轨道交通工程区间盾构带压开仓技术探讨

黄泽群

（中交四航局第一工程有限公司，广东 广州 510420）

0 引言

地铁盾构施工位于较深地层中，存在较多不可预见性因素，影响盾构机顺利掘进，例如，刀盘结泥饼处理、孤石及硬岩处理、刀盘刀具磨损严重需进行检查和更换等，都会对施工作业造成影响。其中，带压开仓换刀作业存在极大的风险，需要特别重视。

1 带压开仓技术原理

盾构机在带砂层的复合地层掘进时，为防止盾构机在带砂层的复合地层掘进中超方，导致地面沉降或塌陷，盾构施工中通常以快速通过为原则，减少盾构机停机时间。如因刀盘贯入度不够、刀具偏磨造成渣温过高，泡沫系统发泡效果不佳和加水不足等原因，导致刀盘结泥饼，则需带压开仓清理泥饼。而带压开仓的重难点为土仓保压是否稳定。因此本技术工艺原理主要为减少土仓内气体流失，自动保压系统加气和排气平衡，使土仓内形成相对“密闭”的空间。

2 带压开仓技术的控制要点

2.1 盾构机安全开仓原则

当前，盾构机开仓换刀主要利用人工形式进行，因此需要保障底层的稳固坚实，禁止塌方等情况出现。为切实保障施工人员人身安全，开仓作业必须坚持按计划开仓，开仓地质条件安全，尽量避免对地面环境造成影响，人员快进快出及开仓点预先设定等准则，如无特殊情况不能被动开仓。

2.2 盾构带压进仓作业的安全控制

地铁隧道盾构掘进地段环境繁杂，不仅孤石众多，而且河流丛生、建筑密布。同时，包括了大量被风化过的多种形式基岩，有的地段还会出现不同程度的断面硬岩现象。受限于地质条件的特殊制约，盾构机在掘进穿越隧道时，机械设备的多处刀具及刀盘均会出现不同程度的磨损现象，故操作人员要根据实际情况对刀具展开全面细致的检查，有必要利用带压形式展开作业。

2.3 开仓作业的地面监测

在实际的开仓检验作业中，盾构机所用的刀盘前方附有2个可供地表数据监测的显示面，机械自身原有5个监测点用以监测地面，以每2h为一个检测节点，分时间段对开仓后的地面实体参数予以检查，确保其在正常状态下运行。

3 盾构带压开仓技术的应用案例

3.1 工程概况

某轨道交通工程属于典型的地铁隧道区间项目，线路总长度2114.066m。区间采用盾构法施工，圆形断面。区间隧道线间距为12m～27.5m，拱顶埋深约为10.2m～23.0m。且受限于现场实际拱顶埋深米数的影响，技术人员特选用盾构法施工，循序作业。依据前期的地质勘察资料可知，该施工地段土层分布较多，属上软下硬地层，抗压程度较一般，地质条件略差，故在盾构机掘进时会出现不同程度的减压及保压情况，为解决该项问题，必须要将区域内的土体抗压程度控制在12.6MPa～47.1MPa之间，以保证施工安全。

3.2 盾构机选型

在车站区间，要使用2台CTE6650土压平衡盾构机。盾构机的开挖直径为6680mm，主要组成部分涵盖主机和配套设备两大项，主机较为简单，在此不做过多阐述，后置的配套设备为关键组成部分，总长度在85m左右，其承载着整个盾构机的组成形态及实体操作运行，分桥架和车架2套不同的配置。其中负责掘进的主驱系统是由22组推进油缸主体负责，工作期间的驱动功率可达880kW，掘进速度为80mm/min，非常适用于地铁隧道的区间施工作业。此次选用的盾构刀盘为“四辐条+四面板”形式，加以滚刀、切刀、仿行刀、保径刀等配置，开挖外径可达6680mm。

3.3 带压开仓关键技术分析

3.3.1 准备工作

（1）物料准备。首先要根据现场的施工条件做好物料清单，按照顺序依次准备齐全；其次对机械设备展开全面检查，确保进仓时各项功能都在正常状态下。

（2）空压机的检查。对空压机进行全面的检验和养护，具体包括更新滤芯、检验油位、电气与机械体系的运转试验等。此外，为了避免受停电影响，必须配备200kW的柴油发电机及10m3/min空压机1台（包括盾构机上配置的2台空压机，共计3台）确保空压机的正常运行。

（3）手动闸的检验。检验手动闸箱内部的灯具、紧急联系方式、压力表、气动阀、密封门等的安装，确保其正常运行；除此之外，通过护罩空腔壁上的备用孔连接空气管，并安装压力表用于测量土壤仓中的压力。

（4）增加盾尾密封脂的注射量，促使盾尾密封脂压力值达到4bar，通过盾构机提供的注油系统，将盾构尾部密封油注入螺杆机安全门，确保气体不会从螺杆机中外泄。

（5）介于带压开仓具备一定的危险性，故在进仓前，操作人员一定要接受系统培训，且体检合格。

3.3.2 设备检查

设备检查工作不容小觑，操作人员要从机械设备的空压机及管路方面着手，对盾构机展开全面的设备检查工作：照明灯具是否处于正常状态，紧急电话是否能够使用，各种压力表是否处于正常状态，各种管路球阀开关是否处于正常状态。只有进行充分的检查，才能确保压气作业时的安全性。

3.3.3 人仓气密性的试验工作

在带压开仓作业中，人仓作为关键的通行道路，其气密性试验及安全状态的检测工作尤为重要。在盾构机带压作业加压模式期间，人仓的气密性会随着隧道的掘进速度及长度产生不同数值的变化，施工人员要时刻保持气压在0.3bar以下状态，如此才可安全作业[1]。

3.3.4 开仓压力设定

常规情况下，仓内如无漏气产生，表示压力比较大，掌子面会表现得越来越稳固；而介于地层自身密封性不高等特点，开仓的压力数值倘若超过原有掌子面的受力程度，会随即产生密封失败且地面浸水等情况；待开仓的压力数值处于较低的状态，则进仓人员的健康状态能够保证。因此，要保证掌子面的稳固，最大限度防止地面塌陷的情况。

3.3.5 开仓作业流程

作业流程为：停机→土仓注膨润土→出土至入仓口部以下→气密性试验→压力确定→带压检查→带压作业→脱困掘进→恢复正常掘进。需要注意，刀具磨损严重或刀盘前形成泥饼造成掘进速度降低或碴温升高等掘进异常现象，经综合分析需停机进仓检查。

3.3.6 开仓泥膜建立

此次施工中，技术人员需在开仓时根据现场的实际情况展开泥膜的分建工作，并按照黏度≥100MPa·s的规定范围来配比膨润土的泥浆参数，且将比重控制在1.3g/cm3以下，并以膨润土∶水∶火碱=510kg∶830kg∶10kg的比例开展配比工作，在填充时确保土仓压力数值符合要求[2]。注入膨润土时，缓慢转动刀盘持续时间≥2h，使膨润土充分进入刀盘周围土层，形成气压保护膜[3]。

3.3.7 气体检测

气体检测工作操作简单但也不容忽视，气体的密封程度合格与否，直接关系到操作人员的安危，故在施工人员进入土仓之前，要对其展开精确的气体检测，确保内部空气质量合格。

3.3.8 压气操作

（1）升压。该项操作可依照不同次数分别展开，所需压力数值建议控制在1.9bar，随即在不同次数的压气操作中，以仓内实际产生的气体数值为标准和依据，在所有仓门处于关闭状态下，科学合理地启动进气阀设置，循序渐进提升仓内的气压，确保其始终在一个平衡的状态下运作。升压第一分钟仓压不能超过0.025MPa，加压速度不得超过0.015MPa/min，便于后续作业安全有续展开，且再度加压要等到症状全部消失后才可以进行。

（2）稳压。当升压达到预定值后，入仓值班员对进气流量、出气流量等进行调节。气压达到相对稳定的状态后，与工作人员联系，让其打开平衡阀，如果出现压力波动，值班员要随时调节，时刻确保压力保持稳定状态，能够有空气流入。

（3）开仓。作为带压作业的重要环节，开仓也具备一定的技术操作。首先在第一步开仓时，操作人员不可全力将其打开，需以缝隙的方式缓慢开启，这样做可避免渣土突然涌出；其次在开仓之后，要对仓内现有的影像资料予以记录并上传，由专业人士或项目负责人对掌子面的实际情况做出判断，与此同时对盾构机的刀具磨损情况予以检查[4]。

（4）减压。作业人员完成相应工作退入主室后，关闭主室与气仓隔离门，缓慢减低主仓压力。减压作业按每0.03MPa压力段分段进行，每分段停留时间和减压时间应严格按相关规定执行[5]。

根据本工程的实际情况，操作人员使用了阶段减压对仓体展开减压工作，依照减压→稳压→稳压减压→再稳压→再减压的步骤循序开展，并对流程的压力值控制在规定的范围值之内。在对1.2bar减压过程用时10min，稳压10min；1.2bar～0.9bar减压过程用时6min，稳压15min；0.9bar～0.6bar减压过程用时6min，稳压3Omin；0.6bar～0.3bar减压过程用时6min，稳压40min；0.3bar～0bar减压过程用时6min，然后人员出仓。

3.3.9 刀具检修

（1）施工准备。施工人员按照换刀方案，预先准备施工时使用的刀具及工具，同时将下井施工所用的工具和需要替换的刀具放置在施工场地。

（2）刀具检查及换刀分两个阶段实施。首先，清洗刀盘并检验刀具是否完好，按照刀盘和刀具表层的结泥状况再进行清理工作，清洗过程中需密切关注刀具的磨损状况；其次，主要是替换刀具，一是替换耗损严重的刀具，二是改良或替换下面几种刀具：38#、39#、40#、41#边滚刀进行垫高，挖掘直径至6.29m；替换梁上所有12把边刮刀，致使边刮刀的挖掘直径为6.28m。

（3）清理刀盘及刀具检查。清洁和更换刀盘时，应合理组合，尽可能缩减刀盘的运行次数；施工人员应了解并控制现场作业工艺。使用高压清洁机将刀盘清洗干净，在清洗过程中尽可能降低对礃子面的影响，由刀盘的中心位置向周边扩散进行冲洗，确保高压清洁机的喷口向下冲刷，利用同向扭转刀盘来完成整体刀盘的清洗工作。

（4）更换刀具标准及依据。检查刀盘，记录磨损刀盘号并拍照留底。更新刀具要符合以下条件：前滚刀环磨损20mm时、边沿滚刀刀环磨损10mm时、中心滚刀刀环磨损25mm时，即更换新的刀片。

（5）换刀程序。刀头旋转到需要换刀的位置（前端和边缘区域），风镐工人凿坑时，坑的体积和刀的体积大体一致，坑凿好之后将所需替换的刀转到坑中，拆刀工人先拆掉防护帽，利用气动扳手拆卸液压锤楔螺钉上的螺母，拆下夹板和液压锤楔螺钉；在两个刀环之间使用钢丝套，用导链慢慢拉动，将其从夹紧槽中提起，滚刀与刀座分离。此时，刀具拆卸器将刀具取出，并将其运出土仓。

将新刀具（前部和边缘区域的刀具）运输到土壤仓后，刀具安装工人将新刀具的轴号反转到刀盘的中心，放入刀架，然后慢慢推动刀架中的夹紧槽，推动轴楔螺钉并旋转90°，使其与刀轴的斜面重合，然后安装夹板并拧紧螺母（螺栓扭矩见刀头或刀盘安装图设计标准），涂抹硅胶，拧紧防护帽。

刀头旋转到需要换刀的位置（中心滚刀），风镐工人展开凿开作业，当坑的体积是刀的一半时将坑凿好，将所需更换的刀具旋转到基坑中，拆卸刀具，先利用气动扳手拆卸4颗螺栓，拆卸双面楔块后，在2个刀环之间使用钢丝套，用导链慢慢拉动（维持水平和垂直角度），将刀具拉出刀座，中心滚刀离开刀座，这时拆卸工人完成拆刀任务，输送出密封仓库；新刀具输送至密封仓库后（核心区域的刀具），组装工人将刀具轴号反转到刀盘的中心，慢慢推至刀架底端（维持横向和纵向的角度），然后安装双面楔块，拧紧4道螺栓（螺栓扭矩见刀头或刀盘安装图，先对角切割中心区域的四个螺栓，然后按图纸设计要求进行紧固）。

（6）换刀规定及注意事项。更换刀具时应锁定刀盘，更换下刀具时打开刀盘并旋转它；刀盘旋转前，土仓内全部人员务必撤离至盾构机并关闭土仓，刀盘停止旋转并确定礃子面稳定后，操作人员便可进入土仓开始施工。清洗刀盘、凿坑等产生空气污染和灰尘作业时，必须佩戴防护面罩；电焊、气割产生火花时，确定是否有可燃气体；必须在现场提供必要的治疗创伤和烫伤的药物和担架。禁止压气人员进行重复作业，每班工作时间保证在6h之内。

（7）带压检测。在施工人员完全进入副仓时，要以此时具体的系统程序对存在于主副仓间的气压予以处理，做到两者气压平衡状态，如此方可进入盾构机的主仓开始操作。两人带着压力进入仓内（一人工作，一人负责联络和指挥），仓内的检验时间设定为2h。刀具的检查方法主要有操作者攀爬刀具辐条，借助专用的仪器设备予以检查。

3.3.10 恢复掘进作业

在一切的开仓操作结束后，随即可开展连续的掘进作业。需要注意的是，在掘进之前，建议将膨润土填充在仓内有气压的部位，可以很好地避免超挖现象的不定时产生，进而降低地面沉降。

4 结束语

本区间盾构穿越了多个既有的建筑物，施工范围大且深，涉及多个土层的掘进作业，工序复杂多样，且在整体带压开仓操作中，遇掌子面水量大的危险地段，运用了特殊的方式予以应急处理，为后续的相关作业提供了安全可靠的施工环境和有利条件，这在国内的同类工程中也极为少见。文中所阐述的带压开仓工序可作为指导资料，为业界同仁参考和借鉴。