长时间作业安全,需在掌子面建立泥皮型泥膜,进一步减少空气漏失量,确保作业安全。同时,压力控制值比正常掘进时提高0.1～0.2bar（左线暂定为4.7～4.8 bar）。

2.2.4 气密性试验

采用自动保压系统,设置压力值为正常掘进时的1.05倍（暂定5.0bar）,静压时观察气垫仓液位下降情况,观察不小于2 小时,当液位变化不大于20mm/h,且整个静压过程中气压无异常波动,可认为制膜完成,气密性满足带压进仓作业要求；否则继续进行渗透泥膜和泥皮型泥膜的制作,直到气密性试验满足要求。

2.3 压力设定

通过带压换刀工作进行分析,掌握当地的水文条件以及地质条件,遵循水土分算的操作原理,掌握掘环节压力设置状况,保证在压力设定环节不会出现纰漏,促使停机工作趋于稳定,此时压力设定初步数值可以规划为4.65bar（具体操作方式如表1 中内容所指）,在此基础上,可以结合掘进状况,实现对该路段各项参数的整合,确认泥水切口状态,具体设定根据掘进至此段的泥水切口压力进行确定,使其压力能够稳定地在此区域运行。

2.4 降低液位

2.4.1 计算停机位置切口泥水压力,如图3 所示。

图2 停机位置切口泥水压力示意图

2.4.2 确认泥水仓中的状态,通过压缩空气置换的方式控制泥水压力,保证开挖面不会出现异常,促使压缩空气可以完成支撑工作。

2.4.3 为避免开挖面出现气密性不良的问题,可以根据开挖面的运行状态进行分析,掌握再生合计开挖环节的影响因素,促使诱发开挖面塌方等安全问题被控制,这样一来,既可在降液位环节,掌握空压机出口压力、空压机流量的实际运行状态,又可通过波动曲线来测定空压机出口区域的实际压力,进而避免曲线出现异常,使其可以顺利地波动,让其在规定限度内,完成液位的回升工作。

2.5 气体检测

2.5.1 在进仓作业前采用手持气体检测仪通过隔仓板的排气阀和人仓的减压阀的排气口对气体进行检测,气体检测标准不合格不得开仓。需持续和加强通风,直到气体检测合格。

2.5.2 进仓后可通过人仓内自动检测仪检测人仓内气体,手持气体检测仪可由专人对泥水仓内气体进行动态检测。

2.6 刀盘转动

进舱检查、更换刀具之前将需要检查或更换刀具的辐条转至12 点钟方位,以利于人员进舱进行切削刀螺栓紧固和背装刀具更换,刀盘转动如图3 所示。

图3 待查刀具转至12 点位

2.7 人仓的加压与减压

2.7.1 加压步骤

确保工作人员接受培训后方可进行加压工作,首先检查外部设备功能,掌握自动卸压器、显示仪器、闸阀、密封件。在上述施工过程检查完毕后,方可执行严谨的加压方案,执行加压工作。

2.7.2 减压步骤

在工作人员带领下,确认加压主仓状态,关闭外仓门,将记录仪全部开启,分步执行加压工作,促使仓内的实际状况都能被工作人员观察到,促使工作人员能够与内部操作人员时刻保持联系,一旦仓内员工出现不适状况,则需及时开启主仓,使压力平衡阀门被缓慢打开,完成减压操作。

2.8 仓内作业

2.8.1 工作人员在进仓前期,需掌握仓内的实际状况,通过实时监测的方式,保证技术人员能够顺利带压进仓,从掌子面的稳定状况、地质情况等方面进行全面分析,避免在施工区域出现障碍物,使刀具、刀盘能够正常运行,设定可以满足带压换刀要求的相关方案,促使前期准备工作能够顺利完成。

2.8.2 加强对刀具布置工作的分析,掌握编制刀具的实际磨损状态,设定检测表,促使各项磨损值能够顺利地编辑到表中,以降低刀具等相关工具的异常现象出现。

2.8.3 实施监测仓内设备的运行状态,通过检查、诊断的方式实现对施工全过程的监控,促使拍照工作能够在此区域内顺利实施。

2.8.4 检修及更换出现故障的设备。

3 盾构带压进仓作业安全技术控制措施

3.1 执行互防、自防、联防方案,完成带压进仓操作。

3.1.1 实时掌握刀盘的运动状态,通过全面控制的方式,避免刀盘转动幅度过大,操作人员可以运用对相关设备控制的方式,使刀盘能够进入仓内,让盾构司机执行各项作业。但此时,盾构司机应加强对主控制室内,按钮、刀盘转动等环节的控制,保证二者能够在统一时间内锁定,避免主控制室内存在其他操作人员,使其不会出现操作失误的问题,降低刀盘转动等操作不良所带来的安全隐患,促使进仓作业人员的人身安全得到保障。

3.1.2 合理监测泥浆系统,保证该系统和泥浆门之间能够进行互锁。此时若泥浆门呈现开放状态,应加强对仓内各项工具的关注,维持泥浆现状,使排浆系统能够正常工作,同时应设置专业的监管人员避免系统出现误启动问题,以降低仓内作业人员所带来的影响。

3.1.3 主控制室内,需增设2 到4 名盾构员工,使其能够对主控制室内员工的各项操作进行监控,一旦出现无关人员,则严厉禁止其进入。这样则可保证主控制室内的员工都为重要员工,不会出现设备误启动,操作失误等问题,促使盾构操作人员可以严格听取现场指挥管理人员的指令。

3.2 在工作人员带压进仓工作期间,需掌握仓内各方气体含量,监测仓内的数据信息,避免出现仓内气体含量超标的问题,仅需确认舱内氧气含量充足且无有毒气体,既可让工作人员进入仓内,进而保证工作人员的人身安全。

3.3 人仓内禁止存放易燃物品；由于孟加拉当地天气炎热,进舱作业时温度较高,需提前采购冰块备用和饮用水、食物等。

3.4 因制作泥膜的膨润土非常湿滑,所以,作业人员需做好前期防护工作,身穿防护服,防滑鞋,在作业环节佩戴安全带,禁止饮酒。

3.5 清点过渡舱内工具：作业人员工作完成后,需将带入泥水仓内的工具全部带出,不允许落在舱内,防止损坏刀盘。

3.6 与具有高压氧舱（减压仓）医院签署协议。现场配备专业减压医生并增加救护设备的应用,以保证地面应急救护车随时待命。

4 结论

在实际工程施工中,带压进舱作业首先应该掌握维持掌子面稳定、保证前舱气密性、保证进场人员健康等技术要点,以及严格遵守带压进舱注意事项,可保证带压进舱作业安全、高效地进行,达到成功带压进舱作业的目的。