盾構土艙保壓施工工法

陳軍強

（宏潤建設集團股份有限公司機施分公司，上海市200235）

0 前言

隨著我國各大城市市政建設的大力發展，盾構法隧道施工施工的地質條件及施工環境越來越復雜。為了解決盾構在通過復雜地層、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。當盾構在軟弱、富水地段掘進時，必須采用帶壓進艙模式。

1 適用范圍

本工法適用于所有經過改良或加固后能達到保壓作業氣密性要求的地層。特別是在含水量高或自立性差的復雜地質中，穿越江河湖海或密集建筑物群等特殊情況下，盾構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。

2 工藝原理

盾構土艙保壓施工工藝原理是：經過對盾構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，通過在土艙內建立合理的氣壓來平衡刀盤前方的水、土壓力，達到穩定開挖面和防止地下水滲入的目的，為在土艙內進行排障或換刀等工作創造條件。其工作原理見圖1。

3 工法特點

（1）本工法施工在地下進行，施工受地表條件的限制較小。本工法適用地質范圍較廣，受地層地質情況影響較小，加固效果較好。

（2）本工法施工不占用地表，涉及的部門少，對環境及交通的影響較小。施工對地層結構影響及引起的地表沉降較小。加固施工不會固結刀盤，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和嚴格的操作規程，保障人員和設備的安全。

4 工藝流程

盾構保壓施工工藝流程見圖2。

5 操作要點

5.1 盾構推進異常

盾構推進過程中，推進情況及相應參數如有異常，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。

5.2 地質情況初查

當盾構推進出現異常情況后，需要通過土壓試驗對土艙地質情況進行初查，確定開艙模式或保壓施工壓力。在盾構停止推進后，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。

5.3 技術參數確定

（1）保壓壓力確定

保壓施工時土艙氣壓的設定至關重要，氣壓過低易造成土體坍塌事故，過高則易造成地面噴發事故。土艙保壓壓力可以根據土艙土壓試驗結果、地質勘探資料、此前出土情況等來確定。保壓基礎壓力取土艙土壓試驗半小時后的水土平衡壓力，再根據地下水位、地質條件及此前出土情況對基礎壓力進行調整，一般土艙保壓壓力至少應比地下水壓高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人員用氣、土艙漏氣、工具耗氣、系統漏氣及備用氣量。需用氣量按式（1）計算。

式中：V——需用氣量；

V1——艙內人員用氣量；

V2——土艙漏氣量；

V3——工具耗氣量；

γ1——系統漏氣率；

γ2——備用率。

式中：v——每人所需通風量；

N——艙內人數；

φ——刀盤開口率；

D——刀盤直徑；

u——土體透氣線速度（試驗測得）。

經整理得：

系統已知參數見表1。

表1 系統已知參數

5.4 方案編制匯審

技術人員根據盾構異常情況及地質初查結果編制盾構保壓開艙施工方案。施工方案要上報工程監理及業主代表進行審批。方案還要上報消防安全、勞動保障、專業醫院、地方政府等相關部門備案。

5.5 準備人員設備

所有保壓施工人員都必須按相關規范經過專業培訓并取得相應證書。進艙前還必須經過專門的身體檢查和相應的技能及安全教育。所有設備及材料必須有出廠合格證，并檢驗合格后，方可投入使用。所有設備及材料的型號規格必須根據保壓施工參數進行計算選擇。

5.6 土艙土體置換

保壓開艙主要應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境的過程。盾構掘進到進艙里程后停止掘進，用膨潤土泥漿置換土艙內的碴土。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，用氣體置換膨潤土泥漿。膨潤土泥漿外排結束后，還應進行土艙氣密性試驗，要求泄露小于10 m3/min。

5.7 開艙地質詳查

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、調整保壓壓力、關艙再推進或采用其它土體加固方式的建議。

5.8 土艙保壓施工

氣壓工將刀盤轉到位，將艙內水位降至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，每組作業約3 h。

5.9 關艙重建土壓

土艙內所有施工完成后，氣壓工關閉土艙門，在人閘內減壓出閘。為了防再次推進時土體突然失壓，關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的空氣，接著一邊轉動刀盤推進盾構，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，盾構再次進入正常推進程序。

6 施工設備

6.1 主要設備

保壓施工的主要設備是空壓系統設備，包括空壓機、空氣過濾系統、空氣輸送管路、土艙及自動供氣系統、人閘及氣壓控制系統等設備。

（1）空壓機及儲氣罐——盾構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——空氣過濾系統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——地面空壓機產生的壓縮空氣通過空氣輸送管路沿著隧道輸送到盾構機內。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——土艙是保壓施工的工作艙，在保壓施工工程中，通過自動供氣系統對土艙進行氣體自動補給及維持氣壓穩定。

（5）人閘及氣壓控制系統——人閘是保壓施工人員和材料出入土艙的轉換通道。人閘外裝有氣壓調節控制系統，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。

6.2 輔助設備

輔助設備包括個人防護設備、急救設備（如純氧醫療艙等）、消防設備（如水霧噴淋系統等）、通訊系統、照明系統、監測系統。其他的設備和材料還包括刀架刀具、換刀工具、割焊設備、開艙工具、搬運工具、膨潤土泥漿等。

7 效益分析

盾構保壓開艙模式與其他傳統開艙模式相比，在加固效果、施工工期、經濟及社會效益、環保節能等方面具有很大的優勢（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帶壓進艙技術[EB/OL].http://www.chinametro.net/Content/DisplayArticle.aspx?id=3552.