典型復合地層盾構開倉工況分析與技術研究
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摘 要：我國南部以廣東、福建兩省為代表，地層為軟硬不均的復合地層，盾構選型無法兼顧安全性和耐用性，施工過程中刀具往往磨損極大，需要開倉進入進行刀具更換。在土倉更換刀具危險性極大，需要對掌子面實施措施方可實行，常規開倉方法有帶壓進倉及常壓進倉兩種方法。文章以廈門地鐵2號線盾構施工為例，就不同地質及工況下，典型復合地層進倉換刀施工關鍵技術進行了闡述，有利于保證換刀作業的安全。
關鍵詞：復合地層;盾構;進倉換刀;帶壓進倉;常壓進倉
中圖分類號：U455.43 文獻標志碼：A 文章編號：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
近年來我國南方城市掀起地鐵建設大高潮，主要集中于廣東珠三角、福州、廈門等地。這些城市的地質均為軟硬不均的復合地層，采用盾構機進行地鐵隧道施工往往會造成刀具磨損，經常出現中途進倉換刀施工。
作為盾構施工的重大風險源之一，進倉換刀的最主要風險來源于掌子面土體的穩定性。不同地質條件下，通常以掌子面土體的自穩性可判斷采用兩種不同的進倉方式，為帶壓進倉和常壓進倉[1]。帶壓進倉技術適用于掌子面土體自穩性差、透水性強的地層，通常需要地層注漿加固、掌子面泥膜制作等輔助措施確保掌子面的穩定;常壓進倉通常適用于掌子面自穩性好、透水性較弱的地層，一般采用降水作為輔助性措施[2]。
復合地層條件下，換刀作業面臨地層破碎松散、富水軟弱、極難保壓、加固難成等難題，本文就廈門地鐵2號線某標段在典型復合地層條件下的被動開倉及主動開倉換刀施工進行總結，提出工況分析及相關開倉換刀技術。
2 開倉換刀工況分析
2.1 換刀工法
帶壓換刀是指利用空壓機向土倉內施加一定的壓力，以穩定掌子面，人員在壓力環境下作業的一種換刀技術，由于這種換刀技術工效低、成本高、風險大，所以在條件允許的情況下，施工單位更愿意選擇常壓換刀作為施工工法。施工工法選擇以掌子面地層的自穩性作為判斷標準，一般要求掌子面在無壓力作用下可自穩48小時以上的地層，可以選擇常壓進場，其余均需采用帶壓進倉作業。在復合地層中，掌子面的自穩性受三種因素的影響。
2.1.1 地層地質
典型復合地層中，主要由三種地層組成，黏土層、砂土層和硬巖層組成，在全斷面硬巖層內，地層的自穩性通常能達到要求，僅需開挖斷面以上存有1m以上的硬巖層作為拱頂防護層即可采用常壓進倉工法。土層的自穩強度受粘聚力和內摩擦角的影響，砂土層的土體強度僅有內摩擦角而無粘聚力，雨水容易坍塌，因此通常采用帶壓進倉工法。黏土層受黏粒成分的不同，采用不同的工法，具體強度驗算方法分為強度驗算法和整體穩定驗算法[3]，如下所示：
a.強度驗算法
視體為只有支撐作用的彈性圓板，其厚度為h，在外側水壓力及土壓力作用下，通過彈性力學的原理求解[3]：
2.1.2 地下水位
南方地層多富含水，地下水位較高，地下水對地層的穩定性影響極大。一是地下水降低土體的抗剪強度，使土體粘聚力和內摩擦角降低;二是地下水位過高形成水頭壓力，對掌子面施加一使其坍塌的應力;三是地下水滲透進掌子面的過程使土體遭到擾動，容易產生坍塌。掌子面的水壓計算公式如下所示：
2.1.3 地層擾動
盾構開倉地層通常非原狀土，原因在于盾構施工過程中，掌子面對前方土體存在一定的擾動，盾構的掘進引起掌子面周圍一定范圍內的土體結構性的破壞，使土體的抗剪強度指標發生變化，掌子面的地層擾動范圍在盾構刀盤前方45°線土體區。另外地層上方的施工也將影響土體力學參數，比如鉆探、爆破、覆土回填等。 外界施工導致的地層擾動分三種：第一種為地層鉆探，軟硬不均地層盾構施工通常需要地質鉆探以辨明地層地質，又因典型復合地層的地質變化多端，均勻性極差，故施工單位常加密地質鉆探孔以準確判斷地層地質;第二種為爆破施工，在基巖凸起或孤石群區域中，施工過程中可能會采用爆破作為輔助措施以降低地層硬度;第三種為覆土回填，部分盾構隧道處于規劃區，原狀地表的覆土不滿足盾構施工要求，部分地段采用覆土回填手段進行覆土加高，回填土質無法準確確定。
2.2 換刀地點
根據換刀的地點選擇，可將盾構開倉換刀方式分為主動開倉及被動開倉。顧名思義，開倉地點為主動選擇的即為主動選擇;待盾構無法掘進被迫開倉換刀的即為被動開倉。
2.2.1 主動開倉
部分盾構區間地層均勻，根據地質資料對盾構刀具進行評估，得到刀具的掘進能力，選擇接近刀具掘進能力的地點進行開倉作業，有計劃的對刀具進行檢查及更換，此為主動開倉。主動開倉選擇的地層一般為全斷面中、微風化地層，在此地層開倉可以選擇常壓進倉，提升作業效率。
2.2.2 被動開倉
盾構掘進過程中，遇突發地層導致盾構刀具磨損嚴重，掘進效率急速降低甚至無法掘進，迫使停機開倉換刀，此為被動開倉。被動開倉地層多為軟硬夾雜地層，一般選擇帶壓開倉保證施工的安全性。
3 泥膜制作技術
泥膜制作是帶壓換刀作業過程中最為重要的環節之一，關系整項作業的成敗，掌子面泥膜在土層和土倉之間形成一道泥膜，阻止土倉氣壓外泄及地層地下水涌入土倉，且其對地層的穩定存在一定的支撐作用。
泥膜制作的材料為一級鈉基膨潤土，配置出的泥漿漏斗粘度要求在80s～120s之間。制作技術如下：
?。?）將盾構機土倉內的土通過螺旋輸送機出土并控制在盾構中心線以上附近。
（2）通過中盾位置的頂部縱向注漿口向土倉內注入膨潤土，直至充滿土倉。
?。?）對土倉施加氣壓，壓力=切口壓力+0.5bar，施壓過程中持續注入膨潤土漿液，直至土倉壓力降低1.0bar的時間維持在10h以上，切口壓力考慮靜止土壓力與主動土壓力，取前者上限及后者下限，計算公式為：
?。?）注漿過程中緩慢轉動刀盤，刀盤卡死無法轉動時，可以通過收縮盾尾油缸使盾構機退后較小的局里。
（5）正式開倉前，土倉內持續保持壓力，控制在2.0bar以上。
4 進倉換刀技術
4.1 開倉前準備工作
?。?）進倉前，需要對土倉內氣體進行有害氣體檢測，檢測項包括設備檢測及活體檢測，并對所有氣壓裝置及管理進行檢查，確保其能正常進行工作。
?。?）對所有進倉人員進行體檢、對所需材料、機具及相關設備進行詳細檢查。
?。?）準備齊全應急物資、確保土倉內外的聯絡通暢。
?。?）開倉前由人倉向土倉觀察，確定掌子面泥膜的穩定性，確定穩定后方可開倉。
4.2 人員進倉
帶壓開倉過程中，人員進倉后由專業培訓取證人員進行人閘管理，人閘管理人員通過人倉門前的壓力表來判定人倉壓力，按照規范緩慢增加人倉壓力至工作壓力，人倉的壓力要求大于土倉壓力，但不超過0.1bar。
緩慢開啟人倉與土倉的連接倉門，人員確定土倉情況，檢查水位、泥渣等情況，確保無風險后進倉作業。
4.3 換刀作業
通過設計圖尋找刀盤刀具位置，采用水槍對刀盤后背進行土渣清洗，清洗過程中避免沖刷掌子面，清洗完畢后拆卸刀具。刀具吊運采用葫蘆吊進行，土倉內設有固定的吊具安裝點，將葫蘆吊安裝在這個位置進行倒運。
4.4 人員出倉
當班作業完成后，人員進入人倉并確保連接閘關閉緊固，檢查工具雜物，確保其不遺落在土倉內，然后按照規范要求降壓，帶壓作業人員出倉后，12h后方可恢復正常生活。
5 結束語
（1）不同的地層情況下采用不同的開倉方式及開倉計劃，選擇主動開倉或者被動開倉與施工安全性、經濟性和效率息息相關，需要根據實際工況決定。（2）帶壓開倉施工風險非常大，關鍵在于土倉泥膜的制作效果，泥膜加壓需要比土倉壓力高1.0bar。
參考文獻：
[1]張宗喜，辛振省.復雜地層泥水盾構開倉換刀施工技術研究[J].鐵道工程學報，2013（3）：62-65.
[2]李金龍.土壓平衡盾構在富水復合地層中的帶壓開倉技術[J].江西科技學院學報，2017（3）：34-38.
[3]施仲衡.地下鐵道設計與施工（2版）[M].西安：陜西科學技術出版社，2006：408-410.
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