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成都地铁土压平衡盾构换刀模式比选报告
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前言
1.盾构施工以其安全、快速、高效在城市基础设施——城市地铁、市政公用管路、输油地下管道等各类地下工程建设中得到越来越广泛的应用。（参考《建筑中文网》）
但是盾构机上承担掘进功能的刀具是损耗件，尤其在成都砂卵石地层中进行掘进，刀具磨损尤为严重，因此，在施工中需经常检查、维修保养和更换刀具。
2005年9月9日～11日国家发改委委托北京城建设计研究总院有限责任公司对《成都地铁1号线一期工程可行性研究报告》进行专家评审，根据土建组专家评审查结果之一。2.3条：“报告针对不同区段的具体情况，对区间隧道的施工方法进行了分析和比较，其总体方案基本可行。报告推荐的在城区内采用盾构法施工、在高新区内采用明挖法施工是合理的。但本线地质条件复杂，盾构施工法存在技术、工期和投资上有一定的风险，必须引起足够的重视，建议尽快展开盾构法的工程试验”的评审意见及2006年2月14日～17日中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会对成都地铁1号线一期工程初步设计评审意见（土建组），成都地铁1号线一期工程盾构区间最终共投入盾构机8台，分为4个标段进行施工。综合审查时国内权威专家对成都富水沙卵石地层特殊地质条件的分析以及成都地区首次采用盾构工法进行城市地下暗挖隧道修建的实际情况，我们充分考虑了盾构工法在成都地层中施工存在的风险，并将这些情况及时与承包商和盾构机设备制造商进行了充分的沟通。通过广泛的研讨、论证，最终采用了目前小开口、滚刀为主配以部分齿刀、刮刀的辐条面板结构型式的海瑞克盾构机，从目前已推进的区间的情况来看，这样的盾构机配置型式有利于保持开挖面的稳定，有利于破碎大粒径的砂卵石，有利于防止掘进过程中喷涌的发生，掘进的总体进度也基本在我们筹划的范围内。然而，由于地层中沙卵石含量确实太多，导致了配置的各类型刀具在掘进过程中产生了极大的磨损，据我们统计，140米左右就要对刀具进行更换，否则无法继续掘进。目前国内外采用的刀具更换手段主要有常压开仓换刀和带压换刀两种方法：
土压平衡式盾构机主要通过利用土舱内的碴土来维持工作面上的土压平衡。但在检查、更换刀具的时候，必须清理出土仓内的碴土以提供工作空间，原有的土压平衡被打破。因此维持更换刀具时的土压平衡，保持掌子面土体稳定成为亟需解决的问题。
为维持掌子面土体稳定，常有的方法有降水加固法、注浆加固法、围护桩（如人工挖孔桩）加固法、带压加固法。由于各种加固方法具有有各自的优缺点，因此，需要根据不同的施工条件选用合理的换刀模式。
2.国内常用换刀模式国内上海、广州、北京等地均有大量的盾构隧道施工工程，根据各地不同的地质条件，采用不同的换刀模式。
上海地区为软土地层，土体强度低，对盾构刀具磨损较小，通常不需要更换刀具。广州地质条件较为复杂，号称地质博物馆，既有自稳定性高的花岗岩层，又有自稳定性低的泥质粉砂岩层，因此更换刀具的模式也变化不一，有直接开仓、地基加固、带压、开挖竖井等多种换刀模式。
直接开仓换刀，就是在地基承载力较高、掌子面稳定性比较好的条件下，不采取任何加固方法，直接排空土仓内土体，进入土仓更换刀具。这种方法适用于掌子面稳定性较好的情况。
降水加固，就是从地面施做降水井，通过降水实现土体固结，从而提高掌子面土体稳定性。
地表注浆加固，就是从地表向地基注入水泥浆液（或其它加固浆液）加固土体，提高掌子面土体稳定性。
围护桩加固，就是在掌子面周围施做围护桩，直接保证掌子面稳定。
带压加固，就是通过向土仓注入压缩空气，以气压平衡代替土压平衡来稳定掌子面。
3.带压换刀原理及国内外应用
3.1带压工作原理带压进仓检查、维修保养和更换刀具和刀盘的工作原理是：在盾构机内对刀盘前方地层改良或加固处理后，在保证刀盘前方周围地层和土舱满足气密性要求的条件下，利用空气压缩机将空气加压，并注入土仓，以气压代替土压，通过在土舱内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。作业人员在气压条件下进入土舱，进行检查、维修保养和刀具更换等过程作业。
压气对开挖面的稳定作用，可大致分为下述三种：
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，能够直接加强掌子面的稳定；
3）由于压气对围岩缝隙起到排挤水的作用，增加了粉砂、粘土层或含有粉砂粘土成分的砂质土的强度。
由于气压换刀全部在洞内实施，不会对地表交通造成干扰。
3.2国内外类似工程纵观盾构施工发展历史，全敞开式盾构适于切削能自立的地层，挤压盾构易引起地层隆起或沉降仅适用于软土地层，而封闭式盾构，即泥水平衡盾构和土压平衡盾构，能克服上述弊病从而越来越多地被选用。
1）就我国国内而言，目前多采用泥水盾构和土压平衡盾构来开挖城市地铁区间隧道、铁路和公路过江隧道以及输油（气）和各种市政管道。目前泥水和土压平衡盾构施工工程实践中，进仓对刀具进行检查处理通常有三种方法：
①加压进入土舱进行检查；
②对前方土体进行加固后在常压情况下进舱检查；
③从地面向下做竖井到刀盘前方从而实现对盾构刀具的检查和维修。在我国地铁盾构施工中，大部分施工单位由于尚未掌握盾构带压进仓作业关键技术或盾构机配置不足，采取的是后两种方法。仅有极少部分施工单位在工程中采用带压进仓模式来进行检查、维修保养和刀具更换等作业。例如：
广州地铁四号线小谷围至新造区间左线江底盾构于2005年6月实施了带压换刀操作；
2006年12月开工的宜昌长江穿越隧道工程（川气东送）使用德国海瑞克泥水加压盾构机施工，带压进舱修复磨损刀盘和更换刀盘主轴承密封；
2003年底广州地铁三号线天河客运站至华师站区间，在1.6-1.8bar压力下进仓破除卡住刀盘的孤石；
中铁隧道集团在武汉长江隧道盾构施工中，首次自主实现高水压带压作业技术（4.5bar压力下带压作业）。
总之，国内各盾构施工单位和地铁建设单位都在积极探索和研究不同地层条件下的带压换刀技术，虽然已经取得了一定的成果，但需要进一步总结推广。
2）就国外而言，有更多的带压进仓检查、维护和更换刀盘刀具的工程实例[4]（表1），带压换刀已经作为常规操作，广泛应用于土压平衡盾构机和泥水盾构机，尤其是在越江跨海隧道等不具备常压换刀的条件时，多采用气压换刀。
表1 国外部分气压换刀工程实例
表1 国外部分气压换刀工程实例
| Outfall San Diego | Tunnel,Denmark | Germany | Germany | ||
2000-2003，葡萄牙波尔图地铁S线和C线盾构区间施工中，由于刀具磨损严重，几乎每班都需要带压进仓对刀盘进行维护操作，其带压工作压力为1.5-2.0bar；
西班牙巴塞罗那地铁9号线，带压工作压力为0.5-2.5bar；
德国 Elbe4 号隧道在由砂、泥灰岩和漂石组成的第四系冰碛层中使用泥水平衡盾构机施工，开挖直径14.2m，浅埋（最浅7m）深水（水头最大达4.2bar）。在河底最深处需要进仓更换中心刀进行修复，工人在4-4.5bar 压力下最多工作80 分钟，出仓减压必须在氧舱中进行，需要2个小时。全线总计进行了2738小时带压操作，其中237小时压力大于3.6bar.21次有人员报告出现减压病症状，都是压力小于3.6bar情况下出现的。
德国Weser隧道使用泥水盾构（直径11.71m）在冰川沉积物中施工，隧道顶拱距海最深40m.在最大5bar和4.5bar压力下进仓维护破碎机和刀盘，此外还雇用潜水员在最大5bar压力下的膨润土浆液中工作。全线带压工作共计1400小时，其中600小时压力超过3.6bar，仅有15次报告出现减压病，且压力都小于3.6bar.
俄罗斯圣彼得堡红线地铁在松软低塑性的粘土、粉砂土和细砂土中施工时，隧道顶拱距离地面65m，净水压力5.6bar.在土仓空气压力为5.5bar情况下，人员穿戴呼吸面具进仓作业，工作1.5小时，减压时间5小时左右。一天只有4.5小时的仓内工作时间。
许多欧洲国家也出台了一些关于隧道等带压进仓作业的标准，例如：
澳大利亚国家标准（编号：4773.1-2003）：隧道、竖井和沉箱中带压作业标准（AS4774.1-2003，Australian Standard TM Work 年compressed air and hyperbaric facilities-Work in tunnels，shafts and caissons）[5]
英国隧道工程协会，健康安全行政部门（HSE）以及卫生研究协会降压病小组起草的一些压气下作业的专门章程[6，7].
上述有关国外使用泥水或土压平衡盾构开挖隧道时带压进仓进行维护作业的工程实例及相关规范和研究成果说明：国外公司不但能在3.6bar以下的空气压力中实现带压维护作业，而且能在高达6.0bar的空气压力下作业。一方面表明带压特别是高压下作业在国外工程中已经相当普遍，另一方面也说明要掌握盾构带压作业技术，我国还需要更多的尝试和研究。
3.3气压平衡稳定性保障
3.3.1气压力值确定为了保证掌子面，必须提供足够的气压来平衡掌子面水土压力。因此需要盾构隧道埋深、水位条件、地层物理力学参数，计算气压值。气压值按照静止土压力计算，这时土压力偏于安全。
3.3.2气体压力稳定性保障开挖仓内气压稳定，需要从土工（漏气）和机电（进气）等两个主要方面来保障。
（1）土工系统方面
在进行带压换刀作业前，为评价天然土体的空气散失程度以及加入添加剂对地层气体渗透性的影响，需要在预计停机地点附近进行地层压气现场试验。根据试验数据，计算出在开挖掌子面上施加某压力的压缩空气时的气体损失量及其变化，并评价开挖仓为半仓渣土或空仓情况下加入添加剂后地层的气体防渗效果。
制定一套完整可靠的开挖程序。该开挖程序需在预计带压开仓检修刀具里程之前5-10 环执行。确保土仓及盾尾气密性能，防止漏气。
加气过程中派人检查地面有无漏气的工程或市政管井等可能存在的漏气边界，并评价气体泄漏的可能性及其影响，及时采取有效措施。对不能采取措施的，要求避开此区域进行气压换刀操作。
（2）机电系统方面
启动操作程序前详细检查盾构机及其后备套系统，确保机器的安全运作，及时发现问题并及时解决。
启动操作程序前详细检查压缩空气系统。
检查空气压缩机器避免出现过高或过低于土仓内设定压力值。需派专人值守空气压缩机，发现问题立即报告。
3.3.3气压稳定和气压异常情况下掌子面稳定性评估开挖仓内气压置换土压并出渣至设定水平之后，需要等待并观察一段时间，看土仓内气压是否稳定。
当气压稳定且变幅不超过0.02bar时，需要先组织有经验的岩土工程师带压进入开挖仓，对掌子面的稳定性进行评估。
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，需要重新掘进离开现有扰动区后再进行试验。
4.换刀模式比较
4.1换刀加固要求要满足成都地铁高效、安全、顺利地进行施工，换刀加固模式必须满足以下条件。
①费用低；
②加固有效可靠；
③效率高，能在短时间内达到加固效果；
④加固不会对刀盘、刀具产生凝固；
⑤尽量不占用地表；
在成都闹市区施工地铁，首先得尽量减小对城市交通的影响，因此在选择换刀模式的时候，我们也充分考虑了如何降低对地面环境的影响，避免扰民。
4.2换刀模式比较针对成都地区富水砂卵石地层的特点，结合4个标段前期掘进情况，我们综合有以下几种换刀模式：
（1）直接开仓换刀模式
由于成都砂卵石地层，自稳定性较低，且地下水位较盾构隧道高，不可能直接进入土仓，该方法不可行。
（2）降水加固模式
降水方法简单可行，但面临的是地层不稳定的风险。由于，由于成都砂卵石地层自稳定性较低，短时间内可以自稳，一旦时间过长，地层失稳就面临坍塌的危险。实践已经证明，仅靠降水加固换刀在市区施工时是不可行的。
（3）地表注浆加固
地表注浆一定程度上可以加固地层，加固效果较降水加固好，但需要在地表操作，因此，一方面，受地表条件的限制。另一方面，该地层密实，注浆效果不佳，多次实践证明，加固之后地表仍可能出现坍塌，此法不能保证更换刀具的安全及地表要求。
（4）围护桩加固
成都地区通常采用人工挖孔桩作为围护桩。人工挖孔桩加固能保证换刀的安全稳定。 但是存在以下缺点：
①桩的里程易确定 .若加固位置确定的稍不合适，盾构还没到桩的里程的情况下刀具就已经磨损的无法掘进，在这种情况下，强制进行掘进，或者将刀盘磨坏，或者多出渣，同样也造成地表坍塌。
②成本高、施工工期长。施工人工挖孔桩成本相对较高，而且施工工期较长。
③涉及部门广。人工从地表挖孔的方式涉及到交通、市政管线、房屋、地表恢复等，并且出渣、进料又关系到环保等部门。
④对周围环境影响较大。按目前的情况，换刀的距离一般都在150m之内。在如此短的距离内进行挖孔桩施工，无疑于对道路进行开膛破肚，对市民生活的影响不亚于地表坍塌。
⑤地表条件限制。由于地铁盾构隧道线路大都是在市区繁华地段，不具备人工挖孔桩的条件。
⑥留在地下的桩基给以后的市政工程造成不可预料的危害与风险。
⑦未能体现盾构对环境影响小的先进性。
（5）气压加固
气压加固不占用地表，而且具有费用较低、效率较高的特点。但是由于该施工工艺要求相对较高，且由于成都地层的特殊性，风险极大，需继续加强摸索和尝试。
4.3分析比较
5.结论及对策
带压换刀技术是其它同类型盾构特别是穿越沟渠、河流、海底等特殊地理环境时盾构掘进中换刀的主要手段，但成都地层的砂卵石透气性高的特点及地铁线路浅埋的工况决定了带压换刀手段很艰难，存在诸多不确定因素，特别是在城市主干道上带压换刀，风险极其巨大，一旦失败将带来灾难性的后果。考虑到这一点，我们在前期均采用降水辅以地面加固手段为主的常压开仓的换刀办法，通过一段时间的实践，该方法无论是从操作的安全性、换刀的工效等方面均非常适合成都的地层特点。但是这种换刀手段一个最主要的缺点是给地面环境带来了影响，干扰了地面交通。目前，我们在盾构3标（由中铁二局负责施工）试验探索在成都地层带压换刀的可行性，已取得了12次成功，可以说已基本取得成功。下阶段，我们将继续探索，在换刀过程中拟采取局部封闭部分交通等安全保障措施，在措施保障、安全应急处理等方面做到万无一失下阶段我们将在机器开口、刀具配置及螺旋输送机类型等机器配置方面尽可能与工程的安全、质量、进度、投资进行有机统一，逐步减少换刀次数。
成都地铁·张延
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200712/9950.htm
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