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福州地区气垫复合式泥水加压平衡盾构在富水砂卵石地层中带压进舱换刀关键技术研究

  目前国内地铁区间工程当穿越河流、内海及复杂或不良地质时,常采用泥水平衡盾构法施工。对比其他工法,其较易保证隧道施工安全、顺利掘进及周边环境安全稳定。盾构带压进仓换刀技术由于不涉及地面或水上作业,对周围环境基本无影响;换刀工期短,利于盾构区间工期节点控制;且较于刀盘处挖孔或开工作井等方法,费用小,目前应用较广。
  由于在非常压状态下工作,如遇地质条件突变、操作失误处理不当或应急措施不到位,将导致操作人员伤亡、舱内发生火灾、隧洞内发生涌水涌砂地质灾害等事故,造成惨重的损失及不良的社会影响。如厦门地铁2号线“3.12”安全事故等。技术的适应性、可靠性及全过程的安全管理及其重要,作业前须进行精细策划。本文从盾构隧道所处于的地质与水文、土力学、泥水盾构法施工工艺、试验检验、盾构机设备、边界条件等多角度进行了阐述与必要的量化计算,研究分析科学合理的带压换刀技术,并结合当地及周边区域的应急资源及条件,成系统解决带压换刀期间安全风险,确保带压进出舱安全并顺利完成换刀工作。
  一、工程概述
  福州地铁2号线厚庭站~桔园洲站区间沿高新区科技东路向东行进下穿乌龙江大堤,过乌龙江之后到达桔园洲站。区间线路长2669m,最大纵坡29‰,最小转弯半径R=600m,隧道最小埋深10.26m,最大埋深30.2m,江面宽约1350m,最大水深11.6m。
  盾构主要穿越土层为粗中砂层、卵石层等,局部穿越淤泥质土层、淤泥夹砂、粉细砂、粉质粘土、粉土等。其中中粗砂及卵石层所占比例为83.5%。地下潜水水位埋深3.40~5.66m,含水层主要为粉细砂层、粗中砂层及卵石层,基岩裂隙水赋存于强风化花岗岩层。基岩与卵石层直接接触,与潜水有密切的水力联系。换刀作业在有水的砂卵石地层中进行,掌子面自稳定差,易坍塌,安全风险大。
  二、关键技术与风险应对
  2.1前期策划及基础研究
  2.1.1换刀的必要性
  盾构厚庭站始发后下穿乌龙江,沿线地层以中粗砂及卵石层为主,比例达到83.5%。砂卵石地层,石英含量高,卵石强度高,盾构机长距离掘进后,刀盘扭矩、油缸推力、出泥浆温度等参数出现异常,初步判断盾构刀盘及刀具已磨损严重。同时后续盾构即将穿越中间风井2道1m 厚地连墙(水下灌注C30混凝土,实际强度可能达到50~60MPa)及20m长的素混凝土回填层(水下灌注C20素混凝土, 实际强度可能达到30~40MPa),见图1。盾构刀盘均设计均为重型刮刀边刮刀,未配置滚刀,如若不换滚刀作业,穿越时在已磨损的刀具对高强度混凝土的破碎能力极其有限的情况下,易造成动力系统电机负荷高,电流增大后电缆发热;刀具在混凝土腔中卡壳刀盘转动困难或刀具或整个刀箱掉落掘进工效降低;刀盘直接磨损地层导致刀盘震动、偏磨等,刀盘厚度减损影响盾构机性能;盾构机姿态偏位超限严重等安全风险及质量隐患,故穿越此处前需进仓查刀后制定具体换刀方案。区间穿越乌龙江、三环快速及市政主干道,比对掌子面处地面预加固后常压进舱换刀方案或开工作井换刀方案,因影响交通通行外部条件不允许。故带压进舱换刀成为唯一可选方案。

 
图1 盾构穿越风井示意图

  2.1.2停机位置的选择
  厚~桔区间盾构掘进至1610环,即将穿越防洪堤及中间风井(1660环)前,进行停机换刀。此时盾构机位于乌龙江东岸水面坡脚处,离岸近(约20m),水深较浅,水压小,如若江底地层有扰动,不易击穿地层形成漏气通道导致泥水舱渗漏水险情发生。同时临近中间风井,盾构机覆土较深(约25m),利于掌子面地层自稳性控制,不易造成河堤、三环路及地下管线的沉降变形等周边环境结构安全隐患,为换刀创造安全、良好的外部条件。
  2.1.3水土压力计算

  泥水舱压力采用静止土压力作为控制上限,主动土压力作为控制下限。通过在泥水舱建立合理的气压来平衡刀盘前方水、土压力,达到稳定掌子面和防止地下水渗入的目的,为泥水舱内查刀及换刀创造安全、稳定的工作条件,见图2。

图2 盾构土水压力示意图 

  本次停机位置为隧道及顶部土层全部为粗中砂(中密),渗透系数大,宜按水土分算原则先分别计算,后合算土水总压力。土的重度按照浮重(减去水的重量,此处水压力不可忽略),地下水压计算高度为高水位至刀盘中心。水土压力采用朗肯主动土压力计算方法:
  土压力:F1=γZKa-2c,其中主动土压力系数,Ka=Tan2(45-ɸ/2),水压:F2=rh,土水总压力为F=F1+F2。
  其中,c-刀盘处土层粘聚力(kPa);ɸ-刀盘处土层内摩擦角。
  根据上述公式计算,本次泥水舱土水合力为3.3bar,保压时盾构机泥水舱压力值设定为3.3bar。
  2.2现场试验与安全检验
  2.2.1泥浆与泥膜的制作
  富水砂卵石地层渗透性强,气体容易逃逸,保压困难。利用高质量泥浆在掌子面形成渗透泥膜及护臂泥膜,保证掌子面稳定,达到不透水、不漏气的目的,避免掌子面失稳,导致压力波动,故泥浆成膜效果是降低带压作业风险的重要环节。其相对密度,黏度、滤失量、物理稳定性、可渗比是判定泥浆质量好坏的技术指标,尤其比重和黏度是控制重点,一般情况下,比重和黏度越大,越有利于掌子面稳定。
  本次带压作业借鉴以往同类地质及水文资料制作泥膜。其中渗透泥膜的泥浆指标为:比重1.2~1.25,粘度(马氏)40~50s;护臂泥膜泥浆指标为:比重1.15~1.25,粘度(马氏)120~180s。停机后对盾构机盾体D环4个径向孔和盾体后1环压注聚氨酯密封,对盾体后2~后5环间进行二次注1:1水泥浆封闭,确保泥膜建造过程避免泥浆发生渗漏及泥水舱泄压;注浆完成2d后对掌子面进行渗透泥膜和护臂泥膜的建立,砂卵石地层时长通常需要5~7d。泥膜制作过程中为计算及论证进舱作业前边界条件的安全状态,需准确记录液位升降、压气量等数据。
  2.2.2送气及液位的平衡
  为给换刀作业人员提供进入泥水舱的安全通道,作业前须进行泥水舱与气泡舱液位的高度。换刀过程中须确保SAMSON自动保压系统向舱内连续压气,同时须持续监测,严密关注液位与压力的变化,如有异常情况,说明泥水舱腔体未完全封闭,有漏气卸压风险,须立即处理。换刀过程液位调节须按流程操作,见图3。
  (1)起初,气垫仓室内液位高度为满仓,液面上部充满着压力为Pa的压力空气,图3-①。
  (2)向泥水舱送气,此时气垫舱内液位逐渐升高,泥水舱液位降低,原液位高度位置的压力逐渐增至Pa,图3-②。
  (3)当泥水舱与气垫舱内液位同高时,两仓内的压缩空气高度此时平衡,人员方可进舱带压作业,见图3-③。
  (4)换刀完成后,关闭闸阀1并打开闸阀2,回注泥水舱内的泥浆至满仓,方可恢复掘进,见图3-④。
  (5)打开闸阀2后,泥水舱室内的压力降低,开挖舱液位高度逐渐升高,气垫舱室内的液位高度逐渐降低,见图3-⑤。
  (6)泥水舱满仓后,当泥浆从闸阀2流出后关闭闸阀2,泥水舱内残留的少量压缩空气正常掘进时可以随泥浆排除,见图3-⑥。

图3 泥水舱与气垫舱液位调节示意图

  2.2.3泥膜效果检验
  泥膜制作及气密性检验:开始降液位进行气密性试验,2h内,在设定3.3bar的压力下,气垫仓液位,左侧上升3mm,右侧上升4mm,变化速率为1.5mm/h和2mm/h,满足规范要求,气密性试验达标,渗透泥膜建立顺利完成。后再进行泥水仓气密性试验,在相同压力下,2h内气垫仓液位上升1mm,护臂泥膜指标达到要求,泥水仓气密性试验达标。
  泥膜效果检验地方业主要求有时比国家规范严格,如福州地铁业主要求泥膜效果检验需满足3h的上述技术指标,泥膜效果见图4。

图4 泥水舱护臂泥膜

  2.3进出舱程序的确定
  进出舱程序是存在重大风险的一个环节,作业人员从常压环境瞬间进入有压环境中。进出舱程序及相关技术安全的要求需要综合盾构机设备设计建造(含后配套台车)、泥水舱结构、换刀工况、舱门启闭及压力情况确定,见图5。

图5 带压换刀进出舱工艺流程示意图

  工艺流程:
  准备阶段:带压作业准备→停机、降液位→泥水仓中注入形成泥膜的高浓度(须提前制浆)→降低液位、设定压力(主、副舱均常压)→泥水仓密封效果检查。
  升压进舱:人员进主舱(关闭所有舱门)及材料、机具进副舱→操舱员舱外升压→气垫舱压力等于主、副舱压力→升压完成→打开前段舱门进入泥水舱开始换刀。
  降压出舱:作业面带压换刀结束→人员打开前段舱门进入主仓→封闭前段仓门→人员主舱中减压出舱。
  三、总结
  福州地铁2号线厚庭站~桔园洲站区间左、右线均安全顺利地完成一次带压进舱换刀作业,人员出舱后体态正常,无不良身体反应。同时盾构机换刀完成后一天即穿越风井地墙(实际混凝土强度近50MPa)及水下封底(实际混凝土强度近40MPa),十分顺利。
  从实践可知,在福州地区特有的富水砂卵石地层中(卵石含量高且强度大、粒径大,地下水位高且有承压水、地层渗透性强)实现带压换刀是完全可行的,且安全、高效、经济、环保,为后续盾构顺利掘进提供了有力保障。处理好上述主要的几个技术环节及风险应对,是带压换刀工作的重中之重,也是最终成功与否的关键。

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