轨道交通区间盾构带压开仓技术

曹海波

（中交<广州>建设有限公司， 广东 广州510000）

1 工程概况

广州市轨道交通十二号线工程，全长37.6km，沿线共设站25 座，其中换乘站17 座。官洲站～大学城北站区间起讫里程Z（Y）DK43+626.350～Z（Y）DK44+806.741，左右线长均为1180.391m，区间内设置2 座联络通道。为在安全的环境下顺利推进施工进程，在该区间的左右线处分别设4 处常压（带压）进仓点，以便在盾构施工期间及时完成刀具的更换操作，缩短中途间隔时间。

2 带压开仓简介

在对软岩、含水丰富地段进行挖掘时，因为地层的自稳能力几乎为零，所以必须由盾构机对地层提供稳固的支撑并确保压力合格，刀仓内的各项工作将采用带压进仓的方式进行施工。通过将压缩空气引入盾构机土仓，实现了带压情况下打开仓的目的，从而在盾构机前方的刀盘与外部土层之间形成封闭的压气空间。采用空气压缩作为承压原材料，确保土层的稳定性，使施工队能够安全进入稳定的压气空间，并及时对盾构机进行换刀检查。引入空气压缩压力值，确保地表水不易渗入土仓。在项目建设过程中，根据项目建设的具体情况，需要注意地层无塌方发生为标准设定，参考开仓处水土压力，一般不超过2.5bar。

作为盾构施工的一种技术措施，带压开仓作业主要有两大应用优势：一是在处理当地层条件不好而又必须进行刀具检查及更换时，可以节省地面加固的时间及费用；二是当出现刀具必须检查或更换，而地层条件不稳定，须进行加固才能开仓时，由于地面建构筑物、地表环境等原因无法在地面对地层进行加固时，只能通过带压开仓作业来进行换刀等工作。在项目建设过程中，根据项目建设的具体情况，需要注意以下几个方面：

（1）采用分阶段排土、加压的方式操作；

（2）设定土压力低于工作面最终压力0.1～0.2bar；

（3）在开仓过程中保持此压力，控制在可控范围内；

（4）当需要添加原料以确保土体的气密时，仓内应注入膨润土浆液，并将刀盘旋转，使仓库中的土层与膨润土充分混合，从而在开挖表面产生厚的泥皮，以保证其气密性；

（5）在保证开挖安全性的情况下，土建工程师应确定土仓的稳定性；在开挖坑表面出现异常时，立即组织人员从土仓退出，关闭仓门；

（6）应设置两个以上的通信网络，以保持相关机组与压力仓内外、道路和室外机组之间的通信畅通。如有异常，应立即联系；

（7）路面建（构）筑物、地下管线由专职人员监督管理。如果发现任何异常，立即要求识别并报告解决方案。

3 开仓风险分析

3.1 开仓风险

开仓后需要完成的任务很多，如对土仓内污泥的清除、对刀盘控制面板的检查、内外工具的维护、拆卸和更换、疏通泡沫管等。可以打仓四天，但务必确保礃子面和筒体的顶部安全稳定，因为开仓的风险也系于刀盘和筒体顶部和礃子面。带压开仓时，虽然可通过压力控制保持掌子面稳定，但也存在较大风险：

（1）操作不当导致作业时气压压力急剧变化，作业人员轻则会肺泡压破导致减压病，重则会导致瘫痪或生命危险；

（2）由于隧道施工作业面狭小，对作业人员的急救措施较难到位；

（3）压气作业作为一种新的特种作业行为，社会和行业都未建立健全相关的作业规程和安全防护要求，目前是根据潜水员标准进行作业。

3.2 确保开仓安全必须采取的措施

开仓措施如下：

（1）对管片注浆孔的灌浆应从盾尾第5～7 圈的盾尾进行。

（2）开启仓门，检测土仓地下水情况，判断礃子面稳定和渗水情况在允许范围之内时，进入仓内进行作业。

（3）在非必须条件下进行超前注浆措施。

3.3 开仓目的和原则

开仓原则：尽快完成开仓和相关作业，缩短开仓时间，确保开仓安全。

开仓作业的主要目的为：检查及更换刀具，确认刀盘磨损情况和泥饼情况，疏通堵塞的泡沫管。

检查刀盘和刀具的损坏情况和泥饼情况；

检查刀具损坏情况（一般正面滚刀刀圈磨损量20mm，中心刀刀圈10mm，边缘滚刀刀圈10mm）。如果满足上述类型，请务必更换滚刀。如果出现断齿，务必更换齿刀和刮刀。

出现刀圈偏磨、轴承漏油、刀圈崩裂都必须得换。清除刀盘泥饼；清除土仓泥饼；疏通堵塞的泡沫管。

3.4 开仓前的准备工作

为了更好地保证工具的不断创新，我们必须提前做好充分准备。前期准备包括：预计工具拆卸更换的前期准备、采购工具的前期准备、人员的前期准备、隧道施工自然通风的前期准备、离心水泵照明设备的前期准备这五大项的提前准备。由员工自行决定，由相关工程师确定，总工程师批准。确保足够的原材料和设备。原材料、机械设备在投入使用前，由机电工程师、安全员、现场组长对其安全特性进行评价。

3.4.1 人员准备

带压开仓选用有资质的单位进行，进仓前人员需经过职业病医院检查合格后才能进仓，患感冒或者流感人员不能进仓作业，进仓人员证件齐全。开仓前，组织施工队对本工程施工过程中常见的操作问题进行培训研究。员工培训由机电部组织，工程部协助。培训的主要内容包含：明确进仓目的及工作内容；换刀工具的操作及使用；有效布置刀盘和刀具；并能有效区分刀具的使用；对紧急情况的应变能力；泡沫管的疏通；泥饼的解除。

3.4.2 开仓新鲜空气供应准备

确保拖车上空压机工作正常，可持续供应新鲜空气，用气管从盾体内的备用气阀接口接入新鲜空气到土仓内，给仓内供应新鲜空气，保持土仓内空气质量。

3.4.3 刀具检查前开挖面地层处理

为了更好地加强施工中地层稳定性，减少加压过程中的气体排放，在停机器开仓的前一天逐步加气，以产生并稳定前端工作压力。

开仓前，应对土仓内的土面进行压低，以确保土仓的闸门打开。卸载过程中，再次观察并稳定前部工作压力。在土层减少、土压力稳定的情况下，解决开挖表面土体的地质结构问题。

时刻关注主舱压力表相关标准值的变化，并收集压力数据。如果气压力降至一级压力值，排气阀和锦旗阀可以轻松调整，以在特定时间内保持主舱压力的稳定。然后持续释放压力，多次操作后仓库内外压力相同。

4 带压开仓的技术流程

4.1 泥膜护壁施工

洗仓，并使盾构机刀盘伸出到180mm 的位置。通过同步注浆机向土仓内注入黏度为30MPa·s（现场测试）膨润土，当土仓压力保持在1.8bar时，利用螺旋机出土以此平衡仓内压力。当天共注膨润土31.3m3，螺旋机出土25.17m3，出土渣样从粗颗粒慢慢转变为小颗粒，到次日从土仓壁9点位置取出膨润土渣样以测试黏度，为27.8MPa·s（小颗粒较多）。通过管片车放置的二次注浆机向土仓注入膨润土，并提升仓内压力到2.1bar，共注膨润土21.4m3，出土19m3，预期把膨润土黏度提升至45MPa·s。从土仓壁9 点球阀取出膨润土渣样，测试黏度为52MPa·s，相比于预期效果要好。应用盾构机刀盘可伸缩的功能使盾构机刀盘回缩至50mm 位置，并第二次注射膨润土，将仓压调整至2.5bar，膨润土黏度调到50MPa·s，共注进土仓6m3，出土5.6m3。仓内取渣样测试黏度57MPa·s，泥膜状况较好。

4.2 进仓人数与时间

立足于带压工作情况，合理规划每天的进仓班次。每次进仓人数按3人控制，并控制单个班次的作业时间，不超过5h。按照特定的流程开展带压开仓工作。

4.3 进仓前的压力测试

组织无人压力试验，全过程中员工均不进入。经过测试后判断在试验压力条件下主舱和辅助仓各设备的运行状态，给后续工作的开展提供重要的参考依据[1]。

关闭主舱的仓门与密封门、主舱和辅助仓的密封门，然后慢慢打开进气阀，增加主舱的压力，以便在短时间内完成升压操作。但要避免增压速率过快的情况，否则将明显增加压差，严重干扰员工的正常工作，甚至会对其生理健康造成危害，例如因压差过大而高度挤压耳鼓膜。

开启排气阀进入排气阶段，考虑到现场的安全要求，必须严格控制压力，避免其在此阶段大幅度提高；调节进气阀和排气阀，通过对两类阀门装置的控制将压力降低速度稳定在合理区间内；为满足现场工作人员正常呼吸、高效作业的要求，在计算进气流量时，以每人为单位，则流量值必须要＞0.5m3/min。

要实时留意对于主舱压力表相关数值变化，及时采集压力数据，若气压降至第一级压力值，灵活调整排气阀和进气阀，以此来实现在指定时间内，主仓压力可以对应地保持稳定性。此后，重复减压，经过多次操作后使仓内外的压力保持一致。

对于前述所提的加压和减压试验中的各项数据均由专员采集并完整记录，以便根据数据客观分析。

按照主仓压力试验方法完成辅助仓的试验工作，确保整个过程中压力满足特定要求，且完整记录各项数据。

5 带压作业的技术要点

5.1 带压进仓

加压前详细检查各方面情况，包含仪表运行情况、通信状态、供气及排气的顺畅程度、仓门密封性等，确保各项条件均正常；并再次检查设备材料，明确其类别、数量等，要求妥善存放在仓内。

关闭主仓、工作仓的仓门及密封门，以缓慢的速度开启进气阀，使主舱的压力逐步上升，直至其增加至设计值为止；再开启出气阀，通过调节达到主仓进出气平衡的目的。

安排员工进入辅助仓，关闭该处的仓门，仓内人员积极与值班人员取得联系，就相关工作要点展开沟通，由气压操作人员加压。首先，使辅助仓的气压增加至0.3bar，由专员完成咽鼓管的调压操作，此后稳定5min，若该过程中无异常状况则在15min 左右将该压力值提升至1.7bar。考虑到两仓间存在气压差的情况，仓内控制人员调节压力平衡阀（指设置在辅助仓与主（仓）间的装置），待该气压差得到有效控制后开启辅助仓与主仓的密封门，安排专员进入主仓。

调节压力平衡阀（设置在工作仓与主仓间），以便消除两者间的气压差，经检查后若不存在有害气体则进仓操作。期间各项压力数据均由专员记录，将其填至压力控制表内。

土仓工作全程启用自动保压系统，以满足工作人员的供气要求，直至实测值达到设定值为止。在施工过程中，及时检查气体流量计的具体显示值，根据该数据采取控制措施，保证土仓维持良好的通风状态[2]。

5.2 刀具检查注意事项

基于维护好掌子面稳定性这一前提，负责对应作业任务小组成员要到土仓内去仔细核对刀具是否存在磨损。通常来说，每一个作业小组人数要控制在3 人作用，并服从带压进仓作业小组的领导。具体刀具检查方法为：人站在刀盘辐条上，采取目测和利用量具相结合的方式检查；在检查过程中，所有作业都必须保证安全带是佩戴好在身上的；由负责拍照、辅助与接应主仓、主仓内保持和外界联络的3 位作业人员带压进舱，等到确定主仓已上升到预计范围内稳定压力值后，方可打开主仓与土仓之间舱门；正式进入到土舱，需率先检测掌子面是否处于稳定状态，确认无误后即由负责拍照作业人员进行拍照，必要时还要开启设想功能；完成上述步骤后，负责检查刀人员可正式进入主舱；保证所有人员都在主舱外情况下，主舱内人员才可能将刀盘旋转90°，与此同时，根据以上环节来进行循环作业，直至刀盘依据同一转动方向旋转完成270°为止；在结束拍摄工作后，负责拍照人员以及负责辅助与接应主仓人员要进入到主仓内且确保土舱门处于紧闭状态；主仓降压，人员出仓。

5.3 刀具更换

滚刀拆卸流程。通过转动刀盘的方式来把准备进行拆卸刀具停止于三点钟方向→清除螺栓孔→拆卸滚刀压坑螺栓并取出→借助土舱吊环来悬挂完成1t 葫芦，并使用吊带捆绑待取出滚刀→取出滚刀（撬棍和葫芦结合使用）。

滚刀安装流程。采用转动来把待装刀具刀箱位置刀箱停止在三点钟位置→入孔掏空（具体在待装刀具刀箱深度约200mm 位置）→清洁刀箱→通过手拉葫芦把待装滚刀放入刀箱→紧固螺栓。

5.4 质量控制与技术要求

完善准备阶段各项工作。鉴于带压进仓作业是属于较特殊施工，因此相关操作人员必须要根据具体指示来全面做好准备阶段各项工作，同时必须要经过技术部门详细检查确认后方可正式开展施工[3]。

正式使用前，设备应投入试运行。负责管理技术和操作的相关人员应定期维护和试运行盾构机上的自带设备；预埋设备应以电力机车的形式运输至隧道机场外，并在进入前连接隧道机。

作业人员的身体检查、培训。该项工作应委托有经验的事业单位完成：按照规定严格筛选进仓人员；并开展带压作业注意亊项的交底培训。

管片背后封水。对邻近盾尾的1～3 环管片，利用吊装螺栓孔进行周圈定压定量注浆，达到管片背后岩层中裂隙水封堵的效果。

切口环部位封水。通过盾构机前体上的超前注浆孔开展注浆作业，从而封闭盾壳周围岩层中的水，如果有必要应在拱顶部的孔中打入注浆芯管，并加固地层。

浆液等强。等待龄期通过为8h，此时仍然不能停止转动刀盘，否则会导致刀盘凝结进而不能转动。

5.5 开仓安全保障措施

专门编制关于开仓作业以及进仓作业的安全措施方面计划，并要求全体参加作业流程施工人员定期开展技术交底，确定知晓作业程序及其相关要求。

在开启仓以后，务必要率先明确掌子面是否处于稳定状态，只有确保掌子面具有稳定性方可进入土仓实施作业。

全程安排特定的人员时刻关注掌子面的稳定情况，如果出现异常现象，所有人员必须马上撤离和关闭仓门。一旦出现坍塌事故，如果实际情况允许则采取处理措施，如果情况被判定为难以控制时，就一定要立即将仓门关闭[4-5]。

在开仓前的水压试验以及检查刀具的过程中，应设置在盾构切口范围20m 以内设置警戒线，并安排相关工作人员按24 小时值班。

5.6 恢复正常掘进

完成刀具的检查或结束换刀操作后，若现场无异常状况，人员与设备撤出土仓和人闸，则启用刀盘，继续掘进。从现场地质条件来看，若遇到稳定性不足的砂层，在该处恢复掘进时不宜采用土压代替气压的方法，而是向土仓内注入适量的膨润土，并在该过程中减小气压。随着该操作的持续推进，待土压完全代替气压后方可正式恢复盾构掘进作业，此时由专员操作刀盘和千斤顶。

6 结束语

盾构机在轨道交通区间隧道施工中取得广泛的应用，带压换刀为常见的施工内容，其可以直接在洞内完成加固操作，不占用地面空间，对周边的破坏性影响较小，在穿越复杂地层时具有可行性。本文则对轨道交通区间盾构带压开仓技术展开了分析，希望所阐述的内容可供同仁参考。