泥水盾構帶壓割除排漿管格柵施工技術

毋海軍

（中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024）

1 概述

目前，國內城市軌道交通迅猛發展，盾構法施工得到了很廣泛的推廣應用。但一些復雜的地質條件，也給正常的盾構施工效率帶來不利的影響。泥水盾構機在黏土層中掘進目前始終是一個困擾難題［1］。

本工程泥水盾構機在施工掘進過程中，開挖斷面粉質黏土、黏土較多。刀盤切削黏土層頻繁形成泥團，當泥團直徑超過格柵設計最大粒徑17 cm時，易造成格柵與安全門之間渣土堆積，從而造成環流排渣不暢，泥水倉壓力異常，影響盾構掘進安全性［2］。因此必須割除排漿管前方格柵，增大渣土的通過粒徑，以保障泥水循環的通暢性。

2 工程概況及地質

2.1 工程概況

徐州城市軌道交通2號線一期工程10標包含兩站兩區間和出入段線，即新元大道站、新區東站、漢源大道站～新元大道站區間（701 m）、新元大道站～新區東站區間（1 056 m）、出入段線，區間均采用盾構法施工。隧道管片外徑6.2 m，厚度0.35 m，環寬1.2 m。區間總體施工示意見圖1。

圖1 區間總體施工示意

新元大道站～新區東站區間起于新元大道與昆侖大道交叉口，沿昆侖大道布置，下穿故黃河且側穿故黃河橋后到達新區東站。

2.2 工程地質

隧道拱頂覆土8～20 m，由上而下的主要土層為回填土、②5-2砂質粉土、②5-3砂質粉土、②4-3粉質黏土、⑤3-4B砂質粉土、⑤3-4黏土、⑤3-4A黏土。

2.3 周邊建筑物及地下管線

周邊環境建筑物現狀見表1。

表1 周邊環境建筑物現狀

根據管線相關資料及圖紙，與線路平行和相交的管線有多條，對區間隧道施工有影響的管線為橫跨區間的DN1200給水管和斜穿區間的DN425中壓煤氣管。沿線管線見表2，區間隧道與沿線管線位置關系見圖2。

表2 沿線管線

圖2 區間隧道與沿線管線位置關系

3 盾構選型

本區間隧道穿越故黃河故道及支流河道，故黃河及其支流河道共寬大約330 m，水深2～4 m，支流河道水深1～2 m。左線隧道距離故黃河樁基最小距離約9.0 m，隧道頂板距離河底約12 m。

在本項目中，工程地質與水文地質比較復雜，地層滲透系數比較大，最后選擇泥水平衡盾構，目的是為了更好地維持掌子面壓力，防止地面沉降，保證黃河橋樁和故黃河河道的安全［3］。另外，從地層的適應性、盾構主體設備、刀盤型式和刀具布置、主驅動（潤滑及密封）系統、泥水環流系統、同步注漿及二次補漿系統、推進及鉸接系統、盾尾密封系統、管片安裝系統、渣土破碎系統、管路延伸系統等對盾構適應性進行評估。

本區間采用一臺CTS6470H-0630泥水平衡盾構機施工。該盾構機的特點是通過由膨潤土、外加劑制成的泥漿來平衡開挖倉的來自刀盤前方的水、土壓力，保證盾構機安全、高速推進；擁有Samson保壓系統和VMT自動導向測量系統，能夠方便、直觀、精準地控制盾構機切口水壓和掘進姿態，具有先進的功能特性。

4 格柵割除工藝

新元大道站～新區東站區間泥水平衡盾構機于2017年8月1日始發，盾構從17環推進至34環時，掘進參數不理想，掘進速度20 mm以下，推力約1 100 t，刀盤轉速1.5 r／min，扭矩 700～980 kN·m，掘進過程中粉質黏土泥團較多，安全門與格柵之間容易堵塞，環流系統不順暢，當掘進至34環時候，環流系統出渣難度更大，切口水壓波動0.3～0.6 bar之間，掘進受阻，掘進完成一環需要3 h以上，嚴重影響施工進度，過河期間風險較大。

氣墊倉排漿管路前格柵設計最大顆粒通過直徑為17 cm。泥水分離站篩分出來泥團邊緣有明顯切削痕跡，證明格柵與安全門之間渣土堆積較為嚴重，渣土是被泥漿擠壓通過格柵后排出的。泥團照片見圖3。

為保證盾構順利穿越故黃河支流及主河道，現場決定對設備進行改進，采取帶壓進倉方式割除排漿管前方鋼格柵，解決管路堵塞問題。

4.1 停機位置選擇

此時盾構刀盤里程DK23+592.57處盾體上方存在DN425燃氣管線，不適合盾構停機。現場決定在DK23+582.83處，即盾構推進至47環時停機，此時刀盤距離黃河支流河道4.5 m，盾尾脫出燃氣管線1.5 m。進倉位置地質情況見圖4，地面情況見圖5。

圖3 泥團實物

圖4 進倉位置地質斷面圖

圖5 進倉位置平面圖

4.2 帶壓進倉割除格柵風險

根據進倉工作的施工方案，結合現場作業環境、工程特點等進行危險源的辨識分析，進倉工作危險源見表3。

表3 進倉工作危險源清單

由于工程特殊性，本次帶壓進倉還存在如下風險。

（1）地層風險。盾構停機處位于故黃河側面漫灘上，盾構機預斜穿故黃河支流。刀盤距離支流距離為14 m，盾體側面距離支流最近距離為4.5 m，盾尾距離煤氣管線1.5 m。停機位置土層拱頂存在砂質粉土，刀盤面范圍內為砂質粉土、粉質黏土、黏土。若倉內氣體壓力選擇不慎，極有可能造成地下通道形成，造成泥膜護壁破壞、地下水連通倒灌至倉內、地表坍塌、煤氣管線損壞、有害易燃氣體泄漏等風險［4］。

（2）施工風險。一般情況下不允許高壓環境下進行動火作業。在高壓環境下，氧氣濃度雖與外界環境一樣，但是經過壓縮，單位體積內氧氣含量實際會增加，易產生可燃物燃燒、爆炸等危險；倉內有害氣體含量超標會對作業人員身體造成危害；作業空間有限，對作業人員職業素養和操作水平提出了更高的要求［5］。

（3）地質風險。在需帶壓作業地段，雖然采取一系列封堵加固措施和通過壓縮空氣來平衡掌子面水土壓力，但仍存在許多不確定因素，當界面條件發生變化時候，掌子面仍存在有部分失穩或出現滲、漏水的可能，此狀況極大威脅倉內底部作業的安全性，掌子面穩定情況至關重要［6］。

（4）位置風險。此次作業為排漿管前方格柵割除，由于格珊所處位置在氣墊倉最底部，安全與環境風險高，人的空間建立和維持難度極大，人員安全保障難度較高。

4.3 格柵割除作業

4.3.1 方案論證

為保證帶壓進倉作業安全、有效、快速完成，項目部現場制定了專項帶壓進倉作業施工方案，并進行了內部專家討論、專項方案外部論證會審工作，提高了帶壓進倉作業的安全性、可靠性。

根據方案及專家意見進行了以下帶壓進倉作業準備：

（1）制定人員職責機構，崗位職責到人。

（2）帶壓進倉作業設備檢查維護（人閘、空壓機、應急發電機等），并進行調試記錄。

（3）帶壓進倉作業工具、材料、配件等提前籌備到位。

（4）帶壓進倉作業切口水壓計算復核。

（5）支流河道填壓處理，保證地面安全，防止河水倒灌。（6）完善地面監測方案，時刻注意地面沉降情況。（7）泥膜建立完善，確保泥膜質量，并按規范做好保壓實驗。

（8）聘用專業人員施工，并對作業人員進行施工和安全技術交底。

（9）制定應急預案，成立應急小組，保證施工安全［7］。

4.3.2 條件驗收

所有準備工作到位后，項目部要組織條件驗收會議，并對以下施工條件進行逐一驗收：

（1）專項施工方案編審、專家論證、審批齊全有效。

（2）準備帶壓進倉區域監測點布設完成，初始值已測取，控制值已確定。

（3）有限空間作業施工準備完成。帶壓作業設備、供氣裝置、有害氣體檢測設備等已報驗合格。

（4）進倉人員安全培訓完成，資料齊全，考核合格；施工和安全技術交底已完成。

（5）有針對性、可操作性的應急預案編制完成并落實搶險設備、物資、人員；物資到位，通訊暢通，應急、消防器材符合要求。

（6）各材料和配件質量證明文件齊全，復試合格。

（7）設備機具準備到位，各種儀表工作正常。

4.3.3 進倉工序

在帶壓進倉作業過程中，現場對倉內作業、設備運轉情況、施工工具及材料、倉內壓力及液位變化、地面巡視及安全管理都職責到人，由專人負責，并成立領導小組對帶壓進倉作業施工進行總體協調。

為確保帶壓進倉作業安全有序展開，現場進倉作業人員分為3組，每3人一組，指定一人為組長，倉內作業擬定人閘一人（密切觀察氣墊倉人員安全情況且與倉外保持通訊），氣墊倉中部一人（觀察底部作業人員安全及泥漿門周邊情況，及時與底部作業人員和人閘人員聯系），氣墊倉底部一人（系好安全帶后施工作業），且制定以下工作計劃：

（1）人員清點工具（鍬、照明燈、氣體檢測儀、1／4水管、手電、頭燈、鐵釬、棉抹布、毛巾、礦泉水、相機、安全繩、對講機），確認工具準備到位，倉內外通訊正常后倉內作業人員進入人閘。

（2）打開氣墊倉氣體檢測球閥（主倉右上側），通過人閘內氣體檢測儀檢測倉內氣體，氣體檢測儀無報警后人員倉內做好加壓準備。

（3）關閉人閘倉門，操倉人員根據加壓規范開始給人閘加壓（0.2 bar／min），時刻注意倉內人員狀況（若人員感覺不適立即停止加壓，減壓后帶出倉內人員檢查救治）。

（4）加壓完畢后，對比人閘與氣墊倉壓力，確認壓力保持一致后（即1.8 bar）打開氣墊倉倉門（倉內氣體檢測儀打開再次檢測氣墊倉氣體，確認氣體檢測無報警后，等5 min后方可進入氣墊倉作業）。

（5）進入氣墊倉后，先拿強光手電筒查看倉內情況，拍照。確定能作業后，再在倉內接入照明燈。

（6）然后接好沖洗水管，對氣墊倉內平臺及爬梯上泥漿沖洗干凈，方便人員活動，避免因爬梯濕滑而跌倒。

（7）把安全繩放下去，觀察倉內底部液位和渣土情況，留下影像資料，并向倉外人員反饋倉內渣土大概情況。

（8）人員根據實際情況把渣土清理到兩側或裝袋清理倒運至人閘，然后用水沖洗干凈。

（9）清理干凈后，進行現場格柵割除作業。

（10）人員清點工具準備撤出，撤出前照明及水管都拿出倉外，關閉倉門，通知操倉人員開始減壓（0.1 bar／min）。

4.3.4 帶壓進倉作業情況及處理

（1）在開挖面形成泥膜對防止氣體泄露和維持開挖面土體穩定是氣壓開倉的關鍵因素［8］。在制漿池內制做膨潤土泥漿（黏度60～70 s、比重1.0～1.20），利用盾構的泥漿環流系統送至盾構開挖倉內，同時刀盤轉動（刀盤轉速0.9～1.2 r／min），讓原有殘留的泥漿和新鮮的泥漿充分攪拌均勻，在開挖倉內形成的良好的泥膜。

（2）泥膜制作完成后，為了確保開倉期間氣壓穩定以及檢驗供氣設備的持續供氣能力，開倉前進行保壓試驗，通過觀察氣壓的變化情況、結合在地表進行的沉降監測情況，判斷開挖倉內是否安全，然后決定人員可否進倉作業［9］。

倉內加氣置換泥漿，為了確保掌子面的穩定，開挖倉加氣的過程中應遵循壓力平衡的原則。通過環流系統，在將氣壓倉液位降至最低后，打開泥水倉和氣壓倉之間的連通閥，使氣體竄至泥水倉，并調整氣壓至進倉工作壓力設定值。最終達到泥水倉內全部為氣體填充，此時氣壓平衡掌子面水土壓力，保持壓力狀態持續 12 h［10］。

（3）在保壓過程中記錄每次空壓機加載起動時間，然后計算前后兩次補氣起動的間隔時間。通過每次空壓機補氣時間間隔變化可以判斷泥水倉氣體泄漏情況。如果保壓試驗過程中空壓機每次補氣間隔時間趨于一個穩定值，則說明通過泄漏通道的氣體量趨于穩定，倉內氣壓可基本保持平穩［11］。

（4）在開挖倉和氣墊倉的空間內，分別進行了2次從較高壓降到工作壓力的無補氣降壓試驗，目的是了解壓力變化前后氣體泄漏情況，以此判斷泥膜是否符合安全要求，人員能否舉辦進倉條件。

（5）安排測量專業人員在刀盤至盾體區域實時進行地表監測，只要監測的數據在允許范圍內，就可以正常進倉作業［12］。

（6）帶壓進倉人員進入氣墊倉后，首先對倉內整個工作情況進行判斷，如果發現氣墊倉底部渣土堆積較多，施工不便，則要按照施工前制定的計劃，先清除渣土和泥漿，然后再割除格柵，經過最短時間有序施工完成帶壓進倉作業。

①清理渣土和泥漿，泥水倉底部渣土情況見圖6。

②清理安全門周圍渣土，關閉安全門；安全門關閉后，清理底部渣土，裝袋往氣墊倉兩邊堆碼，連接排污管路，抽排底部泥漿。安全門關閉情況見圖7，氣墊倉排污管路見圖8。

圖6 泥水倉底部渣土情況

圖7 安全門關閉情況

圖8 氣墊倉排污管路

③連接水下割具，割除格柵，取出割除的格柵，并拆除使用的工具，清理裝袋渣土，編織袋取出氣墊倉，清點工具、材料，打開安全門，人員進倉檢查開啟情況，確認開啟到位后，人員出倉，完成作業。格柵割除前后對比見圖9、圖10。

圖9 格柵割除前

圖10 格柵割除后

4.4 現場同步措施

4.4.1 空壓機運行監控

盾構機配備1臺55 kW、2臺90 kW空壓機，進倉作業時開啟1臺90 kW空壓機，其余2臺空壓機備用。為保證帶壓進倉作業安全性，項目部安排專人每30 min對空壓機運行情況進行了記錄，空壓機平均一個循環8 min左右：加載1 min左右，卸載7 min左右，從而判斷出倉內泄氣量較小，保證了供氣量及氣墊倉壓力穩定，滿足帶壓進倉施工需求。

4.4.2 地面情況及處理

為保障帶壓進倉作業安全性，現場安排專人對地面支流進行巡視，發現河面有氣泡冒出，且有越來越大的趨勢。河面氣泡情況見表4。

表4 新新區間帶壓開倉河面氣泡統計

氣泡數量增多，預示氣密性受損，掌子面泥膜質量下降會影響帶壓進倉作業安全性。

現場設置警示區域，立即對支流進行截流，切斷地表水的來源；積極組織人力、物力采取裝沙袋及填壓方式對冒泡位置河道進行處理，根據氣泡出現位置和大小擴大地面及河面加固范圍；同時適當降低切口水壓，確保倉內的氣密性，保證了帶壓作業的安全性。

2017年8月20日盾構掘進至47環停機，積極籌備帶壓進倉施工方案及條件驗收，9月9日安全順利完成帶壓進倉作業施工，當晚恢復掘進。格柵割除后，掘進環流系統堵塞情況好轉，環流較進倉處理前順暢，掘進時間大大縮短且出渣更通暢，證明此次帶壓進倉工藝取得了成功。

5 結論

本文結合現場施工實際情況，針對泥水平衡盾構在黏土地層掘進排渣不暢情況，采取帶壓進倉割除排漿管格柵施工技術，并結合泥水盾構渣土分離情況，有效解決了設備設計限制造成的掘進困難問題，最終實現了盾構安全、順利地通過故黃河及其支流并完成整個區間掘進任務，為下一步類似工程施工積累了經驗。