盾构压气作业更换刀具关键施工技术

盾构压气作业更换刀具关键施工技术

盾构机在盾构掘进的过程中，由于刀具的磨损需要进行更换，检查刀盘磨损或修补，处理掌子面前方的孤石或地面建筑物的桩基，处理刀盘开口固结或泡沫管的维修等等。通常采取四种方式来完成上述工作：一、在常压条件下直接开仓进行施工。二、对掌子面地层进行地面垂直加固后再实施常压下开仓进行施工。三、利用压入一定压力的空气，稳定掌子面，阻止开挖面的涌水，达到平衡在非常压条件下进行施工。四、通过对盾构机土仓内进行砂浆回填加固，稳定掌子面，再进行常压状态下的施工。

通常在地层稳定的情况下，我们采取常压开仓施工，成本最低，时间最快，风险最小,是我们盾构施工中最希望采取的方式。但是目前我们在施工中这种情况越来越少。从地面提前进行加固，来满足施工的需要,在对地层的预判、刀具或刀盘情况的把握、地面建筑物的影响等方面，都提出了较高的要求。往往会被动的不是选择的加固区过早到达，就是刀具或刀盘损伤时还未到达加固区进退两难。再加上地面建筑物的影响，地面提前加固的应用适应性不高，要求苛刻。所以我们目前着重使用的是第三、第四种方式的施工技术。首先是：压气作业施工适用范围较广，对盾构设备、开挖面、地面建筑物及周边环境等影响较小。所以我们在上软下硬、孤石、软弱土层中掘进时，地面条件苛刻，不利于组织施工的情况下，压气作业是我们施工中最好的选择。

1、压气作业施工的目的：利用气压代替土压从而平衡开挖面的土压力，提供施工人员安全进入盾构土仓的条件。压气对开挖面的稳定作用，可大致分为三种：①、可阻止来自开挖面的涌水防止开挖面坍塌。②、由于气压作用于掌子面能够加强掌子面的稳定。③、由于压气对围岩缝隙起到排挤水的作用增强了粉砂、粘土层、含有粉砂粘土成分的砂质土的强度。一、压气施工的作用和前期技术准备

2、压气压力的设定：为了达到我们压气作业施工的目的，保障作业人员的身体健康，压气压力值的设定尤为重要。通常，压气压力以开挖面的地下水为基准，再考虑隧道埋深从而来确定数值。但是，压气压力对开挖面的任何一部分都作用相同的压力，而位于隧道顶部与底部的水压和土压大小是不同的，因此对所有的位置都给予最合适的条件较为困难。结合我们以往的压气作业经验，参照大截面隧道≥6米的标准，压气压力一般以三分之二截面隧道处的水压力为基准，参照盾构机顶部覆土埋深，两者的比值与正常推进时顶部土仓压力平衡值的对应综合确定压气压力值。在一般情况下，作业压力范围在1.0bar至2.5bar之间。但是在通常情况下我们会把比较出来的数值略微下调0.1bar至0.3bar，主要是为了防止压力过高，压缩空气会无孔不入，长时间压气作业的中后期地层内通道可能会被打开，造成地层漏气现象，给以后的作业带来不小的困难！另外，压气压力数值略低对进仓作业人员的身体健康也是有好处的。

3、压气施工地质条件的选择：压气施工并非任何地层都适合，由于覆土厚度，土质，地下水等条件不同，有时压气施工收不到预期的效果。压气的效果受围岩条件影响，必须充分调查土层的粒度组成、土的透水性、地下水的状态，地面地质补堪、详堪钻孔的封堵情况、地面管线的埋设状况及地面建筑覆盖物的密闭性（城市道路等）。另外对盾构停机前掘进时开挖面的状态、渣土含水量的分析，空气消耗量的多少，盾体上方和尾部、成型隧道的密闭性等等都要事先分析进行比较，将所有的信息反馈到我们的下一步施工中。下面几种软弱土层比较适合压气施工：粉砂质土层透水性差，压气效果较好，压气气压本身的支护作用，围岩的脱水作用产生的强度会大大增强。粘土质土层，土质软弱开挖面不稳定，可依靠压气气压本身的挡土作用和脱水作用使掌子面得到加固和稳定。往往在我们掘进过程中土层都是由各种土质互层构成的，在透气性不利于压气气压的地层中我们要进行压气施工可以适当的采取一些补助措施改变盾构四周的透气性，加强包压效果。如加注较粘稠的膨润土，聚原脂，盾尾油脂等材料。加注粘稠度较高的钠基膨润土时，加注压力因定位掘进平衡压力的2倍，增强膨润土的渗透率让较粘的膨润土充填原状地层的缝隙。从而增强地层的密闭性。有时我们会在充填膨润土中再加上些水泥量，让掌子面的充填层有一定的自稳性。这样对于压气作业就更加有效了。但是整个过程中的置换就要精细的多，下面我们还要谈到。砂浆回填加固开挖后的掌子面情况二、压气作业的设备、人员准备和先期工作

1、设备的准备工作；以我们所用的海瑞克盾构机为例，两台空气压缩机的保养和彻底维护。它们可是我们压气作业的主角，其设备的好坏直接关系到整个压气作业的成败。另外装配一台内燃式空气压缩机，使其与盾构台车管路连接完好，确保电力中断时的紧急使用。压缩机的规格应在10立方以上，一般空压机自身的压力设定应为7—8BAR，盾构机压气作业时的管路压力，可通过设备自身的调压阀设定为5BAR。①、各空气管路，胸板上的闸门可靠性的检查确认及维护。②、各仪器、仪表、流量计数值精确性的检查确认及维护。③、土仓包压的自动补偿系统是我们压气作业的核心设备，它的维护和调试，必须有专业人士来完成，并且自动补偿系统的预先补气测试一定要反复测试数次方可确认下来。马虎不得！④、人闸室密闭性的预先检测。一般需要向关闭的人闸室压入大于2.0BAR以上的压缩空气。停止压气后，通过装在人闸门上方的气压仪表观察人闸室内压缩空气的泄漏速率。一般在一小时内气压值下降不能大于0.2BAR为合格。螺旋输送机闸门的密闭性至关重要，由于我们在整个土气置换过程中只有它是反复开闭的。它的即开即闭一定要到位。⑤、操仓人员所使用的加、减压缩空气的手动流量阀及流量计，观察压力仪表的可靠性和精确性。必须要让操仓人员反复使用，调试，达到熟练后方可确认下来。⑥、通信设备的准备，仓内，仓外，操作室，地面指挥中心的通信设备一定要自成绝对的独立系统，确保通信畅通无阻。⑦、地面还要准备一台200千瓦以上的内燃发电机，与盾构后配套设备相连。以防电力中断时使用。

2、压气作业人员和操仓医生的准备；①、专业的操仓医生是确保我们施工和进仓作业人员生命健康的有力保障。②、压气环境是一种特殊环境，对人的身体要求比较高。患有某些疾病的人员是不能够参加压气作业的。如上呼吸道疾病，慢性中耳炎，慢性肺炎，支气管炎，高血压，消化道出血者，肝脏，肾脏，鼻炎，关节炎等等。我们通常要经过两层筛选来确定进仓人员，一是经过正规医院体检的初次筛选，二是合格后的人员再到我们盾构设备的人闸室内，进行加压试验和适应性测试。只有通过上述两项检查合格的人员才能进行压气作业。③、心理素质是压气作业人员的最大天敌。根据我们以往的经历，有很多人员身体是没有问题的，但他们对压气作业存在着恐慌、害怕心理阴影。通过压气操仓医生，熟练地压气作业人员，项目部的管理人员与他们详细讲解相关的知识，化解恐慌和疑虑，使我们作业人员的数量充足，确保施工的稳定性。所以作业前压气知识的讲座是很有必要的。3、施工作业所要使用的工具及物资的准备；由于压气作业更换刀具是在非常压下进行的，施工起来有着很大的局限性和不可调整性。所以就需要我们对将要使用到的换刀工具，水、电、气的进仓，照明设施的安全接入，换刀物资储备等等进行详细周密的计划和储备，越详实越好，宁多勿缺。

4、土仓加压、保压前的准备，及渣土置换：①、土仓内加注稠糊状膨润土，通过同步注浆系统，在中盾土仓壁上方加装连接提供加注管路。可一边加注，一边排放仓内的水及较稀的泥水。一定要注意计量排放量与加注量的正比关系。过程中着重观察顶部土仓压力，尽可能的减少仓压的波动保持住仓压的平衡。排气管路的布置与安装②、膨润土加注过程中，转动刀盘，转速可控制在2转左右，尽量让膨润土颗粒渗透到开挖面土层及切口环拱部的土层孔隙内为包压做好准备。③、盾构机壳体与圆周土体之间，也需要加注稠糊状膨润土。可利用盾体周边的预留阀孔用同步注浆系统加注。盾尾与管环可通过盾尾油脂的加注进行密封处理。④、渣土的置换是我们先要达到的目地：置换出土仓内的水和较稀的泥土，通过加压(一般为掘进平衡压力的2倍)让我们加注的物质渗透，强化掌子面，利用加注压力和物质填充让盾构机后退8cm左右，从而让我们最后一道填充物，尤其是略带水泥的填充物能最大限度的充填到掌子面及切口处。保气和通过加注充填加固物来达到强化，稳固掌子面。刀具附近的掌子面情况

5、制订切实可行的应急预案：压气作业开始前，应针对作业环节制订切实可行的应急预案，准备足够的应急物资，一旦作业过程中发生意外情况，确保应急预案可立即启动，确保作业人员及盾构设备安全。三、土仓的加压置换与保压

1、为了确保掌子面的稳定，土仓加气的过程中应遵循压力平衡的原则。加气的过程是一个对土仓加压的过程，而螺旋输送机出土又是一个减压的过程。边往土仓中加气边缓慢出土，尽可能保持住土仓压力在极小的范围内变化。详细统计出土量，将土仓内的土体降到一定的高度。实现在土仓压力恒定的情况下气体与土体的置换。

2、土仓内土体位置的下降，应为三个过程。①、大于气压设定值时的置换。这时的土仓压力一般会高于掘进平衡压力只出土，不转动刀盘，当上部土压降为平衡压力为止。②、保持平衡压力，由于此时渣土位置并未降至自动补偿系统气压注入口，应开启盾构胸板高处的加气口保持土仓压力平衡置换。此时不宜转到刀盘。③、当仓内渣土位置降至自动补偿系统气压注入口时停止出土。开启压气自动补偿系统并同时关闭胸板处高压加注，输入计算好的气压设定值。进行土仓内包压实验，一般以2小时为宜。在这个过程中，土仓内压力不可低于输入的设定值。压气自动补偿系统工作正常，补气的频率越慢越少越好，注意观察记录。盾构台车上空压机的工作压力不应低于5BAR，满足我们前期设定的压气管路值。一切正常2小时后，打开人闸室土仓壁上的平衡阀，可排出压缩空气，无水，无泥，此时可判断地层包压成功。整个的排土量要通过计算土仓容积来确定。

3、保压成功后，继续按第1条所述的方法进行气体与土体的置换。排出仓内土体直至满足我们更换刀具的位置，一般应在截面隧道的三分之二处。注意渣土排放量的统计，经验值为我们所使用渣车的一箱半左右，约20方。此时稍作停留观察相对应位置的保压排气。因此时的掌子面临空较大，气压相对土压对高度的作用有局限性。

4、盾构机在气，土压的作用下，尽可能的后退5-8公分。为压气作业更换刀具，提供有利环境，提高换刀时的工作效率。四、压气作业的实施与组织

1、由于一般在1.5BAR—2.2BAR压力下作业的时间为3小时左右。除去加压，减压的必须时间，有效地工作时间仅为1.5小时左右。再加上加压环境与常压环境的两界绝隔。所以压气作业的局限性和不可操控性很大，效率较低。为了尽可能提高有效工作时间内的工程完成数量，进仓人员班次的组织安排，刀具拆装的合理性，就需要我们详尽、科学的施工与组织。

2、进仓的第一组人员数量以两人为宜，要求其应对所用盾构机刀盘，刀具有着较高的认知程度。对查看刀具的磨损情况，要快而准，并能对土仓内掌子面及切口拱部土层的情况有较准确地描述能力。最好是以前压气作业过的人员，具有良好的责任心和荣誉感。总之进仓的第一组人员一定要快，准，稳，利用较短的时间充分了解到仓内真实准确的第一手资料。3、第一组人员出仓后，不宜急于安排下组操作人员进仓。工程技术人员和出仓人员应进行充分沟通，根据仓内真实准确的第一手资料，做好刀具更换的实施方案，判断出仓内土层的压气效果安全稳定后，第二组人员方可进仓，做到有备而战。以后每组以三人为宜，组组交接，参照以上方法循环施工。4、作业途中，工程技术人员利用通信设备在作业人员减压时，充分与其沟通，提前为下一个环节做好工作准备，可大大提高我们的作业效率。5、充分利用好组组交接的空挡，组织一名电工和一名维修工对压气作业更换刀具所使用的照明设备，换刀工具，各个气、水管路等，进行维护和安全防护，更好的支持仓内的作业。总之利用一切可以利用的手段提高仓内有效工作时间的效率。

6、随时通过对掌子面，土仓内水量的增减，地面沉降监测数据等的掌握和分析，有目地的观察和记录压气作业自动补偿系统及空气压缩机工作状态是否正常，掌握设备运转的可靠性，提高预防性措施的准备，确保压气作业安全受控。

7、当刀具更换完毕时，最后一组作业人员进仓也是非常重要的。他们将对整个刀盘、刀具在土仓内进行最后彻底的紧固和检查。选择责任心强的作业人员去完成这最后一道工序。砂浆护壁的掌子面稳定情况砂浆脱落后原地层外漏五、盾构机恢复推进的辅助气压作业当刀具更换完毕后，土仓内存有大量的压缩空气，渣土的占有量不足土仓总容积的二分之一。为了保证地层的稳定，我们通常在恢复推进初期采取辅助气压作业，即在盾构机向前开挖的同时，压气作业的自动补偿系统仍然在工作。首先确保土仓压力保持在设定的数值上，随着开挖下来的渣土不断填充土仓，仓压会有一定的上升，这时打开人闸室顶部的平衡阀释放一定量的压缩空气。注意要缓慢释放，尽可能减少土仓压力的波动，让开挖下来的渣土取代压缩空气，逐渐建立起新的土压平衡。通过对推进行程的计算和平衡阀释放物质的观察，最终确认渣土与压缩空气置换完成。在仓压不变的情况下，关闭压气作业的自动补偿系统，正式恢复推进。辅助气压作业用好了，对我们平时的推进是很有帮助的。值得我们研究！但是由于软硬不均，孤石的推进速度较慢，气压对掌子面的稳定不足。这时我们就要再从复一遍气土置换，加注不含水泥的稠砂浆替代气压平衡。在真正的土压平衡中恢复推进。六、压气作业更换刀具的几点注意事项

1、盾构机停机行程不宜过长，为我们以后从新建立土压平衡预留足够的开挖行程。

2、盾构机停机后，在压气作业前利用较高的仓压使盾构机，向后退5—8公分，尤其是在上软下硬，有孤石的地层中，可以提供更换刀具的作业空间，大大提高换刀的速度。