典型复合地层盾构开仓工况分析与技术研究

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　　摘  要：我国南部以广东、福建两省为代表，地层为软硬不均的复合地层，盾构选型无法兼顾安全性和耐用性，施工过程中刀具往往磨损极大，需要开仓进入进行刀具更换。在土仓更换刀具危险性极大，需要对掌子面实施措施方可实行，常规开仓方法有带压进仓及常压进仓两种方法。文章以厦门地铁2号线盾构施工为例，就不同地质及工况下，典型复合地层进仓换刀施工关键技术进行了阐述，有利于保证换刀作业的安全。
　　关键词：复合地层;盾构;进仓换刀;带压进仓;常压进仓
　　中图分类号：U455.43       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）09-0082-03
　　Abstract： Southern China is represented by Guangdong and Fujian provinces， the strata are uneven soft and hard composite strata， shield machine selection cannot take into account the safety and durability， the construction process of cutting tools are often extremely worn， the need to open the warehouse to carry out tool replacement. It is very dangerous to replace the tool in the soil bin， so it is necessary to carry out the measures on the face of the hand. the conventional opening methods are two methods： pressure into the warehouse and atmospheric pressure into the warehouse. Taking the shield construction of Xiamen Metro Line 2 as an example， this paper expounds the key technology of tool changing construction in typical composite strata under different geological and working conditions， which is helpful to ensure the safety of tool changing operation.
　　Keywords： composite strata; shield; silo change; silo with pressure; atmospheric pressure into silo
　　1 概述
　　近年来我国南方城市掀起地铁建设大高潮，主要集中于广东珠三角、福州、厦门等地。这些城市的地质均为软硬不均的复合地层，采用盾构机进行地铁隧道施工往往会造成刀具磨损，经常出现中途进仓换刀施工。
　　作为盾构施工的重大风险源之一，进仓换刀的最主要风险来源于掌子面土体的稳定性。不同地质条件下，通常以掌子面土体的自稳性可判断采用两种不同的进仓方式，为带压进仓和常压进仓[1]。带压进仓技术适用于掌子面土体自稳性差、透水性强的地层，通常需要地层注浆加固、掌子面泥膜制作等辅助措施确保掌子面的稳定;常压进仓通常適用于掌子面自稳性好、透水性较弱的地层，一般采用降水作为辅助性措施[2]。
　　复合地层条件下，换刀作业面临地层破碎松散、富水软弱、极难保压、加固难成等难题，本文就厦门地铁2号线某标段在典型复合地层条件下的被动开仓及主动开仓换刀施工进行总结，提出工况分析及相关开仓换刀技术。
　　2 开仓换刀工况分析
　　2.1 换刀工法
　　带压换刀是指利用空压机向土仓内施加一定的压力，以稳定掌子面，人员在压力环境下作业的一种换刀技术，由于这种换刀技术工效低、成本高、风险大，所以在条件允许的情况下，施工单位更愿意选择常压换刀作为施工工法。施工工法选择以掌子面地层的自稳性作为判断标准，一般要求掌子面在无压力作用下可自稳48小时以上的地层，可以选择常压进场，其余均需采用带压进仓作业。在复合地层中，掌子面的自稳性受三种因素的影响。
　　2.1.1 地层地质
　　典型复合地层中，主要由三种地层组成，黏土层、砂土层和硬岩层组成，在全断面硬岩层内，地层的自稳性通常能达到要求，仅需开挖断面以上存有1m以上的硬岩层作为拱顶防护层即可采用常压进仓工法。土层的自稳强度受粘聚力和内摩擦角的影响，砂土层的土体强度仅有内摩擦角而无粘聚力，雨水容易坍塌，因此通常采用带压进仓工法。黏土层受黏粒成分的不同，采用不同的工法，具体强度验算方法分为强度验算法和整体稳定验算法[3]，如下所示：
　　a.强度验算法
　　视体为只有支撑作用的弹性圆板，其厚度为h，在外侧水压力及土压力作用下，通过弹性力学的原理求解[3]：
　　2.1.2 地下水位
　　南方地层多富含水，地下水位较高，地下水对地层的稳定性影响极大。一是地下水降低土体的抗剪强度，使土体粘聚力和内摩擦角降低;二是地下水位过高形成水头压力，对掌子面施加一使其坍塌的应力;三是地下水渗透进掌子面的过程使土体遭到扰动，容易产生坍塌。掌子面的水压计算公式如下所示：
　　2.1.3 地层扰动
　　盾构开仓地层通常非原状土，原因在于盾构施工过程中，掌子面对前方土体存在一定的扰动，盾构的掘进引起掌子面周围一定范围内的土体结构性的破坏，使土体的抗剪强度指标发生变化，掌子面的地层扰动范围在盾构刀盘前方45°线土体区。另外地层上方的施工也将影响土体力学参数，比如钻探、爆破、覆土回填等。 　　外界施工导致的地层扰动分三种：第一种为地层钻探，软硬不均地层盾构施工通常需要地质钻探以辨明地层地质，又因典型复合地层的地质变化多端，均匀性极差，故施工单位常加密地质钻探孔以准确判断地层地质;第二种为爆破施工，在基岩凸起或孤石群区域中，施工过程中可能会采用爆破作为辅助措施以降低地层硬度;第三种为覆土回填，部分盾构隧道处于规划区，原状地表的覆土不满足盾构施工要求，部分地段采用覆土回填手段进行覆土加高，回填土质无法准确确定。
　　2.2 换刀地点
　　根据换刀的地点选择，可将盾构开仓换刀方式分为主动开仓及被动开仓。顾名思义，开仓地点为主动选择的即为主动选择;待盾构无法掘进被迫开仓换刀的即为被动开仓。
　　2.2.1 主动开仓
　　部分盾构区间地层均匀，根据地质资料对盾构刀具进行评估，得到刀具的掘进能力，选择接近刀具掘进能力的地点进行开仓作业，有计划的对刀具进行检查及更换，此为主动开仓。主动开仓选择的地层一般为全断面中、微风化地层，在此地层开仓可以选择常压进仓，提升作业效率。
　　2.2.2 被动开仓
　　盾构掘进过程中，遇突发地层导致盾构刀具磨损严重，掘进效率急速降低甚至无法掘进，迫使停机开仓换刀，此为被动开仓。被动开仓地层多为软硬夹杂地层，一般选择带压开仓保证施工的安全性。
　　3 泥膜制作技术
　　泥膜制作是带压换刀作业过程中最为重要的环节之一，关系整项作业的成败，掌子面泥膜在土层和土仓之间形成一道泥膜，阻止土仓气压外泄及地层地下水涌入土仓，且其对地层的稳定存在一定的支撑作用。
　　泥膜制作的材料为一级钠基膨润土，配置出的泥浆漏斗粘度要求在80s～120s之间。制作技术如下：
　　（1）将盾构机土仓内的土通过螺旋输送机出土并控制在盾构中心线以上附近。
　　（2）通过中盾位置的顶部纵向注浆口向土仓内注入膨润土，直至充满土仓。
　　（3）对土仓施加气压，压力=切口压力+0.5bar，施压过程中持续注入膨润土浆液，直至土仓压力降低1.0bar的时间维持在10h以上，切口压力考虑静止土压力与主动土压力，取前者上限及后者下限，计算公式为：
　　（4）注浆过程中缓慢转动刀盘，刀盘卡死无法转动时，可以通过收缩盾尾油缸使盾构机退后较小的局里。
　　（5）正式开仓前，土仓内持续保持压力，控制在2.0bar以上。
　　4 进仓换刀技术
　　4.1 开仓前准备工作
　　（1）进仓前，需要对土仓内气体进行有害气体检测，检测项包括设备检测及活体检测，并对所有气压装置及管理进行检查，确保其能正常进行工作。
　　（2）对所有进仓人员进行体检、对所需材料、机具及相关设备进行详细检查。
　　（3）准备齐全应急物资、确保土仓内外的联络通畅。
　　（4）開仓前由人仓向土仓观察，确定掌子面泥膜的稳定性，确定稳定后方可开仓。
　　4.2 人员进仓
　　带压开仓过程中，人员进仓后由专业培训取证人员进行人闸管理，人闸管理人员通过人仓门前的压力表来判定人仓压力，按照规范缓慢增加人仓压力至工作压力，人仓的压力要求大于土仓压力，但不超过0.1bar。
　　缓慢开启人仓与土仓的连接仓门，人员确定土仓情况，检查水位、泥渣等情况，确保无风险后进仓作业。
　　4.3 换刀作业
　　通过设计图寻找刀盘刀具位置，采用水枪对刀盘后背进行土渣清洗，清洗过程中避免冲刷掌子面，清洗完毕后拆卸刀具。刀具吊运采用葫芦吊进行，土仓内设有固定的吊具安装点，将葫芦吊安装在这个位置进行倒运。
　　4.4 人员出仓
　　当班作业完成后，人员进入人仓并确保连接闸关闭紧固，检查工具杂物，确保其不遗落在土仓内，然后按照规范要求降压，带压作业人员出仓后，12h后方可恢复正常生活。
　　5 结束语
　　（1）不同的地层情况下采用不同的开仓方式及开仓计划，选择主动开仓或者被动开仓与施工安全性、经济性和效率息息相关，需要根据实际工况决定。（2）带压开仓施工风险非常大，关键在于土仓泥膜的制作效果，泥膜加压需要比土仓压力高1.0bar。
　　参考文献：
　　[1]张宗喜，辛振省.复杂地层泥水盾构开仓换刀施工技术研究[J].铁道工程学报，2013（3）：62-65.
　　[2]李金龙.土压平衡盾构在富水复合地层中的带压开仓技术[J].江西科技学院学报，2017（3）：34-38.
　　[3]施仲衡.地下铁道设计与施工（2版）[M].西安：陕西科学技术出版社，2006：408-410.
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