盧春林

(中鐵隧道集團有限公司杭州公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

隨著我國城市的發(fā)展，過江跨海隧道工程成為完善發(fā)達城市交通網(wǎng)絡(luò)不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大直徑復(fù)合地層泥水平衡盾構(gòu)已有較多成功的工程實例。大直徑氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機在不同地質(zhì)條件長距離掘進中，都會對盾構(gòu)機刀具產(chǎn)生不同程度的磨損，尤其在砂卵石為主的地層、石英含量超高巖層及上軟下硬地層，盾構(gòu)機刀盤、刀具更易磨損。為保證盾構(gòu)機刀盤使用安全，需經(jīng)常帶壓進倉進行刀具檢查，對邊滾刀、中心滾刀按不同磨耗標準進行更換。帶壓進倉是一項風(fēng)險極大又必不可少的施工工序，是解決盾構(gòu)機倉內(nèi)故障和更換刀具的唯一途徑。通過對過江通道盾構(gòu)施工中帶壓進倉查/換刀作業(yè)的成功實施，總結(jié)卵礫石地層中帶壓進倉查/換刀施工工藝和方法。

1 工程概述

1.1 工程概況

某過江通道工程隧道設(shè)計為雙層雙向八車道，隧道在江中采用左右線分離兩管盾構(gòu)，盾構(gòu)施工采用直徑為14.93 m泥水加壓平衡式盾構(gòu)機，刀盤開挖直徑為15.01 m。其中N線盾構(gòu)隧道總長3557 m，穿越2600 m寬長江。盾構(gòu)長距離穿越石英含量高達55%的砂卵石層及上軟下硬的復(fù)合地層。最高水壓達0.62 MPa，隧道最深處為江底62 m，局部覆土僅0.6D(其中D為盾構(gòu)直徑)。

1.2 盾構(gòu)帶壓進倉目的

盾構(gòu)在穿越長江大堤后進入江中段，全斷面礫砂(卵石)掘進232 m后進入475 m長上軟下硬地層后，進入江中潛洲段。泥水盾構(gòu)帶壓進倉風(fēng)險與地層水壓和地層物理性質(zhì)密切相關(guān)，江中段水壓遠遠高于江岸段，并且江中深槽覆土僅0.6D且水壓超高。盾構(gòu)于穿堤前進行帶壓查/換刀。

盾構(gòu)機設(shè)計采用刮刀刀刃高度高于滾刀刀刃高度的措施來防止?jié)L刀在進入上軟下硬地層之前發(fā)生偏磨，滾刀為上軟下硬地層掘進的主要保障。因而為了驗證措施是否有效，需在進入上軟下硬地層之前帶壓進倉檢查滾刀是否發(fā)生偏磨，如發(fā)生偏磨，需在進入上軟下硬地層之前帶壓進倉對滾刀提前進行更換，以減少江中帶壓換刀次數(shù)。

1.3 盾構(gòu)停機位置水文地質(zhì)條件

盾構(gòu)停機位置地層主要為松散巖類承壓水，分布于基巖上部松散層中，在漫灘區(qū)上覆淤泥質(zhì)土及粘性土，在長江河道區(qū)直接與江水相通。含水介質(zhì)主要為粉細砂、底部為卵礫石層，厚度40～60 m。卵礫石以石英巖為主，次圓狀，分選性差，粒徑一般1～10 cm，少量大于10 cm。

盾構(gòu)在停機查換刀位置穿越④3、⑤2和⑥1層，上覆土層主要為②1、②2、②3、④1層，盾構(gòu)穿越段的地層特性、地層力學(xué)參數(shù)如表1所示。停機斷面為粉砂、礫砂與卵石層，其中礫砂層占整個斷面70%，開挖面不能在常壓下自穩(wěn)，其富含水。

表1 主要地層特性表

1.4 帶壓進倉方式選擇

帶壓進倉根據(jù)壓縮空氣的成分分為常規(guī)壓縮空氣進倉和氦氧飽合氣體進倉作業(yè)。根據(jù)進倉的目的分為進倉檢查、進倉更換刀具、進倉維修。當(dāng)進倉壓力＞0.65 MPa時，由于常規(guī)壓縮空氣中的氮氣對人體的麻醉作用，而不能使用常規(guī)壓縮空氣進倉，需采用氦氧飽和氣體進倉。當(dāng)進倉壓力＞0.5 MPa時，在常規(guī)壓縮空氣下，進倉工作時間不能＞0.5 h，其有效工作時間與加壓和減壓時間之比較小，一般采用氦氧飽合氣體進倉更換刀具和進倉維修。

根據(jù)盾構(gòu)停機位置地質(zhì)水文條件，設(shè)定本次帶壓進倉的壓力為0.55 MPa，本次帶壓進倉主要目的是為了進倉檢查滾刀的磨損情況并更換少量磨損刀具，因而選定常規(guī)壓縮空氣進倉。

2 帶壓進倉查/換刀施工技術(shù)

2.1 帶壓進倉準備

2.1.1 加大同步注漿量

盾構(gòu)確定帶壓進倉位置后，對停機前5環(huán)加大同步注漿量，以達到加強封堵盾尾后部、管片背后地層的目的。適當(dāng)調(diào)整砂漿配合比，將同步注漿砂漿初凝時間縮短，及早穩(wěn)定地層。

2.1.2 掌子面地層及泥漿循環(huán)管路氣密性實驗

帶壓開倉前，要通過實驗確定相關(guān)管路及掌子面氣密性是否滿足開倉要求，如不滿足迅速排查整改，直至驗收合格。

2.2 泥漿輸送與泥膜建立

在卵礫石地層中帶壓進倉，地層滲透性強且可能存在裂隙發(fā)育，盾構(gòu)帶壓開倉作業(yè)時，需建立長滲透帶泥膜，使掌子面能夠在加壓條件下長時間穩(wěn)定自立。盾構(gòu)泥水倉內(nèi)需用高密度、高粘度膨潤土泥漿置換泥漿管路泥漿，充滿盾構(gòu)泥水倉并通過2次加壓建立自穩(wěn)性好的高質(zhì)量泥膜。

2.2.1 優(yōu)質(zhì)泥漿制備

泥水站制漿系統(tǒng)剪切泵按水灰比3.5制備膨潤土漿液，通過泥水站管路改造，將儲漿池與盾構(gòu)P1.1泵前管路相連，進行泥水管路系統(tǒng)泥漿置換。泥水管路改造如圖1所示。直至循環(huán)泥漿排漿口泥漿指標達到密度1.10 ～1.15 g/cm3、粘度45 s(馬式漏斗)以上為止。并將排漿管路通至儲漿池，達到泥水倉液位升降過程中泥漿循環(huán)利用。

圖1 泥漿管路改造示意圖

2.2.2 長滲透帶泥膜建立

建立長滲透帶泥膜，有利于帶壓查/換刀掌子面穩(wěn)定和施工安全，通過對原有泥漿第一次滲透，置換新漿第二次滲透和兩次新漿滲透形成泥膜的室內(nèi)試驗對比，原泥漿第一次滲透，轉(zhuǎn)動刀盤置換新漿后第二次加壓滲透形成更長滲透帶，泥膜穩(wěn)定性更好。盾構(gòu)泥水倉泥漿置換前，進行加壓第一次原漿滲透，置換泥漿后進行第二次加壓滲透，形成穩(wěn)定泥膜。

2.3 壓力設(shè)置及升降液位

2.3.1 泥水壓力設(shè)置

泥水壓力設(shè)置采用靜止土壓力作為控制上限，主動土壓力為控制下限，由于計算式地質(zhì)參數(shù)取值誤差較大，需根據(jù)盾構(gòu)機載停機前掘進過程中壓力設(shè)定情況和停機過程中穩(wěn)定開挖面的泥水壓力參考調(diào)整。調(diào)整后壓力參數(shù)進行保壓實驗，觀察在此壓力下泥水倉液位30 min有無明顯變化，沒有變化則說明參數(shù)設(shè)置滿足進倉要求。

2.3.2 液位升降

降液位減少倉內(nèi)泥水為帶壓進倉檢查刀具提供作業(yè)空間。降液位前打開泥水倉與氣墊倉之間的平衡閥向泥水倉內(nèi)送氣，并同時開啟進、排泥泵。送泥流量控制在10 m3/min左右，送、排泥流量差控制在2 m3/min，使得泥水倉最終都緩慢下降。泥漿循環(huán)約40 min后，關(guān)閉進、排泥泵觀察氣墊倉液位，氣墊倉液位5 min變化小于5 cm后，開始重新打開進、排泥泵(同樣大流量)，直至氣墊倉液在3.5 m處。

2.3.3 觀察施工環(huán)境

轉(zhuǎn)換為氣墊模式后，要加強與地表觀察人員的聯(lián)系，地表漏氣和冒漿等情況不能有大的變化，地表監(jiān)測正常;液位降至預(yù)定位置后，繼續(xù)觀察壓力與液位，工業(yè)空壓機供氣要比較穩(wěn)定，壓力未急劇下降或出現(xiàn)大的波動，同時倉內(nèi)泥水液位上漲較緩慢或穩(wěn)定。待液位降至設(shè)定值2 h后，且地表觀察正常，液位波動、空壓機供氣正常后準備帶壓進倉作業(yè)。

2.4 帶壓查/換刀

2.4.1 加壓過程

人員進入壓力倉前，應(yīng)先進行氣密性實驗，將醫(yī)用氧氣、耐高壓頭燈、照相機等材料、機具放入倉內(nèi)，關(guān)閉倉門升壓至氣壓倉壓力值，保持不小于10 min，觀察人倉是否有氣體泄露，再降至常壓，帶壓作業(yè)人員進入人倉檢查所有機具是否仍可正常使用，確認機具正常、人倉密封性良好后關(guān)閉倉門，開始人倉加壓。

專業(yè)操倉人員慢慢開啟門閥，保持恒定升壓速度，0 ～0.2 MPa升壓時間為 0.5 h，0.2 ～0.64 MPa升壓時間為1 h。

2.4.2 進倉作業(yè)

加壓操作完成后人員開倉進入作業(yè)面，打開人倉外卸壓球閥，保證人倉內(nèi)通風(fēng)，改善倉內(nèi)空氣質(zhì)量。進倉作業(yè)時，刀盤必須處于鎖定狀態(tài)，并實時監(jiān)測人員倉內(nèi)氣壓情況和氣墊倉內(nèi)液位變化。

泥水盾構(gòu)是依靠形成的泥膜保持掌子面的穩(wěn)定，操作人員進入倉內(nèi)觀察時，注意不要輕易破壞掌子面形成的泥膜層(圖2)，如果泥膜層受到損壞，則會打破泥水倉與氣壓倉的壓力平衡，造成氣體從破壞的泥膜中逃逸，使掌子面垮塌，導(dǎo)致人員及設(shè)備的傷害。

圖2 開倉查刀泥膜圖片

2.4.3 刀盤清理及檢查

作業(yè)人員進倉后對上部刀盤切口環(huán)進行清理，檢查土體穩(wěn)定情況，并對刀盤開口處渣土進行清理，最后清理刀孔和刀具。對刀盤邊滾刀、滾刀及切削刀進行檢查(圖3)，檢測磨損情況并建立刀具檔案。出倉后根據(jù)刀具檔案決定刀具的更換。并通過日后開倉持續(xù)觀察刀具磨損情況總結(jié)規(guī)律，對日后刀具磨損更換具有指導(dǎo)作用。

圖3 滾刀磨損檢查

2.4.4 減壓出倉

一次進倉刀具檢查完成后，關(guān)閉倉門前對刀盤前端進行全面檢查，避免工具、雜物遺留在內(nèi)。潛水員進入人閘，進行減壓，減壓作業(yè)由專業(yè)醫(yī)生操倉。專業(yè)操倉醫(yī)生要嚴格按照國家潛水規(guī)范制訂相應(yīng)的減壓方案，每組進倉人員進倉作業(yè)達到規(guī)定時間后，必須及時進入減壓倉，進行減壓及出倉。

2.4.5 轉(zhuǎn)動刀盤，重新建立泥膜進行重復(fù)查刀作業(yè)

要轉(zhuǎn)動刀盤來檢查具體輻條上的刀具時，輻條轉(zhuǎn)動至正上方，滿倉保壓至少2 h，且1 h泥水倉液位變化＜15 cm，重新建立泥水平衡形成泥膜，方可再次進行降液位、帶壓進倉檢查等工作。

3 加液位恢復(fù)掘進

盾構(gòu)帶壓查/換刀作業(yè)結(jié)束后，立即升液位恢復(fù)掘進。

平衡閥打開，開啟送、排泥泵，此時送、排泥泵流量為液位降低時的相反值。送、排泥流量泵打開后，關(guān)閉平衡閥，同時慢慢打開泥水倉的排氣閥，根據(jù)液位上升的快慢來選擇排氣閥開度，直到排氣閥里有泥水流出，關(guān)閉排氣閥，恢復(fù)至掘進模式。

4 工程應(yīng)用實際情況

某過江通道在長江大堤卵礫石地層下進行的常規(guī)壓縮空氣查/換刀作業(yè)，有效的檢查了刀盤刀具磨損情況，并成功帶壓更換3把磨損較為嚴重的邊滾刀。常規(guī)壓縮空氣帶壓進倉在本次查刀與少量換刀的作業(yè)中的成功實施，為今后盾構(gòu)掘進上軟下硬偏磨刀具地層和全斷面風(fēng)化巖地層刀具檢查和更換積累了經(jīng)驗。同時也為帶壓查/換刀時刀盤前端建立穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)泥膜積累了經(jīng)驗，完善了泥漿制備、泥水倉內(nèi)泥漿置換及加壓成膜的質(zhì)量控制。

5 結(jié)語

當(dāng)更換刀具較少，進倉壓力在0.5～0.6 MPa條件下，常規(guī)壓縮空氣帶壓查/換刀滿足盾構(gòu)刀盤刀具檢查和少量刀具更換的要求。在此總結(jié)復(fù)合地層常規(guī)壓縮空氣帶壓查/換刀施工技術(shù)，可供類似大型泥水盾構(gòu)帶壓查/換刀作業(yè)借鑒。

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