盾構(gòu)土艙保壓施工工法

陳軍強(qiáng)

（宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司機(jī)施分公司，上海市200235）

0 前言

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(fù)雜。為了解決盾構(gòu)在通過復(fù)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(jìn)入土艙施工。當(dāng)盾構(gòu)在軟弱、富水地段掘進(jìn)時，必須采用帶壓進(jìn)艙模式。

1 適用范圍

本工法適用于所有經(jīng)過改良或加固后能達(dá)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(fù)雜地質(zhì)中，穿越江河湖海或密集建筑物群等特殊情況下，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。

2 工藝原理

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(jìn)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(dá)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(jìn)行排障或換刀等工作創(chuàng)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(jìn)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(dá)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(fēng)險較大。施工中需要進(jìn)行土體改良等輔助措施，并通過完善的保壓系統(tǒng)和嚴(yán)格的操作規(guī)程，保障人員和設(shè)備的安全。

4 工藝流程

盾構(gòu)保壓施工工藝流程見圖2。

5 操作要點

5.1 盾構(gòu)推進(jìn)異常

盾構(gòu)推進(jìn)過程中，推進(jìn)情況及相應(yīng)參數(shù)如有異常，要立即停機(jī)進(jìn)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(jìn)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(fù)合層等）等。

5.2 地質(zhì)情況初查

當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)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(jìn)行初查，確定開艙模式或保壓施工壓力。在盾構(gòu)停止推進(jìn)后，通過螺旋機(jī)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(shù)參數(shù)確定

（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(jìn)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(fēng)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)

5.4 方案編制匯審

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(jìn)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。

5.5 準(zhǔn)備人員設(shè)備

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(xùn)并取得相應(yīng)證書。進(jìn)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(jìn)行計算選擇。

5.6 土艙土體置換

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(jìn)到進(jìn)艙里程后停止掘進(jìn)，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(jìn)行土艙氣密性試驗，要求泄露小于10 m3/min。

5.7 開艙地質(zhì)詳查

在人閘氣密性檢查合格及準(zhǔn)備工作完成后，氣壓工小組可進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)到位，將艙內(nèi)水位降至1/3處后，再對刀盤進(jìn)行清理。準(zhǔn)備工作完成后，氣壓工按地質(zhì)詳查確定的方案進(jìn)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(fēng)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。

5.9 關(guān)艙重建土壓

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(jìn)時土體突然失壓，關(guān)艙后需要按開艙時的相反步驟進(jìn)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(jìn)盾構(gòu)，一邊用螺旋機(jī)緩慢置換出膨潤土泥漿。當(dāng)碴土充滿土艙并逐漸建立正常土壓后，盾構(gòu)再次進(jìn)入正常推進(jìn)程序。

6 施工設(shè)備

6.1 主要設(shè)備

保壓施工的主要設(shè)備是空壓系統(tǒng)設(shè)備，包括空壓機(jī)、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(jī)及儲氣罐——盾構(gòu)保壓施工共需要準(zhǔn)備3臺大型空壓機(jī)（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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行氣體自動補(bǔ)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(jìn)行氣密性試驗。人閘外形見圖3。

6.2 輔助設(shè)備

輔助設(shè)備包括個人防護(hù)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。

7 效益分析

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(jì)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(jìn)艙技術(shù)[EB/OL].http://www.chinametro.net/Content/DisplayArticle.aspx?id=3552.