談全斷面砂層中土壓盾構(gòu)機帶壓換刀的技術(shù)與應(yīng)用

魯棣源

摘 要：土壓平衡盾構(gòu)機在全斷面砂層掘進過程中存在著沉降難以控制、土壓平衡掘進模式很難建立、掘進參數(shù)不協(xié)調(diào)以及設(shè)備磨損嚴(yán)重等技術(shù)問題，本文通過采用試驗、理論和實踐應(yīng)用相結(jié)合的方法，對全斷面砂層中土壓盾構(gòu)機帶壓換刀的技術(shù)和應(yīng)用進行了分析和研究，并對施工過程中的經(jīng)驗進行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：全斷面砂層；土壓盾構(gòu)機；帶壓換刀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.177

1 引言

近年來，我國在開展大規(guī)模的地鐵工程的建設(shè)中，盾構(gòu)法的施工技術(shù)因為有著綠色環(huán)保、安全可靠的特點，在地下工程中得到了突飛猛進的發(fā)展。國內(nèi)外學(xué)者通過采用室內(nèi)模擬試驗、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、工程應(yīng)用研究及理論研究相結(jié)合等方法對土壓平衡盾構(gòu)機在全斷面砂層中掘進的基本理論和關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究，進一步提高了盾構(gòu)法在施工過程中的適應(yīng)性。

隨著盾構(gòu)法施工技術(shù)的不斷發(fā)展，土壓盾構(gòu)機對地層的適應(yīng)性也有了很大的提高，主要適用于軟巖、含水的軟土、硬巖和復(fù)合地層的地下工程盾構(gòu)掘進施工。

2 土壓盾構(gòu)法

（1）土壓盾構(gòu)與泥水盾構(gòu)。通過泥水平衡盾構(gòu)土和壓平衡盾構(gòu)的對比： 技術(shù)方面，兩種機型都可以適應(yīng)這種地層； 從開挖面的穩(wěn)定控制來看，泥水盾構(gòu)比土壓盾構(gòu)具有更好的適應(yīng)性，但如果使用正確的輔助方法和施工管理，土壓盾構(gòu)也可以適應(yīng)；施工場地方面，泥水盾構(gòu)在運輸、廢棄泥水處理、場地占用上有著很大的難度，而土壓盾構(gòu)不存在這方面的問題。

（2）土壓盾構(gòu)的施工原理。它的原理是在普通盾構(gòu)機的基礎(chǔ)上，將一個密閉的擋板放在盾構(gòu)機中部，把需要開挖的土體與盾構(gòu)開挖面隔離開來，形成一個封閉的艙體，此艙體叫土壓力艙，它是用來切削刀盤的地方。還要在密封的擋板處放一個螺旋出土器裝置，在千斤頂提供推力的情況下，當(dāng)盾構(gòu)機向前推進的時候，刀盤切削渣土并充滿土壓力艙，這時盾構(gòu)開挖面上的水壓力和土壓力的總和與土艙內(nèi)的土壓力保持平衡。圖1為土壓盾構(gòu)機原理圖。

3 帶壓換刀技術(shù)

（1）簡要概述。在掘進的過程中盾構(gòu)機主要有三種刀具磨損的更換方式：第一種是在常壓條件下地層經(jīng)過加固或排水后直接敞開式換刀。第二種是在常壓條件下直接敞開式換刀。第三種則是通過壓入空氣來穩(wěn)定掌子面，在非常壓的條件下更換刀具。

（2）帯壓換刀技術(shù)的原理。帶壓換刀技術(shù)的工作原理：對刀盤前方的開挖面土層改良進行加固處理，并保證土倉和刀盤前方的周圍地層滿足氣密性要求，然后利用空氣壓縮機對空氣進行加壓，最后注入土倉，慢慢置換掉土倉內(nèi)的土體，用氣壓替代土壓，在土倉內(nèi)建立合理的氣壓來平衡刀盤前方的土、水壓力，達到防止地下水滲入和穩(wěn)定開挖面的目的，在一定的氣壓條件下，施工人員需要安全的進入到土倉內(nèi)進行刀具更換和檢查、維修保養(yǎng)等作業(yè)。

（3）帯壓換刀的優(yōu)勢。帶壓換刀技術(shù)具有加固地層和降低地下水位的優(yōu)點，這是常壓換刀作業(yè)方法無法代替的，它的優(yōu)勢有：1）洞內(nèi)進行加固，對周圍環(huán)境影響小且不占用地面積；2）加固的效果比較好，地表的變形小；3）成本費用相對較低；4）可以頻繁的實施換刀技術(shù)。

（4）帶壓換刀技術(shù)在施工中的困難。帶壓換刀與常壓換刀相比，其困難有以下幾點：1）換刀壓力值的確定與計算比較麻煩；2）膨潤土的配合比極其制備方法；3）換刀前后對掘進參數(shù)的設(shè)置以及施工技術(shù)控制；4）保壓和加減壓技術(shù)；5）工作人員的健康和安全保證；6）對地表沉降的控制

（5）帶壓換刀技術(shù)的工藝流程。帶壓換刀技術(shù)的施工工藝流程可總結(jié)如下：

刀具檢查更換地點預(yù)測→確定帶壓換刀方案→盾構(gòu)離換刀點最后五環(huán)周邊加入膨潤土漿→盾構(gòu)離換刀點最后一環(huán)時開挖面注入膨潤土漿→停止掘進刀盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動5min使開挖面形成泥膜→刀盤停止轉(zhuǎn)動，螺旋輸送機開始出土并同時給土倉加壓→對土倉氣壓觀察半個小時→人員進入人閘逐步加壓至與土倉壓力平衡（氣壓穩(wěn)定） →進入土倉進行換刀作業(yè)→換刀作業(yè)人員完成一個作業(yè)班次降壓出艙→完成換刀作業(yè)→土倉重新建立土壓平衡恢復(fù)掘進

4 帶壓換刀技術(shù)的應(yīng)用

國內(nèi)的大部分地鐵建設(shè)單位和盾構(gòu)施工單位都在積極的探索和研究帶壓換刀技術(shù)在不同地層條件下的應(yīng)用，已經(jīng)取得了一定的成果。（1）2005年6月廣州地鐵四號線在小谷圍到新造區(qū)間左線江底土壓盾構(gòu)施工中應(yīng)用了帶壓換刀技術(shù)；（2）廣州地鐵四號線的大學(xué)城專線區(qū)間采用了土壓盾構(gòu)施工，過江時由于刀具的磨損十分嚴(yán)重，先進行加固，后進行了帶壓換刀；（3）2006年12月宜昌長江穿越隧道工程開工時使用了德國的海瑞克泥水加壓盾構(gòu)機進行作業(yè)，帶壓進倉修復(fù)了磨損的刀盤并更換了刀盤主軸承；（4）2003年底，廣州地鐵三號線在天河客運站到華師站的區(qū)間，采用帶壓換刀技術(shù)破除了卡住刀盤的孤石；（5）在武漢長江隧道施工中中鐵隧道集團采用土壓盾構(gòu)法，第一次自主實現(xiàn)了高水壓帶壓換刀技術(shù)；（6）中鐵隧道集團下的TBM公司根據(jù)廣州地鐵的土壓盾構(gòu)的施工經(jīng)驗，形成了“盾構(gòu)帶壓進倉作業(yè)工法”。

5 結(jié)語

實踐表明，在全斷面砂層實現(xiàn)帶壓檢查以及更換刀具等操作是一種可行的方法。帶壓換刀技術(shù)不僅避免了由于地表加固而造成的地面交通擁堵問題，還保證了既有建筑物和管線的安全以及隧道上方道路的暢通，同時也樹立了城市的良好形象。而且，進倉人員的身體狀況并沒有不良的反應(yīng)，換刀的效率很高。所以帶壓換刀技術(shù)是一種有效、經(jīng)濟、安全的換刀技術(shù)。

參考文獻：

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