论述土压平衡盾构机带压开仓

张忠思

【摘要】随着我国城市轨道交通的快速发展，盾构施工所遇到的地质条件也愈发复杂，施工难度也愈来俞大。为此，盾构机在掘进的过程中，通常都会频繁的遇到刀具磨损切需要更换的问题，为此，就需要不断地进行刀盘磨损或修补，处理掌子面前方的孤石或地面建筑物的桩基或刀盘泥饼等问题，这时就需要进行盾构开仓施工。盾构施工技术以期安全快速和高效的特性在越来越多的城市基础建设的底下工程中开始使用。当使用盾构机在进行掘进的时候，由于底层稳定的需求，必须利用盾构机构及其配套设备来提供支持压力，进行稳定的支撑。但是在施工中还需要经常检查和维修，因此带压开仓操作成了盾构机使用中必不可少的工作。本文对土压平衡盾构机进行带压进仓作业进行了要点的介绍与分析，对其中的关键点和参数做了详细的解说与计算，为土压平衡盾构机带压进仓作业的工作安全与顺利进行做一定的参考。但鉴于水平有限，所以文章全当抛砖引玉，如有阐述不足之处，还望同行能够给予斧正，以更好的推进我国土木工程的进步及发展。

【关键词】盾构机；开仓作业；盾构

1带压开仓作业

1.1带压进仓地点的选择

根据地质补勘及详勘资料，拟定在进入基岩凸起段前后进行刀具检查和更换，具体位置根据掘进的各项参数与实际出渣情况确定。开仓时选择在透水性、富水性、渗透系数相对较小的地层进行带压进仓作业。同时应避开建构筑物、管线和水井等影响范围。

1.2盾构密封

1.2.1盾尾密封

1.2.1.1盾尾刷密封

本工程盾尾内径为6430mm，管片外径为6200mm，盾尾密封由3道密封钢刷，最大耐压达到20ar。停机前对盾构刷密封情况进行检查，确保密封严密。在加压过程中注意观察盾尾刷密封情况，是否存在漏气。

1.2.1.2加強同步注浆

在掘进到停机点前10环时对同步注浆系统进行检查，重点检查6根注浆管路是否正常运行。如果出现了管路不通等情况，浆泵无力，冲程数与实际泵送放量差距较大等情况，进行管路疏通和注浆泵的全面清洗，使整个注浆系统各个处于优良的工作状态。在掘进到停机点前5环时对整个膨润土系统进行检查，包括刀盘前方和盾体周围两个方向的膨润土管路和膨润土泵的运转情况。整个系统的各部分检查就绪后进行试注浆。试注浆过程中主要是观察各管路的压力是否正常，如果压力过大或者过小都必须对系统进行调试，同步注浆压力一般大于水土压力lbar。

同步注浆浆液的配比根据现场情况确定，初凝时间控制在6h左右。盾构机的开挖直径为6.48m，管片外径为6.2m，管片的宽度为1.2m，每环的理论注浆量为3.34m3，注浆量取环形间隙理论体积的1.3～1.8倍，即每环同步注浆量4.342m3～ 6.012m3，为了保证换刀的气密性，每环的注浆量取6.1m3，同步注浆压力控制大于水土压力lbar左右。从停机点前3环开始，同步注浆应连续不中断，并且要尽量保证掘进的连续性以保证注浆的连续与饱满。

1.2.2铰接密封

盾构机铰接有12组油缸组成，铰接系统工作压力高达6.Sbar，铰接密封型式采用2道双唇橡胶密封并具备紧急充气功能。盾构机铰接采用集中自动润滑的方式进行。建压前对铰接密封进行检查，在加压过程中注意观察盾尾刷密封情况，是否存在漏气。

1.2.3管片二次注浆

在掘进至开仓位置后对拖出盾尾的2～5环管片进行二次注浆封堵，防止盾尾的来水通过盾壳与开挖面的间隙流至刀盘，注浆采用水泥、水玻璃双液浆进行封堵。盾尾二次注浆根据土仓压力控制注浆压力，以防浆液注入刀盘，刀盘应慢转。

1.2.4盾体径向注浆

利用径向注浆孔注入衡盾泥或克泥效，对盾体进行包裹从而封堵盾体周围土体来水。盾体径向注浆封堵时根据土仓压力控制注浆压力，以防浆液注入刀盘，刀盘应慢转。

1.3保压作业技术

1.3.1压力设置

1.3.1.1根据地下水位和地质条件，确定进仓时仓室内需要保持的气压。地层不稳定时，根据水土合算重新计算压力。

1.3.1.2掘进工作模式下，开挖仓压力P根据掌子面水土压力确定，其上限值Pmax为静止土压力，其下限值Pmin为主动土压力。根据朗肯土压力计算公式进行计算。根据本工程地质条件，盾构区间土压力采用水土分算。

计算切口上限值和下限值，实际取值介于理论计算值的上、下限之间，取两者平均值。

1.3.1.3盾构的以下系统必须处于待命状态：气闸系统，低压空气系统。

1.3.2土仓加压及保压试验

为了确保掌子面的稳定，土仓加气的过程中应遵循压力平衡的原则。加气的过程是一个对土仓加压的过程，而螺旋输送机出土又是一个减压的过程。边往土仓中加气边缓慢出土，尽可能保持住土仓压力在极小的范围内变化。详细统计出土量，将土仓内的土体降到一定的高度。实现在土仓压力恒定的情况下气体与土体的置换。

当土仓内土体位置下降为截面隧道的四分之三时，停止出土。开启压气自动补偿系统，输入计算好的气压设定值。进行土仓内保压实验，不得少于2小时。在这个过程中，土仓内压力不可低于输入的设定值。压气自动补偿系统工作正常，补气的频率越慢越少越好，注意观察记录。盾构台车上空压机的工作压力不应低于5bar，满足我们前期设定的压气管路值。一切正常四小时后，打开人闸室内顶部土仓壁上的平衡阀，可排出压缩空气，无水，无泥，此时可判断地层保压成功。

保压成功后，继续按前述的方法进行气体与土体的置换。排出仓内土体直至满足我们更换刀具的位置，一般应在截面隧道的三分之二处。

盾构机在气压的作用下，尽可能的后退5-8公分。为压气作业更换刀具，提供有利环境，提高换刀时的工作效率。

1.4入仓

1.4.1入仓前准备工作.在开始状态下，只有土仓是加压的。所有入舱准备工作完成后，入舱过程方可开始。

1.4.2主舱加压。主舱加压P1>P2>PO。

1.4.3进入作业舱。压力补偿完成后，进入作业舱。Pl>PO。入舱开始通过主舱实现，而副舱不加压。

1.4.4通过副舱后续入舱。通过副舱入舱的过程与主舱操作类似。唯一不同点在于所使用的阀和显示设备：副舱通风阀门、副舱放气阀门、副舱排气流量计、副舱压力表副舱内增压：Pl >P2>PO，然后前舱内压力补偿：Pl>PO。

如果另有一个人要进入主舱，便要进行后续入舱，后续入舱由副舱来实现。后续入舱的人员要凋整至主舱的压力。每次后续入舱过程完成之后，副舱必须减压，以允许再后续入舱过程。

1.4.5带压进仓相关注意事项

1.4.5.1作业人员进入主仓。关闭主仓仓门并确保它正确锁好。操仓人员要通过对讲机一直与坐在主仓中的人员联系。

1.4.5.2主仓加压之前，再一次检查显示仪表、供暖装置、钟表、温度计、电话、紧急电话及阀门、仓门密封件是否干净；再一次检查作业所需工具设备材料是否齐备的放置在仓内。

1.4.5.3关闭主仓仓门，确保关闭正确。

1.4.5.4缓慢地打开进气阀，缓慢地升高主仓的压力，加压速率控制在0.05MPa/lOmin～ O.lMPa/lOmin。在加压过程中，当发现进仓人员身体不适时，应立即通知操仓员停止加压，若身体仍然不适，则应减压出仓。达到预定的工作压力，开启出气阀，建立主仓进出气平衡，气压稳定在+O.lhar的偏差之内：加压过程中，打开主仓外的卸压球阀以保证主仓内一定的通风量，流量计的流量值每人至少为：0.5m3/min。

1.4.5.5当主仓的压力等于达到设定压力时，主仓内人员缓慢打开主仓和土仓之间的连通球阀。在土仓和人仓之间进行了压力补偿之后，压力达到平衡，作业人员打开仓门，观察仓内情况，确认地层稳定、空气质量良好后再进入土仓。

1.4.5.6进入土仓。打开土仓门后，先站在门口观察土仓内液位及掌子面情况，确保掌子面无塌落及漏水情况，液位稳定后，人员进入土仓，开始相关作业。

1.4.5.8人员进仓后严禁仓外作业人员转动刀盘、出渣等危及仓内作业人员安全的操作。

1.5出仓

出仓前对携带的各项T具进行清点，反复核算确保所有工具全部带出。

1.5.1在开始状态下，Pl>PO

1.5.2主舱内减压P1>P2>PO

作业舱压力波动，例如：压力损失P1PO

通过紧急舱门后，任何情况下人都是“安全”的。作业舱内的压力波动将不再影响人舱内的压力情况。这样的话，在作业舱发生压力波动时，人员可以安全出舱。

1.5.3出舱过程结束，Pl>PO

1.6恢复掘进

当刀具更换完毕后，土仓内存有大量的空气，泥浆（渣土）渣土的占有量土仓总容积的二分之一。为了保证地层的稳定，在恢复推进初期采取辅助气压作业，循环泥浆不断补充土仓或不断掘进开挖增加土仓内泥浆（渣土），同时压气作业的自动补偿系统仍然在工作。首先确保土仓压力保持在设定的数值上，仓压会有一定的上升，这时打开人闸室顶部的平衡阀释放一定量的压缩空气。注意要缓慢释放，尽可能减少土仓压力的波动，在仓压不变的情况下，关闭压气作业的自动补偿系统，正式恢复推进。

2盾构保压辅助措施洞内加固保压技术

在破碎岩层、松软地层中或其他地质条件较差的地段，换刀土体加固目前最常用的是通过地面进行加固刀盘前后左右的地层，达到加固目的后方可开仓换刀。当地面没有加固空间，为了完成刀具的更换，对掌子面前方土体进行WSS注浆，加固掌子面前方土体，便于土仓内气压的建立，保证气压换刀的顺利进行。包括如下步骤：

2.1隧道内注浆平台的搭设

注浆加固之前，先采用钢管脚手架在盾构机中盾径向孔下方搭设一注浆平台，平台从盾构隧道底往上高度约4.3m，宽度约3米，平台上方铺设走道板，走道板与钢管脚手架采用铁丝进行固定。

2.2钻机的就位

注浆平台搭设完成后，由注浆班组长检查无误后，采用倒链将注浆机吊到注浆平台上。凋整钻机钻进的方向，做好钻孔之前的准备工作。

2.3钻孔及注浆

钻孔通过盾构机中盾上的径向孔，此径向孔设置在盾构机中盾，沿环向共设嚣了8个，并与盾构机成11.8度的斜交角度，洞内注浆时一般只采用中盾上半部分的4个，这4个分别分部在3点位、1点位、11点位和9点位。

钻孑L时，将径向孔上封堵的法兰盘拆掉，先沿径向孔向盾体外钻孔2米，然后停止钻孔，开始注入磷酸进行封孑L，以免后钻孔及注浆时，盾体外的泥水和浆液流入盾构机内。磷酸封孔以后，紧接着进行钻进，钻孔深度长度总长约在8米，刀盘前方约2米，之后停止钻进，开始注浆。WSS注浆采用化学浆液，后退式注浆，注浆以控制注浆压力为主，一般注浆为0.2～ 0.3MPa，达到0.3MPa后，进行后退，进行下段的注浆，直至注完为止。

2.4注漿期间地面监测与盾构机土仓压力的控制

注浆之前，要求测量班组在盾构机上方及前后10米范围内布设好地表及建构筑物的测点，并取得初始值。注浆期间，每2小时监测一次，并将结果及时通报给主要管理人员及注浆人员。盾构机操作室内要求土建工程师进行值班，观察土仓压力的变化，并每隔1小时转动一次刀盘。一般土仓压力达到1.5bar后停止注浆，待压力降至设定值后在进行注浆，直至加固完成。

3人员健康风险管理

3.1有害气体的检测及浓度值控制

通过有害气体检测仪对仓内气体进行检测，气体检测合格后方可进行施工，并按照要求做好记录。

3 .1.1检测位置：开仓前在开挖仓壁的隔板开孔处检测，开仓后在仓内检测。

3.1.2检测频率：开仓作业过程中，正常情况下宜th～2h检测一次，发现异常应加密检测频率。

3.1.3进入开挖仓前应由机长进行开挖仓内气体检测，合格后方可批准进仓作业。进仓作业观察人员在仓内作业过程中应采用仪器实时进行检测，并告知机长，应由机长负责监督落实并记录完整。

减压过程中，人员要吸医用氧气减压，要持续监测人闸内气体，控制好氧气浓度和有害气体在规范要求范围内。

开仓作业时，应对开挖仓内持续通风。

3.2换刀及孤石处理过程中的应急措施

3.2.1如果发现土体有塌方现象，人员必须立即返回人闸关闭闸门。进行半个小时的观察后根据情况做出下一步安排。

3.2.2如果开挖仓内着火，用喷淋系统灭火。如果火势太大人员返回人闸关闭闸门，向开挖仓内注入浆液灭火。

3.2.3如仓内气压出现不稳或泄漏量超过预警值，人员立即退回人闸。等待观察结果进行下一步安排。

3.2.4如有人出现不适症状，仓内人员立即通知操闸人员。不适人员通过前仓减压出仓。

4结语

综上所述，盾构机带压开仓作业施工方法，特别是土压平衡盾构机开仓作业施工方法，对要点和重点做了详细的分析，为盾构设备良好的工作提供参考。

参考文献：

[1]杨波.土压平衡盾构在富水复合地层中的带压开仓技术[J].国防交通工程与技术，2017，15（4）：56-59

[2]刘培洪.盾构机带压开仓处理异物施工技术[J].铁道建筑技术，2017（5）：90-91

[3]马云新.复合地层盾构施工中的压气开仓技术[J].建筑机械化，2010，31（6）：61-63