富水砂卵石地层大直径泥水盾构带压换刀技术

崔天麟 李建华 任 磊

(1.郑州轨道交通有限公司 郑州450046;2.中铁隧道集团技术中心 洛阳471009)

盾构施工以其安全、快速、高效的特点，在城市地铁市政管路等各类地下工程建设中得到越来越广泛的应用由于盾构机刀盘刀具是损耗件，在施工中需经常检查、维修保养和更换，当盾构机在硬岩或自稳能力较强的地层中掘进时，可在常压下直接开舱换刀;而当盾构在软岩、富水地层掘进，特别是在砂卵石地层时，掘进刀具磨损严重，进舱对刀具进行检查及更换是一项高风险的技术工作，在这类地层条件下对刀具进行检查处理一般可采取三种方案:一是对前方土体进行加固后在常压下进舱;二是从地面向下做竖井到刀盘前方进舱，第三种是将气压保持在开挖面稳定状态时进舱［1-2］。前两种方法较为安全，但成本高、工期长，且地面有重要建筑物时可能无条件实施。带压进舱换刀操作难度较大，有一定风险，特别是在砂卵石地层中气密性较差，带压作业易造成地面喷发而引起地表坍塌［3］，但因其成本低、工期短，如果采取适当的措施规避风险，则可产生较高的经济效益。

1 工程背景

北京铁路地下直径线工程02标位于市中心区，隧道全长7 230 m，其中盾构隧道长5 175 m，采用一台外径为12.04 m的泥水加压平衡盾构机掘进，隧道埋深在20～70 m，是目前国内在富水砂卵石地层中掘进距离最长的隧道。隧道主要穿越的地层为圆砾、砂卵石层等，一般粒径为20～60 mm，大于20 mm的颗粒含量约占总重的65%，向西卵石粒径逐渐加大，最大粒径为650 mm。区间地下水位埋深为23.13～24.31 m，工程周边环境复杂，沿线高楼林立，地下建(构)筑物、管线众多，且盾构在该地层中单台掘进5 175 m，因掘进距离长，需制订合理、可行的换刀预案。依照掘进施工方案，每掘进300 m进行一次刀盘刀具检查和更换，但有时某一区段盾构未到达加固点前，刀具已磨损非常严重，不得不更换，地面加固点实施条件非常困难，施工风险大，因此，研究带压进舱换刀技术成为北京大直径泥水盾构长距离掘进必须突破的关键技术之一。

2 砂卵石带压进舱的风险分析及控制

2.1 带压进舱风险分析

1)带压进舱作业操作难度较大，处理不好，不仅会造成开挖面失稳坍塌，而且会危及舱内作业人员的生命安全。国内盾构施工中采用压气法作业曾发生过坍塌事故，而国外在使用压气工法中，因操作不当造成隧道内的工人产生减压病症状(如骨坏死、耳膜破裂、听力障碍)等事故也经常发生。

2)直径线盾构断面大、换刀数量多、换刀时间长，增加了富水砂卵石地层不稳定而引起地面坍塌的风险。同时，区间沿线地理位置特殊，地面环境复杂，施工时对环境影响的变形控制标准高。

3)压气压力设定困难。对开挖面的任一部分作用的压力大小相等，而隧道断面大，拱顶与底部的水土压力相差大，因此，以开挖面水土压力为基准，对其所有位置都给予最适当的条件很困难。

4)工程地质风险突出。砂卵石地层渗透性强，保压困难，增加了带压作业更换刀具的难度［4］。

5)气体逃逸通道多，堵漏密封困难，维持舱内气压平稳困难，风险大。

2.2 施工风险控制

考虑盾构掘进沿线的地层条件、地面环境条件、工期和成本因素，采用泥浆封堵加压进舱检查刀盘刀具的方案。该方案对开舱换刀风险的控制措施如下:

1)液位保持在50%～60%，有效控制作业暴露空间，减小上下水土压力差，设定合理的进舱压力。舱内工作压力的设定根据现场条件确定，过低则不能有效抵抗水土压力，泥膜被破坏，地下水将渗入土舱内，同时带入大量的流砂，掌子面稳定性差，易造成坍塌事故;过高则压缩空气将冲开封堵的泥膜从地层中逃逸，易造成地面喷发事故;同时还须考虑工作人员的身体承受能力。

2)采用高浓度高黏度优质泥浆，能有效形成高质量泥膜，封堵气体逃逸。

3)带压进舱的关键在于保持舱内的气压稳定，如果舱内气体泄漏，使气压骤然变化，不仅会造成开挖面土体失稳，而且会导致舱内工作人员产生气压病，危及生命安全［5］。因此，开舱前不仅要全方位地封堵气体逃逸通道，而且要有可靠的供气系统，通过空压机不断供气来保持舱内气压稳定。

4)由于砂卵石地层透气性好，压气效果差，气密性封堵困难，为确保带压换刀作业的安全，在地面有条件地段，采用地面深层注浆等一些辅助措施加固地层，降低地层的透气性。

5)采取严密的监控手段，对周边环境进行监控，防止发生地面塌陷和建筑物变形开裂事故。

3 进舱作业程序及技术要点

带压进舱作业关系到人员的生命安全，因此必须制定科学、严谨的作业程序，并按预先制定的管理与控制程序执行［6］(见图1)。

图1 进舱换刀工作流程

3.1 进舱准备

准备工作包括人员、材料设备和压气设备的检查与试验等工作。

1)人员准备。作业前须对操作人员进行必要的培训，以达到如下几方面的能力:

熟练使用各种换刀工具，具备一定的修理能力;全面掌握刀具安装过程，具备熟练的操作能力;全面了解刀具布置，具备对刀具使用状态做出合理判断的能力;具备判断待安装刀具是否满足安装条件的能力。

刀具工程师根据以前刀盘的情况与刀具磨损情况提出刀具更换计划。作业人员据此准备作业所需的刀具、工具，并把进舱作业所需工具、预计更换的刀具等放入人舱或舱外。

2)材料设备和压气设备。准备较大容量的空气机，以加强压缩空气的供给，并连接好相关的管路、线路。

作业前检查人舱内设备的完好性。检查显示仪、条形记录器、加热系统、钟、温度计、电话、紧急电话和阀等是否完好;检查门密封面是否干净、密封是否损坏，必须保证人舱内所有设备处于完好状态。

3)高浓度泥浆制备。在新浆池拌制高黏度泥浆，并添加适量堵漏剂，泥浆黏度控制在90～100 s，比重为1.05。

3.2 刀盘舱气密性封堵

砂卵石地层带压进舱的关键是保证刀盘前方周围地层和刀盘舱能够满足气密性要求，因此封堵效果及进行封堵的位置至关重要，只要盾构掘进面、盾壳周边和盾尾后方的气密性好，压缩空气不泄露、不逃逸，即使是掌子面地层未加固，带压进舱作业也是安全的，解决掘进面、盾壳和盾尾后方的气密性问题是带压作业成功的关键。

3.2.1 气体逃逸通道分析

带压作业时气体主要有以下几个逃逸通道:

1)掘削面向周围地层漏气。由于盾构穿越的地层以卵石土为主，地层孔隙率较大，若掘削面未能充分形成良好的泥膜，则压缩空气会向地层中逃逸造成漏气。

2)盾尾密封刷漏气。盾尾密封油脂注入量不够，造成盾尾密封不严，压缩空气会沿盾尾向盾构机内逃逸。

3)管片接缝处向隧道内漏气。同步注浆未充分填充管片壁后的空隙和地层，压缩空气沿管片壁后的空隙向后逃逸，管片拼装时，若错台较大、破损、止水条脱落等缺陷造成管片接缝密封不严，则压缩空气会沿这些缺陷向隧道内逃逸造成漏气。

4)盾壳周围地层漏气。降低液位后，盾壳上部的泥浆降低，使盾壳上部形成气体逃逸通道，压缩空气将会沿盾壳上部向后逃逸;若盾壳周围地层没有良好的泥膜保护，压缩空气有可能向盾壳周围地层中逃逸。

5)盾构设备本身密封不严造成漏气。由于带压作业时需要将刀盘舱内的泥浆降低50%左右，盾构上部没有泥浆，压缩空气直接作用在盾构的上半部分，使其沿盾构本身密封不严的舱门、管道、阀门等地方逃逸。

3.2.2 刀盘舱气密性封堵措施

带压进舱前主要从4个方面尽可能地对刀盘舱进行密闭封堵，封堵压缩空气的逃逸通道，使刀盘舱形成封闭舱体，以减少舱内气体的泄漏;一是检查盾构本身的气密性，包括人舱、气垫舱门的密封性，同步注浆管路、中盾注脂孔、超前注浆孔、冲刷管等各个管路阀门关闭后的密封性，防止因盾构设备本身密封不严而造成漏气;二是检查加压过程地面是否泄漏，特别是地质钻孔位置，并对泄漏点进行灌水泥砂浆封堵;三是采取加大舱内泥浆浓度和泥水压力的措施，使切口面土体尽可能形成较厚的泥膜，由于盾构掘进时引起的地层沉降和周边建筑的变形较小，因而，气压作业封堵阶段的泥水压力设定为比刀盘中心位置的掘进压力高30～50 kPa，使在切口面土体尽可能形成较厚的泥膜;四是采取在盾体前方、中部、盾尾向盾构周围地层空隙中注入高浓度泥浆等措施，隔断刀盘舱内压缩空气的逃逸通道。

注浆封堵集中在以下部位分步进行:

1)盾构到达换刀地点前的封堵。

①周边地层封堵时，在掘进至进舱里程前15 m时，提高泥浆质量，制备比重为1.05、黏度为18～20 s的高质量泥浆来携渣循环，以便在盾构开挖直径的四周能渗透一定厚度的泥浆，形成良好的泥膜，从而填充带压进舱时土舱周围土体的空隙，消除和减少盾壳周围地层的气体逃逸通道;②加强同步注浆量，保证同步注浆管通畅，能够同时注浆，适当提高同步注浆压力，但不得超过盾尾密封油脂的注脂压力，使同步注浆充分填充管片壁后的空隙，并渗入地层的空隙中，隔断压缩空气向管片壁后地层中逃逸的通道;③管片接缝漏气封堵时，提高管片拼装质量，避免管片破损或止水条脱落，确保管片接缝的密封性，防止压缩空气从管片接缝处向隧道内逃逸。

2)到达换刀地点的封堵。盾构到达预定的带压进舱换刀地点后，主要采取泥浆置换、向中盾及盾尾注入高浓度泥浆和堵漏剂的方法增加气密性，封堵按照泥浆循环→盾尾注入高浓度泥浆→中盾壁后漏气封堵→开挖面泥浆置换及漏气封堵的步骤进行。从盾尾开始封堵，避免盾构切口封堵时泥浆向盾尾跑浆，使泥浆限定在盾壳周边渗透。

①泥浆循环、泥水舱清理，首先进行泥浆循环，将刀盘舱内渣土循环出开挖舱，使开挖舱内全部为泥浆充填;②盾尾漏气封堵，向盾尾注入高浓度泥浆，在地面搅拌站拌制高浓度膨润土浆，并添加堵漏剂或细锯末，泥浆比重控制在1.3以上，配比为膨润土:堵漏剂:水=6∶3∶20(质量比)，通过同步注浆管路向盾尾脱出的管片壁后注入高浓度泥浆;③中盾壁后漏气封堵，利用中盾预留的6个注脂口向盾壳背后注入高黏度泥浆，形成高质量泥膜，封堵高压空气泄漏通道;④开挖面泥浆置换及漏气封堵，采取加大开挖舱内泥浆浓度和黏度的措施，向刀盘舱内置换高黏度泥浆，使切口面土体尽可能形成较厚的泥膜，增加刀盘前方气密性较差的砂卵石地层的密闭性。

3.3 加压，保高压，形成泥膜

保压的压力必须高于预定的进舱气压，保压按照开挖舱中心起始压力起算，每间隔30 min提高压力10 kPa，直至达到终压(起始压力30～50 kPa)即开始保压，气垫舱液位仍控制在50%;然后稳定压力3 h，使得刀盘舱内的高黏度泥浆充分渗入到地层中，以保证形成足够厚的高质量泥膜，防止漏气。

在加压过程中，检查以刀盘为中心、半径为30 m范围内的地面是否有泄漏，特别是地质钻孔位置，并对泄漏点进行封堵。

在刀盘舱保压期间，为防止盾壳周围填充的高黏度泥浆流失，继续向中盾壁后补注高黏度泥浆，发现气垫舱液位上升即停止注浆。

3.4 减压，降低液位

将气垫舱液位保持在40%～50%，同时将气垫舱内压力逐步降低到刀盘中部位置的设定压力(即进舱压力)。降压每次降低10 kPa，保持30 min，并观察地面和盾尾情况。

保持气垫舱内压力不变，打开刀盘舱和气垫舱的连通阀，使泥水舱和气压舱连通。通过排浆泵使刀盘液位逐渐降低到50%～60%，停止排浆泵并关闭泥浆门。

3.5 开舱确认及气密性检查

在地面进行沉降观测时，检查地面刀盘位置是否有气体泄漏，以判定切口面是否稳定;同时观察舱内气压的变化情况，监视空压机的供气情况。一般补气量在10%以下时，具备进舱作业条件。

3.6 人员加压进舱

进舱是指进舱人员和材料先进入人舱内，关闭舱门，按照加压标准逐步加压，由操舱人员把人舱压力按规定时间加压到设定压力，使人舱压力达到与气舱相同的气压，确认两舱压力相等后方可打开人舱与气垫舱的舱门进入气垫舱。

人员进入气垫舱以后，在确认泥水舱和气垫舱压力一致后，打开气垫舱与泥水舱的舱门，进入刀盘舱开始对刀盘和刀具进行清洗。在清洗过程中，随时观察刀盘舱周边及掌子面地层的稳定情况。

3.7 带压进舱检查

第一次开舱先由有经验的专业工程师进入，鉴定舱内的工作状况，主要对掌子面的地质情况和稳定性进行检查、确认，同时对刀盘、刀具的磨损情况进行检查，以便确定换刀方案和各种带压换刀前的各项准备工作。

3.8 进舱作业

按预定方案进舱进行换刀、刀具紧固等作业。进舱作业注意不要破坏泥膜，如果破坏应及时调整泥浆修复泥膜，并经常观察泥膜有无龟裂现象。同时，操舱人员与主机室人员要随时观察开挖舱压力、液位的变化与补气量的变化情况，必要时人员要退出，再次对刀盘舱重新置换高黏度泥浆，以确保进舱作业的安全、稳定。

在作业过程中，如要转动刀盘，人员和工具应全部撤出刀盘舱，退回至人舱，并关闭舱门，刀盘转动时应最大限度地减少旋转次数以减轻对开挖面的影响。刀盘停止后，在确认无漏水、开挖面保持稳定后，人员再次进舱进行作业。

3.9 减压出舱

在舱内作业完毕后，关闭土舱门前，对所有的刀具安装质量进行检查，并避免工具、杂物遗留在内。确认无误后关闭舱门，人员进入人舱，按规定速率进行减压出舱。

4 结论

通过施工中多次带压进舱的实施效果，结合本文对富水砂卵石地层大直径泥水盾构带压换刀技术的研究，得出以下结论:

1)在地面环境无法采取加固措施时，对砂卵石地层采取泥浆封堵措施，可实现带压进舱换刀并满足对刀盘舱的气密性要求，较好地解决了长距离大直径泥水盾构掘进过程中的带压换刀的气密性难题。

2)砂卵石地层渗透性好，带压作业时气体损失大，必须采取全方位的技术措施封堵气体逃逸通道，才能维持舱内压力的稳定，确保作业人员的安全。

3)带压进舱1 ～2 次后，必须向中盾补注高黏度泥浆，否则有可能漏气严重，使人员无法带压进舱。连续进舱5 ～8 次后，由于掌子面泥膜逐渐变薄，漏气现象将逐渐严重。因此，必须根据掌子面泥膜的变化情况，对刀盘舱重新置换高黏度泥浆，以确保掌子面的气密性，同时必须向中盾补注高黏度泥浆。

4)工程实践表明，非加固区带压进舱引起地层和周边环境的沉降较小，可满足施工对周边环境的沉降控制要求，最大限度地减少了对居民正常生活的干扰，突破了地面环境条件对换刀地点的限制，为长距离快速掘进提供了安全和技术保障。

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