陳軍強
(宏潤建設(shè)集團股份有限公司機施分公司,上海市200235)
隨著我國各大城市市政建設(shè)的大力發(fā)展,盾構(gòu)法隧道施工施工的地質(zhì)條件及施工環(huán)境越來越復雜。為了解決盾構(gòu)在通過復雜地層、穿江過河、穿越密集建筑群等情況中遇到的施工困難,常需要進入土艙施工。當盾構(gòu)在軟弱、富水地段掘進時,必須采用帶壓進艙模式。
本工法適用于所有經(jīng)過改良或加固后能達到保壓作業(yè)氣密性要求的地層。特別是在含水量高或自立性差的復雜地質(zhì)中,穿越江河湖?;蛎芗ㄖ锶旱忍厥馇闆r下,盾構(gòu)既無法常壓直接開艙又無法實施地面加固,保壓加固是盾構(gòu)開艙施工的最佳方法。保壓施工都可以起到防止地下水過度流失、開挖面土體坍塌、地表大幅度沉降的作用。
盾構(gòu)土艙保壓施工工藝原理是:經(jīng)過對盾構(gòu)刀盤前方地層進行處理后,在保證刀盤前方周圍地層和土艙滿足氣密性要求的條件下,通過在土艙內(nèi)建立合理的氣壓來平衡刀盤前方的水、土壓力,達到穩(wěn)定開挖面和防止地下水滲入的目的,為在土艙內(nèi)進行排障或換刀等工作創(chuàng)造條件。其工作原理見圖1。
(1)本工法施工在地下進行,施工受地表條件的限制較小。本工法適用地質(zhì)范圍較廣,受地層地質(zhì)情況影響較小,加固效果較好。
(2)本工法施工不占用地表,涉及的部門少,對環(huán)境及交通的影響較小。施工對地層結(jié)構(gòu)影響及引起的地表沉降較小。加固施工不會固結(jié)刀盤,不會影響今后的地下工程施工。

(3)本工法施工成本較低、施工效率較高、施工工期較短,能在短時間內(nèi)使土艙土體達到開艙要求的加固效果。
(4)本工法施工工藝要求較高,在富含水的沙礫層中施工時風險較大。施工中需要進行土體改良等輔助措施,并通過完善的保壓系統(tǒng)和嚴格的操作規(guī)程,保障人員和設(shè)備的安全。
盾構(gòu)保壓施工工藝流程見圖2。
盾構(gòu)推進過程中,推進情況及相應(yīng)參數(shù)如有異常,要立即停機進行處理。異常情況主要有刀盤扭矩波動或升高、刀盤摒死、盾構(gòu)推力升高、推進速度下降、盾殼卡死等。引起的原因有刀具磨損、前方遇到障礙物(如大塊的漂石、掉落的刀具、地下樁基等)或特殊土體(如高粘性土、泌水粉砂土、致密加固土、硬巖、軟硬復合層等)等。

當盾構(gòu)推進出現(xiàn)異常情況后,需要通過土壓試驗對土艙地質(zhì)情況進行初查,確定開艙模式或保壓施工壓力。在盾構(gòu)停止推進后,通過螺旋機將土艙排放至半空,再靜置半小時,如果土艙上部壓力上升不超過0.05 MPa,可嘗試直接常壓開艙,否則需采用保壓開艙施工。
(1)保壓壓力確定
保壓施工時土艙氣壓的設(shè)定至關(guān)重要,氣壓過低易造成土體坍塌事故,過高則易造成地面噴發(fā)事故。土艙保壓壓力可以根據(jù)土艙土壓試驗結(jié)果、地質(zhì)勘探資料、此前出土情況等來確定。保壓基礎(chǔ)壓力取土艙土壓試驗半小時后的水土平衡壓力,再根據(jù)地下水位、地質(zhì)條件及此前出土情況對基礎(chǔ)壓力進行調(diào)整,一般土艙保壓壓力至少應(yīng)比地下水壓高0.02 MPa。
(2)需用氣量計算
需用氣量的計算是設(shè)備選型的前提,也是施工安全的保證。需用氣量主要包括艙內(nèi)人員用氣、土艙漏氣、工具耗氣、系統(tǒng)漏氣及備用氣量。需用氣量按式(1)計算。

式中:V——需用氣量;
V1——艙內(nèi)人員用氣量;
V2——土艙漏氣量;
V3——工具耗氣量;
γ1——系統(tǒng)漏氣率;
γ2——備用率。

式中:v——每人所需通風量;
N——艙內(nèi)人數(shù);
φ——刀盤開口率;
D——刀盤直徑;
u——土體透氣線速度(試驗測得)。
經(jīng)整理得:

系統(tǒng)已知參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)已知參數(shù)
技術(shù)人員根據(jù)盾構(gòu)異常情況及地質(zhì)初查結(jié)果編制盾構(gòu)保壓開艙施工方案。施工方案要上報工程監(jiān)理及業(yè)主代表進行審批。方案還要上報消防安全、勞動保障、專業(yè)醫(yī)院、地方政府等相關(guān)部門備案。
所有保壓施工人員都必須按相關(guān)規(guī)范經(jīng)過專業(yè)培訓并取得相應(yīng)證書。進艙前還必須經(jīng)過專門的身體檢查和相應(yīng)的技能及安全教育。所有設(shè)備及材料必須有出廠合格證,并檢驗合格后,方可投入使用。所有設(shè)備及材料的型號規(guī)格必須根據(jù)保壓施工參數(shù)進行計算選擇。
保壓開艙主要應(yīng)保證刀盤前方周圍地層和土艙滿足氣密性要求,土艙土體置換就是一個按此要求建立保壓施工環(huán)境的過程。盾構(gòu)掘進到進艙里程后停止掘進,用膨潤土泥漿置換土艙內(nèi)的碴土。置換完成后靜置半小時,讓泥漿充分滲透到地層形成泥膜。接著啟動土艙自動供氣系統(tǒng),用氣體置換膨潤土泥漿。膨潤土泥漿外排結(jié)束后,還應(yīng)進行土艙氣密性試驗,要求泄露小于10 m3/min。
在人閘氣密性檢查合格及準備工作完成后,氣壓工小組可進入人閘加壓,并打開土艙門。氣壓工對開挖面的地質(zhì)及故障情況進行檢查,并確定開挖面加固方式和故障處理方案,還可以給出常壓直接開艙、調(diào)整保壓壓力、關(guān)艙再推進或采用其它土體加固方式的建議。
氣壓工將刀盤轉(zhuǎn)到位,將艙內(nèi)水位降至1/3處后,再對刀盤進行清理。準備工作完成后,氣壓工按地質(zhì)詳查確定的方案進行換刀、排障等施工。為了減小因長時間開艙引起的水土流失風險,氣壓工分為3人一組若干小組晝夜施工,每組作業(yè)約3 h。
土艙內(nèi)所有施工完成后,氣壓工關(guān)閉土艙門,在人閘內(nèi)減壓出閘。為了防再次推進時土體突然失壓,關(guān)艙后需要按開艙時的相反步驟進行土體置換并建立土壓。先用膨潤土泥漿置換出土艙內(nèi)的空氣,接著一邊轉(zhuǎn)動刀盤推進盾構(gòu),一邊用螺旋機緩慢置換出膨潤土泥漿。當碴土充滿土艙并逐漸建立正常土壓后,盾構(gòu)再次進入正常推進程序。
保壓施工的主要設(shè)備是空壓系統(tǒng)設(shè)備,包括空壓機、空氣過濾系統(tǒng)、空氣輸送管路、土艙及自動供氣系統(tǒng)、人閘及氣壓控制系統(tǒng)等設(shè)備。
(1)空壓機及儲氣罐——盾構(gòu)保壓施工共需要準備3臺大型空壓機(出口壓力:0.7 MPa,排氣量大于28.4 m3/min)。其中2臺輪流工作,另1臺備用。
(2)空氣過濾系統(tǒng)——空氣過濾系統(tǒng)是安裝在空壓機后面的空氣過濾冷卻房,處理能力要求不小于30 m3/min。
(3)空氣輸送管路——地面空壓機產(chǎn)生的壓縮空氣通過空氣輸送管路沿著隧道輸送到盾構(gòu)機內(nèi)。管路連接好后要做耐壓試驗(0.8 MPa),要求空氣檢測泄漏速度不大于1.0 m3/min。
(4)土艙及自動供氣系統(tǒng)——土艙是保壓施工的工作艙,在保壓施工工程中,通過自動供氣系統(tǒng)對土艙進行氣體自動補給及維持氣壓穩(wěn)定。
(5)人閘及氣壓控制系統(tǒng)——人閘是保壓施工人員和材料出入土艙的轉(zhuǎn)換通道。人閘外裝有氣壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng),由看艙工操作。人閘在使用前,要進行氣密性試驗。人閘外形見圖3。

輔助設(shè)備包括個人防護設(shè)備、急救設(shè)備(如純氧醫(yī)療艙等)、消防設(shè)備(如水霧噴淋系統(tǒng)等)、通訊系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)。其他的設(shè)備和材料還包括刀架刀具、換刀工具、割焊設(shè)備、開艙工具、搬運工具、膨潤土泥漿等。
盾構(gòu)保壓開艙模式與其他傳統(tǒng)開艙模式相比,在加固效果、施工工期、經(jīng)濟及社會效益、環(huán)保節(jié)能等方面具有很大的優(yōu)勢(見表2)。

表2 各種加固開倉工法比較表
[1]成都地鐵土壓平衡盾構(gòu)換刀模式比選報告[EB/OL].http://gongcheng.jdzj.com/article/2010-1-15/17614-1.htm.
[2]成都地鐵砂卵石地層盾構(gòu)帶壓進艙技術(shù)[EB/OL].http://www.chinametro.net/Content/DisplayArticle.aspx?id=3552.