大直径泥水平衡盾构法施工中带压换刀技术

大直径泥水平衡盾构法施工中带压换刀技术

1大直径泥水加压平衡盾构工程北京至北京的地下直径线工程是连接北京站和北京西交通中心的铁路工程，全长9.15公里。结构隧道长度为5.175km，最大埋深为39m，结构开挖直径为12.04m，管段内和直径为：10.5m。11.6m。该项目采用了一种新的压缩式粘土水压力平衡结构。这是中国第一个使用直径较大的粘土结构法建造的单孔线。这也是中国独头连续挖掘距离最长的坍塌挖沟项目。盾构隧道主要穿越的地层以卵石土、圆砾、中砂、粗砂为主。地质统计资料显示:最大粒径200mm,一般粒径20~60mm,大于0.08mm的颗粒含量约占总量的97%,其中大于20mm粒径含量约占总量的65%。盾构隧道所在地层主要为空隙潜水和孔隙承压水,地层最大渗透系数K=150m/d,潜水最大水土压力为3bar。2通过带压进仓作业进行带压换刀本工程独头掘进5KM以上、且中途无检查和换刀井,在国内、外盾构施工资料显示、以及盾构机及盾刀具制造厂商的业绩,目前,尚无任何厂家能够承诺保证在如此工况下施工不换刀,为此,必须在施工过程中存在大量的择机带压进仓进行刀具的检查和更置的情况。盾构施工技术人员可根据掘进的技术参数变化,如:刀具磨损监测装置的报警﹑刀盘扭矩的逐渐变大﹑推力明显增加﹑以及盾构姿态难以调整等施工参数的异常情况变化,可以做出合理的判断,可以选择合适的时间,地点通过带压进仓作业对刀具进行检查和更换。带压换刀技术是利用空气压缩机的高压气体来代替开挖仓泥水压力,根据开挖面的地质情况,若地层渗透系数大或地层不稳定情况下,通过辅助手段向盾构开挖面注入适当粘稠度的泥浆,使其在开挖面形成泥膜,支承正面土体,通过在开挖仓内建立合适的气压来平衡刀盘前方水、土压力,从而达到稳定掌子面﹑防止掌子面坍塌和防止地下水渗入,确保技术人员带压进仓作业安全。因其带压作业全部在洞内实施,不会对地表交通造成干扰和影响,从而也是盾构施工技术中最为普遍的做法。而气密性是保障和支撑开挖仓掌子面的稳定的前提,气垫仓内气压的稳定是确保换刀人员在开挖仓内安全条件下进行工作的保障和消除作业人员的患职业病—减压病的危害,因此,盾构机气密性是带压作业盾构顺利进行的关键。3气体压力的设定和监督北京直径线盾构机保压系统由:2台132KW工业气体空压机(流量1260m3/h,额定压力是10bar,1个14m3储气罐),1台75KW供呼吸气体的空压机,2套sumsun保、调压系统,2+3人仓(最大工作压力7bar)、2套空气的净化系统,以及相关管路、阀组成;同时,隧道内采用复合式通风系统,确保进仓作业人员的呼吸气体的质量。气体压力的设定是为了保证掌子面的稳定,保证开挖仓内的气压和正常掘进时的泥水压力相匹配,能真正的支撑住掌子面的静止土压力,通过土木技术人员进行计算设定。因此在进行带压作业之前土木技术人员需要深入的了解隧道埋深、水文条件、地层物理力学参数,计算气压值等参数条件。气体压力按照静止土压力计算时,这时土压力偏于安全,对于保证掌子面不会坍塌起到很好作用,但气体压力值设置过大会造成气体从盾构壳体中逃逸,因此气压的设置需要结合以前实践经验,结合地层条件进行合理设置。气体压力的监控是带压作业中相当重要的一个环节。在带压进仓作业其间相关相关技术领导人应24小时值班,隧道内必须有带压进仓经验丰富的人员做总指挥进行协调。未经许可严禁隧道内作业人员触碰任何开关按钮,盾构主控室内严禁无关人员逗留,主司机负责在主控室内对开挖仓掌子面压力的监控﹑气垫仓气体设定压力的修改﹑气垫仓内液位的监控和空压机气体储存罐的压力监控,如遇变化立即开启备用空压机,利用盾构机上内部电话通知仓内作业人员,主司机对主控室内所有操作负主要责任。此外安排专职技术人员负责监控人仓两侧的sumsun补气阀(图1﹑图2)。若补气量超过刻度30℅及时通知仓内作业人员准备进行减压出仓,确保作业人员的安全。4气体泄漏的原因和对策4.1气体泄漏总体情况气体逃逸原因主要要有设备和土木两个方面。设备方面进行带压作业之前需安排专业技术人员检查各个设备是否正常,各气体管道是否存在气体泄漏。检查的主要内容有气体高压管路的老化;管路接口处密封的损坏;空压机是否处于正常工作状态;气路各个滤芯是否满足性能要求;盾尾密封是否处于完好状态;备用发电机、空压机处于正常工作状态;从而在设备层上保证没有气体逃逸,保证气压稳定。土木方面主要有该地段的地层埋深、地层渗透性,以及管片注浆效果、管片防水和密封、管片复紧情况等因素。4.2带压过程及要求根据北京地下直径线目前刀盘处的里程地质概况以卵石土、砂土、粘土层为主,地下水埋藏不足刀盘断面的三分之一,考虑到盾尾密封刷实际情况﹑盾尾与管片以及管片间的间隙,砂卵石透气性高的特点,漏气源有盾尾与管片﹑管片与管片以及管片和地层之间的间隙,刀盘仓内气体稳定性难以达到预想目的。结合刀盘所在里程的地质情况和类似盾构项目的带压作业经验,在地层间隙通过置换刀盘前面的高浓度泥浆进行保压使之形成质量较好的泥膜防止掌子面漏气盾尾与管片﹑管片与管片之间缝隙通过盾尾同步注浆管向盾尾注高浓度泥浆或高分聚氨酯形成封闭环,盾尾注脂系统向盾尾注脂给,保证带压作业的顺利完成,具体要求如下:1)依据盾构掘进参数的变化,由技术负责人,做出合理判断。准备进行带压进仓作业前,正常掘进结束时依据实际情况刀盘多转动5~10圈以确保保压期间间刀盘不被卡死。2)带压换刀前先进行泥浆循环确保所有开挖仓内渣土全部循环出来从而保证刀盘仓内充满泥浆。3)在浆池中拌制高黏度泥浆,并添加适量Ⅱ型堵漏剂,泥浆黏度控制在90s,比重控制在1.05,总量120m3。在地面搅拌站拌制高浓度泥浆,并添加堵漏剂或细锯末。膨润土浆液的配合比为:膨润土:II型制浆剂∶水=300Kg∶159Kg∶1000Kg(质量比)。4)利用盾构机的砂浆罐和同步注浆泵在中盾顶部两根进浆管进行高黏度泥浆的置换,液位过高时通过P2.1排浆泵进行循环排出(置换泥浆流程图3):5)泥浆置换完毕后再利用搅拌站拌制的高浓度泥浆,用砂浆车运输打入砂浆罐的同时加入大量稻壳进行均用搅拌,利用同步注浆泵向中盾预留的注浆孔注入高浓度泥浆,同时利用同步注浆管向盾尾注入高浓度泥浆。6)利用盾尾注脂系统向盾尾注入盾尾油脂,保证注脂压力高于掌子面实际压力。7)人员进仓前进行试压实验原则上试压压力高于正常进仓压力0.5~1bar,当开挖仓内气压变幅较大,不很稳定时,说明掌子面或盾体周边泥膜没有很好形成,30分钟内不漏气说明气压稳定性正常,需要先组织有经验的岩土工程师带压进仓,对掌子面的稳定性进行评估,确保安全后可以正式进行带压作业。8)若不需进入刀盘前面的开挖仓只需作业人员进入气垫仓,需关闭泥浆门且闭合度达到99℅以上,同时需打开盾尾注脂管路上控制泥浆门两侧注脂的阀门,在泥浆门两侧注入油脂,确保泥浆门不会渗透刀盘前面泥浆。9)安排专职医护人员(具有高压治疗经验)进行现场服务,确保进仓作业人员人身安全。5保压系统及火炬气温度鉴于目前大量泥水盾构机投入各种基础设施的建设,带压作业就不可避免的会出现,为保证换刀过程顺利进行,在保持盾构气密性方面应注意以下几点:1)保障盾构机保压系统经过测试,确保处于良好状态;2)选择盾构停靠地点尽可能选择