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大埋深富水砂卵石地层泥水盾构带压换刀及动火焊接技术
发布时间:2022年06月07日

北京铁路地下直径线工程盾构隧道全长5 175 m,采用一台全新的泥水加压平衡盾构机施工。 隧道外径为 12.04 m,内径为 10.5 m。盾构机由天宁寺桥北的 4#竖井始发,沿天宁寺桥、西便门桥、宣武门西大街,到达终点宣武门地铁西端。

盾构隧道穿越的地层为:圆砾,卵石土层,杂色,密实,湿 - 饱和,一般粒径在 20 ~60 mm,大于20 mm 的颗粒含量约占总重65 %,亚圆形,中粗砂充填,砾石主要成分辉绿岩、砂岩;卵石粒径自西向东由大变小,石英、沙、粘土含量自西向东逐渐增加,且地层致密,盾构刀具磨损很快,据试验段盾构施工统计,在 100 ~150 m 就需要进行刀具检查更换。由于施工沿线地表各类建筑物管线密布,地表沉降控制要求极高,很难实现在常压下进行刀具的检查和更换工作,需要通过带压作业来完成刀具的检查和更换工作,当刀盘磨损严重时,需要进行带压条件下切割及焊接工作。

带压进舱的准备工作

技术准备

确定换刀地点

根据盾构机掘进时的相关技术参数,判断刀具磨损情况,提前在沿线工程图上选择合适的换刀地点。

进舱压力的确定

进舱压力的确定主要根据开舱位置的水文地质条件以及埋深等资料进行计算,得出该位置掌子面顶部理论水土压力值以及其他部位的侧向压力作为进舱压力的参考值和停机后掌子面的压力来确定此次进舱的工作压力。进舱压力一般不低于掘进时的顶部压力,从带压作业角度考虑,进舱压力在一个范围内,减压时间是一定的,如地层条件较好或采取了加固措施,可以适当降低进舱作业压力。进舱液位根据工作需要而定:换切刀时液位可保持在 55 %以上,换滚刀、周边刮刀时,液位不高于40 %,如需检查破碎机、泥浆门,则液位可降至10 %左右。根据液位高低适当增加作业压力,如掘进时顶部压力2.8 bar,如果是泥浆充满开挖仓,则底部压力为 4.0 ~4.1 bar(盾构直径 12 m,12 m 水深产生压力1.2 bar),带压进仓时,进仓压力设定为2.8 bar,液位 50 %,则底部压力为 3.4 bar(6 m 水深产生 0.6 bar 压力),液位 10 %,则底部压力只有3.0 ~3.1 bar(1 m 水深产生 0.1 bar),底部过低压力会产生一定危险,因此大直径盾构带压换刀时作业压力应考虑液位的影响。

开挖仓气密性条件

为保证带压进舱过程中开挖仓具有良好的气密性,可在盾构到达预定停机位置前 3 ~5 环提高同步注浆压力0.2 bar 以增大注浆量,减少作业时气体从盾尾后部管片背后逃逸。并注意控制掘进姿态,防止盾构纠偏过大导致盾壳与地层间隙增大。为了防止长时间停机导致同步注浆管路内砂浆凝固,在掘进最后的 30 cm 时应将砂浆更换为高浓度泥浆,并注 满 盾 尾,每根管路注入泥浆量不少于0.04 m3,同时开启盾尾注脂泵,多注入油脂封闭盾尾与管片之间的空隙。 掘进完成后刀盘应比平时正常掘进停机多旋转几圈,尽量排空开挖仓内的砂石。 盾构掘进泥浆比重,在停机前最后几环适当提高并保持泥浆比重有利于掌子面泥膜的形成、减少置换泥浆次数,可以节约带压换刀成本。随着每次带压进仓补浆排浆,各个泵站的密封水会进入泥水循环系统,使泥浆密度下降,当泥浆密度降低至1.01 ~1.05 时不利于掌子面的泥膜形成,就需要重新对开挖仓置换高粘度泥浆了。

换刀前的泥浆置换

完成掘进后,将盾尾同步注浆管路改为向中盾顶部、左右两侧注入高浓度泥浆,用于填充盾构掘进时盾壳与地层间的空隙。浆液拌制及浆液配比:膨润土∶Ⅱ型制浆剂(堵漏剂)∶水 =300 kg∶150 kg∶1 000 kg(质量比)。泥浆比重控制在 1.3 以上,采用同步注浆系统间隔跳孔进行注浆,注浆压力控制比刀盘舱对应位置的压力大 0.2 bar 左右,注浆速度不应过快,防止将已经注好的泥浆冲开,发现气垫舱液位上升即停止注浆,更换位置再继续注入。

提前在泥水新浆池拌制高粘度泥浆备用,并适量添加Ⅱ型制浆剂(堵漏剂)。泥浆粘度控制在 90~100 Pa· s,比重 1.05,总量 100 m3。盾构完成中盾注高浓度泥浆后将新拌制的高粘度泥浆从新浆池通过排污管或砂浆车输送到盾构机 1#拖车上的砂浆储存罐中。将 3 #、4#同步注浆管连接到中盾上部的进浆管上,通过进浆管向开挖舱注入新制的高粘度泥浆。当气垫仓内液位高于 70 %后开启泥水循环系统缓慢将气垫舱液位降至 35 % ~40 %,如此反复直至将 100 m3高粘度新浆置换完成,置换泥浆的过程中应调整气垫仓压力,保持前方掌子面压力稳定。

泥浆置换完成后转动刀盘,刀盘转速控制在0.9 r/min,刀盘转动圈数为 10 ~15 r。 其目的是搅拌开挖仓内置换的高粘度泥浆。完成转刀盘后开始保压,保压压力应比设定的进舱工作压力高 0.4~0.5 bar,保压按照开挖舱中心起始压力起算,每间隔 30 min 提高压力 0.1 bar,直至达到保压压力,液位控制在 50 %。然后稳定压力 2 h,使得刀盘舱内的高粘度泥浆充分渗入到地层中,形成很好的泥膜,防止漏气。

人员准备

由于带压进舱作业的特殊性,作业人员要求必须身体健康,且经过高压潜水培训的人员才可以进舱作业,加压舱操作人员必须具备高压氧舱操作资格。进仓人员应保证充分休息,并熟悉进仓工作内容及发生故障时应急处理。

盾构司机负责整个带压作业过程的操作。土木值班工程师负责监控开挖仓补气量并及时安排补浆或置换泥浆加固掌子面泥膜。井下电工负责发生故障时电气设备的应急处理。

其他辅助人员要保证所有作业用材料、工具及时运输到位,并熟悉发生紧急情况时应急处理办法。进仓作业时地面应配备专业的高压医生及车辆,一旦发生紧急情况可以立即送医院救治。

设备及工具准备

盾构机自带 2 台 132 kW、20 m3的电动空压机,在掘进时提供气垫舱压力调节,并为舱内补充新鲜空气。高压空气的供给和调整是通过萨姆森自动调节系统自动控制的。在进仓前应对空压机及保压系统进行维护保养,确保设备处于优佳状态。盾构上配备有大功率应急发电机,可以确保停电后盾构机基本运转。工具物资准备见表 1。

表1  工具物资表

Table 1  Equipment and material list