土壓/TBM雙模盾構洞內轉換刀盤技術研究

鄭 偉/ZHENG Wei

（廈門廈工機械股份有限公司，福建 廈門 361021）

隨著城市的擴張以及軌道交通的發展，盾構施工呈現出越來越多的新技術、新工法，雙模及多模盾構已然成為未來盾構的發展趨勢。雙模及多模盾構的應用能否成功，關鍵在于模式轉換能否順利進行[1]。土壓/TBM 雙模盾構可在同一期間內，通過模式轉換實現土壓平衡模式掘進和TBM 敞開模式掘進。模式轉換需要對部分結構進行改造，尤其刀盤結構的改造，將直接影響兩種模式的掘進方式。刀盤結構改造也是模式轉換的難點，需在隧道內進行有限空間的動火作業，刀盤的焊接作業產生的煙塵不易排出、氧氣含量低，需要及時通風換氣，確保作業人員人身安全。

1 刀盤焊接準備工作

在有限空間作業過程中，影響刀盤焊接效率的準備工作包含了刮渣板搬運工作和刮渣板定位工作。

1.1 刮渣板搬運工作

刮渣板的搬運是利用平板車將刮渣板運送到中前盾，利用中盾米字梁輔助吊點上的手拉葫蘆，通過2 人配合將刮渣板從螺旋輸送機機座孔內運送到刀盤土倉內（圖1）。

圖1 刮渣板運輸示意圖

1.2 刮渣板定位工作

刀盤共計6 個副梁，每個副梁定位2 塊刮渣板，將刀盤轉至圖中位置，并對副梁進行編號為1～6#。由于單塊刮渣板定位需要3h，全部12塊刮渣板全部定位完共計36h。

防止刮渣板定位不完全與其他結構剮蹭，掉落砸傷人員、器具以及電纜，刀盤轉動期間人員需完全撤離，土艙內的工具、設備、儀器、電纜要做好防護。采用先定位后焊接的方案，將導致刮渣板焊接時間延長；采用邊定位邊焊接的焊接方案，可以有效減少刀盤旋轉過程的防護時間，大大縮短焊接工期。

1）先定位、點焊1#副梁左側和4#副梁右側刮渣板（點焊至少3 段，每段長度不小于20mm）。之后定位副梁2#、3#刮渣板，同步焊接1#副梁左側和4#副梁右側刮渣板。

2）定位1#副梁右側刮渣板、焊接2#和3#副梁右側刮渣板。

3）定位4#副梁左側刮渣板、焊接2#和3#副梁左側刮渣板。

4）定位副梁5#、6#刮渣板，同步焊接1#副梁右側和4#副梁左側刮渣板。

2 刀盤改造焊接效率分析

由于刀盤改造在土壓/TBM 模式轉換過程中的工作量占比大，刀盤焊接要求高，焊接工作量大，焊接工作條件差，整體勞動強度高，對焊接效率的分析是推進模式快速轉換的關鍵因素。

式中 T——焊接基本時間，min；

L——焊縫總長度，m；

V——焊接速度，m/h；

k——難度系數，焊縫長度小于0.5 時，取k=1.1；V 型焊縫不留跟，主焊縫取k=1.1，縫底取k=0.8；環焊有工裝取k=1.3，無工裝取k=1.5；室外焊接取k=1.5～3，本文中k=3。

通過室內條件的焊接工作，在不同板厚情況下對應不同焊接位置的大量數據統計，針對V 形坡口對接焊速度及有限空間作業等不利因素，計算得出焊接速度V=0.667m/h。

刀盤總計焊縫長度L=52200mm，則

焊接按2 班×2 名焊工同時工作10h（考慮換班等因素，實際焊接時間按8h）；則需要7.34天時間完成刀盤刮渣板焊接。

3 有限空間焊接通風計算

作業人員在有限空間作業土倉內的焊接作業，需要重點考慮氧氣的補給和有害氣體的排放工作。長期進行焊接作業會產生有害氣體[3]。為保證有限空間施工過程中人員自身安全，必須采用強制性持續通風措施降低危險，保持空氣流通。

3.1 空間計算

如圖2 所示，刀盤直徑?6.47m，開口率為28%，刀盤厚度0.84m。

土倉空間為

為了增加作業空間，換模前鉸接油缸應全伸；換模時全縮回，行程為190mm，鉸接油缸回縮空間為

前盾直徑為?6.44m，鋼板厚0.06m，土倉長1.13m，前盾艙體空間為

圖2 刀盤尺寸

牛腿尺寸：0.4m×0.4m，牛腿數量6 個，焊接傾角67°，垂直長度0.79m，牛腿占據空間為

作業總空間為

3.2 通風計算

按GB/T 50299-2018《地下鐵道工程施工及驗收規范》要求，每人供應新鮮空氣不應少于3m3/min，最低風速υ=0.12～0.25m/s。隧道內同時作業人員為6 人，則供應新鮮空氣為18m3/min。

通風與排風口距離L=5150mm，則平均斷面S ＝V/L=48.4/5.15=9.4m2；通風量Q1=υS=67.68m3/min。

根據GB 16194-1996《車間空氣中電焊煙塵衛生標準》規定空氣中煙塵濃度最高容許濃度為μ=6mg/m3。

此次焊接設計使用CO2氣體保護電弧焊（實心焊絲），查表1 常見焊接發塵量[4]，煙塵產生量約為q=450～650mg/min。

表1 常見焊接發塵量

則有害氣體稀釋通風量Q1=q/μ=108.3m3/min。

按JGJ 353-2017《焊接作業廠房供暖通風與空氣調節設計規范》要求，人員所需風量不小于30m3/h/人，應保持焊接區域為負壓，送風量為排風量的80%～90%；當離工作臺2m 或2m 以內向工作地點送風時，送風溫度不宜高于45℃或低于25℃，送風出口速度不宜大于1.5～2m/s。作業人員6 人，通風量不小于30m3/min。

綜上所述計算土倉通風可取通風風速υ=0.12m/s，風量為108.3m3/min。SF（C）-No10 隧道抽出式軸流通風機，供風量為220m3/min，符合有限空間焊接作業的施工需求。

4 有限空間焊接注意事項

根據ANSIZ117.1 容器和密閉空間內安全工作要求，針對土倉內特點，制定洞內有限空間焊接注意事項如下。

1）為了防止可能存在的氣體泄露或揮發，必須將氣瓶放置在主機之外，并利用盾構本身通風設備為隧道持續通風。

2）為了減少因排風設施損壞和電擊所可能造成的危險，焊接電源也應安置在主機外。工作區應要求采用24V 低壓照明，供電線路必須采用經批準的接地保護裝置（GFCI）。

3）嚴格執行“先檢測、后作業”的原則。檢測指標包括氧濃度值、易燃易爆物質（可燃性氣體、爆炸性粉塵）濃度值、CO2等有毒氣體濃度值；空氣中含氧量應為18%～21%，若空氣中含氧量低于18%，應有報警訊號。

4）增加三級排水措施，防止掌子面突發涌水：①主機排水：在主機尾盾位置布置隔膜泵，將主機底部污水排至拖車尾部的污水箱；②土倉排水：土倉內增加一箱體濾網結構，在內部布置抽水泵，進行底部排水；③應急排水：在后配套拖車布置1 臺揚程約100m 柴油動力排水泵，將涌水直接排至洞外。

5）刀盤轉動期間人員完全撤離，防止刮渣板定位不完全與其他結構剮蹭，掉落砸傷人員、器具以及電纜。土艙內的工具、設備、儀器、電纜要做好防護，避免損傷、掉落。電纜防護：防止電纜刮傷、拉斷導致觸電。

5 結語

洞內刀盤結構改造焊接工作是土壓/TBM 雙模盾構洞內模式轉換的關鍵技術，通過焊接準備工作的研究和焊接效率分析，解決有限空間的通風問題，可提升刀盤改造的焊接速度，有效指導雙模盾構在洞內模式轉換工作。