大埋深富水砂卵石地層泥水盾構(gòu)施工技術(shù)

大埋深富水砂卵石地層泥水盾構(gòu)施工技術(shù)

1橋、宣武門東北部北京鐵路地下直徑線工程的支撐隧道全長52517米，采用一臺(tái)新的粘土壓力平衡裝置施工。隧道外徑為?12.04m,內(nèi)徑為?10.5m。盾構(gòu)機(jī)由天寧寺橋北的4#豎井始發(fā),沿天寧寺橋、西便門橋、宣武門西大街,到達(dá)終點(diǎn)宣武門地鐵西端。盾構(gòu)隧道穿越的地層為:圓礫,卵石土層,雜色,密實(shí),濕-飽和,一般粒徑在20~60mm,大于20mm的顆粒含量約占總重65%,亞圓形,中粗砂充填,礫石主要成分輝綠巖、砂巖;卵石粒徑自西向東由大變小,石英、沙、粘土含量自西向東逐漸增加,且地層致密,盾構(gòu)刀具磨損很快,據(jù)試驗(yàn)段盾構(gòu)施工統(tǒng)計(jì),在100~150m就需要進(jìn)行刀具檢查更換。由于施工沿線地表各類建筑物管線密布,地表沉降控制要求極高,很難實(shí)現(xiàn)在常壓下進(jìn)行刀具的檢查和更換工作,需要通過帶壓作業(yè)來完成刀具的檢查和更換工作,當(dāng)?shù)侗P磨損嚴(yán)重時(shí),需要進(jìn)行帶壓條件下切割及焊接工作。2準(zhǔn)備壓艙的準(zhǔn)備2.1技術(shù)準(zhǔn)備2.1.1確定更換刀的位置根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)的相關(guān)技術(shù)參數(shù),判斷刀具磨損情況,提前在沿線工程圖上選擇合適的換刀地點(diǎn)。2.1.2進(jìn)艙液位,根據(jù)工作需要,定進(jìn)艙壓力的確定主要根據(jù)開艙位置的水文地質(zhì)條件以及埋深等資料進(jìn)行計(jì)算,得出該位置掌子面頂部理論水土壓力值以及其他部位的側(cè)向壓力作為進(jìn)艙壓力的參考值和停機(jī)后掌子面的壓力來確定此次進(jìn)艙的工作壓力。進(jìn)艙壓力一般不低于掘進(jìn)時(shí)的頂部壓力,從帶壓作業(yè)角度考慮,進(jìn)艙壓力在一個(gè)范圍內(nèi),減壓時(shí)間是一定的,如地層條件較好或采取了加固措施,可以適當(dāng)降低進(jìn)艙作業(yè)壓力。進(jìn)艙液位根據(jù)工作需要而定:換切刀時(shí)液位可保持在55%以上,換滾刀、周邊刮刀時(shí),液位不高于40%,如需檢查破碎機(jī)、泥漿門,則液位可降至10%左右。根據(jù)液位高低適當(dāng)增加作業(yè)壓力,如掘進(jìn)時(shí)頂部壓力2.8bar,如果是泥漿充滿開挖倉,則底部壓力為4.0~4.1bar(盾構(gòu)直徑12m,12m水深產(chǎn)生壓力1.2bar),帶壓進(jìn)倉時(shí),進(jìn)倉壓力設(shè)定為2.8bar,液位50%,則底部壓力為3.4bar(6m水深產(chǎn)生0.6bar壓力),液位10%,則底部壓力只有3.0~3.1bar(1m水深產(chǎn)生0.1bar),底部過低壓力會(huì)產(chǎn)生一定危險(xiǎn),因此大直徑盾構(gòu)帶壓換刀時(shí)作業(yè)壓力應(yīng)考慮液位的影響。2.1.3掘進(jìn)灌漿為保證帶壓進(jìn)艙過程中開挖倉具有良好的氣密性,可在盾構(gòu)到達(dá)預(yù)定停機(jī)位置前3~5環(huán)提高同步注漿壓力0.2bar以增大注漿量,減少作業(yè)時(shí)氣體從盾尾后部管片背后逃逸。并注意控制掘進(jìn)姿態(tài),防止盾構(gòu)糾偏過大導(dǎo)致盾殼與地層間隙增大。為了防止長時(shí)間停機(jī)導(dǎo)致同步注漿管路內(nèi)砂漿凝固,在掘進(jìn)最后的30cm時(shí)應(yīng)將砂漿更換為高濃度泥漿,并注滿盾尾,每根管路注入泥漿量不少于0.04m3,同時(shí)開啟盾尾注脂泵,多注入油脂封閉盾尾與管片之間的空隙。掘進(jìn)完成后刀盤應(yīng)比平時(shí)正常掘進(jìn)停機(jī)多旋轉(zhuǎn)幾圈,盡量排空開挖倉內(nèi)的砂石。盾構(gòu)掘進(jìn)泥漿比重,在停機(jī)前最后幾環(huán)適當(dāng)提高并保持泥漿比重有利于掌子面泥膜的形成、減少置換泥漿次數(shù),可以節(jié)約帶壓換刀成本。隨著每次帶壓進(jìn)倉補(bǔ)漿排漿,各個(gè)泵站的密封水會(huì)進(jìn)入泥水循環(huán)系統(tǒng),使泥漿密度下降,當(dāng)泥漿密度降低至1.01~1.05時(shí)不利于掌子面的泥膜形成,就需要重新對(duì)開挖倉置換高粘度泥漿了。2.1.4注漿和高粘度豆?jié){注漿完成掘進(jìn)后,將盾尾同步注漿管路改為向中盾頂部、左右兩側(cè)注入高濃度泥漿,用于填充盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)盾殼與地層間的空隙。漿液拌制及漿液配比:膨潤土∶Ⅱ型制漿劑(堵漏劑)∶水=300kg∶150kg∶1000kg(質(zhì)量比)。泥漿比重控制在1.3以上,采用同步注漿系統(tǒng)間隔跳孔進(jìn)行注漿,注漿壓力控制比刀盤艙對(duì)應(yīng)位置的壓力大0.2bar左右,注漿速度不應(yīng)過快,防止將已經(jīng)注好的泥漿沖開,發(fā)現(xiàn)氣墊艙液位上升即停止注漿,更換位置再繼續(xù)注入。提前在泥水新漿池拌制高粘度泥漿備用,并適量添加Ⅱ型制漿劑(堵漏劑)。泥漿粘度控制在90~100Pa·s,比重1.05,總量100m3。盾構(gòu)完成中盾注高濃度泥漿后將新拌制的高粘度泥漿從新漿池通過排污管或砂漿車輸送到盾構(gòu)機(jī)1#拖車上的砂漿儲(chǔ)存罐中。將3#、4#同步注漿管連接到中盾上部的進(jìn)漿管上,通過進(jìn)漿管向開挖艙注入新制的高粘度泥漿。當(dāng)氣墊倉內(nèi)液位高于70%后開啟泥水循環(huán)系統(tǒng)緩慢將氣墊艙液位降至35%~40%,如此反復(fù)直至將100m3高粘度新漿置換完成,置換泥漿的過程中應(yīng)調(diào)整氣墊倉壓力,保持前方掌子面壓力穩(wěn)定。泥漿置換完成后轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤,刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.9r/min,刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為10~15r。其目的是攪拌開挖倉內(nèi)置換的高粘度泥漿。完成轉(zhuǎn)刀盤后開始保壓,保壓壓力應(yīng)比設(shè)定的進(jìn)艙工作壓力高0.4~0.5bar,保壓按照開挖艙中心起始?jí)毫ζ鹚?每間隔30min提高壓力0.1bar,直至達(dá)到保壓壓力,液位控制在50%。然后穩(wěn)定壓力2h,使得刀盤艙內(nèi)的高粘度泥漿充分滲入到地層中,形成很好的泥膜,防止漏氣。2.2做好進(jìn)倉和應(yīng)急處理的準(zhǔn)備工作由于帶壓進(jìn)艙作業(yè)的特殊性,作業(yè)人員要求必須身體健康,且經(jīng)過高壓潛水培訓(xùn)的人員才可以進(jìn)艙作業(yè),加壓艙操作人員必須具備高壓氧艙操作資格。進(jìn)倉人員應(yīng)保證充分休息,并熟悉進(jìn)倉工作內(nèi)容及發(fā)生故障時(shí)應(yīng)急處理。盾構(gòu)司機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)帶壓作業(yè)過程的操作。土木值班工程師負(fù)責(zé)監(jiān)控開挖倉補(bǔ)氣量并及時(shí)安排補(bǔ)漿或置換泥漿加固掌子面泥膜。井下電工負(fù)責(zé)發(fā)生故障時(shí)電氣設(shè)備的應(yīng)急處理。其他輔助人員要保證所有作業(yè)用材料、工具及時(shí)運(yùn)輸?shù)轿?并熟悉發(fā)生緊急情況時(shí)應(yīng)急處理辦法。進(jìn)倉作業(yè)時(shí)地面應(yīng)配備專業(yè)的高壓醫(yī)生及車輛,一旦發(fā)生緊急情況可以立即送醫(yī)院救治。2.3薩姆森自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)低壓系統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)自帶2臺(tái)132kW、20m3的電動(dòng)空壓機(jī),在掘進(jìn)時(shí)提供氣墊艙壓力調(diào)節(jié),并為艙內(nèi)補(bǔ)充新鮮空氣。高壓空氣的供給和調(diào)整是通過薩姆森自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)控制的。在進(jìn)倉前應(yīng)對(duì)空壓機(jī)及保壓系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng),確保設(shè)備處于最佳狀態(tài)。盾構(gòu)上配備有大功率應(yīng)急發(fā)電機(jī),可以確保停電后盾構(gòu)機(jī)基本運(yùn)轉(zhuǎn)。工具物資準(zhǔn)備見表1。3出艙、開挖倉、吸氧根據(jù)預(yù)先制定的工作方案,施工人員在專業(yè)操艙人員與專業(yè)潛水人員的配合下,進(jìn)入艙內(nèi)進(jìn)行刀具檢查、刀具更換、故障排除等作業(yè)。進(jìn)艙人數(shù)嚴(yán)格控制在3人,帶壓工作時(shí)間一般不超過1.5h,主要是由于在高壓情況下,人的體力消耗非常大,不易長時(shí)間作業(yè)。達(dá)到工作時(shí)間后操艙人員通知艙內(nèi)人員出艙,并嚴(yán)格按照國家潛水規(guī)范制定的減壓方案進(jìn)行人員減壓出艙,開挖倉如圖1所示。提前將需要更換的滾刀、切刀等工具材料放入主倉內(nèi),盾構(gòu)司機(jī)操作盾構(gòu)機(jī)排漿,降低氣墊倉氣壓,當(dāng)開挖倉頂部壓力低于進(jìn)倉設(shè)定壓力后打開氣體平衡閥,氣體從氣墊倉進(jìn)入開挖倉。降低液位至工作液位后,停止排漿,待刀盤倉、氣墊倉壓力平衡后人員準(zhǔn)備進(jìn)倉。進(jìn)倉時(shí)3名作業(yè)人員從主倉進(jìn)入并加壓,輔倉用于向倉內(nèi)運(yùn)送物資及發(fā)生意外后搶救人員使用,減壓時(shí)需要吸氧。當(dāng)人倉壓力高于氣墊倉壓力后,工作人員通過人倉門進(jìn)入氣墊倉,打開開挖倉門進(jìn)入刀盤倉進(jìn)行刀具檢查及更換作業(yè)。進(jìn)倉后先檢查掌子面情況,用高壓水清洗刀具并拍照。對(duì)需要更換的刀具進(jìn)行更換。為防止意外發(fā)生,出倉時(shí)應(yīng)關(guān)閉好開挖倉門,減壓出倉時(shí),工作人員必須根據(jù)要求吸氧,因減壓時(shí)溫度降低,人員必須準(zhǔn)備保暖,在冬天天氣寒冷時(shí)尤其要注意保溫,防止感冒及減壓病。在確認(rèn)進(jìn)倉人員進(jìn)入人倉后方可關(guān)閉平衡閥,打開排氣閥,同時(shí)向氣墊倉補(bǔ)漿,控制補(bǔ)漿速度,防止開挖倉壓力上漲過快,當(dāng)排氣閥出水后說明開挖倉已經(jīng)補(bǔ)滿漿液,保持液位50%左右后停止補(bǔ)漿,增加氣墊倉氣壓使開挖倉頂部壓力達(dá)到保壓設(shè)定壓力即可。4倉內(nèi)焊接的氣體及流量控制一般條件下是不允許在高氣壓環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)火作業(yè)的,在高壓環(huán)境下,盡管氧氣濃度與外界環(huán)境一樣保持在21%,但空氣經(jīng)過壓縮后,單位體積內(nèi)的氧氣含量實(shí)際上是增加的,如一件物品在正常大氣壓下燃燒完需要5min,在高壓環(huán)境下只需要2min就燒完了。因此高壓條件下進(jìn)行切割焊接要注意防止衣物等燃燒。焊接或切割作業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳及一氧化碳,這些廢氣需要及時(shí)排出,人員在艙內(nèi)作業(yè)時(shí)也需要呼吸新鮮空氣。如因刀盤磨損嚴(yán)重必需要帶壓進(jìn)行動(dòng)火作業(yè),除應(yīng)遵照上述帶壓進(jìn)倉步驟外,還要采取一些措施確保進(jìn)倉人員安全。在進(jìn)行地面加固時(shí)考慮設(shè)置工作井,即在刀盤正面設(shè)置一個(gè)工作空間供焊接人員進(jìn)行工作。焊接示意圖如圖2所示,焊接現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示。進(jìn)倉法蘭是最大的一根管,用于排放廢氣,另外氧氣濃度監(jiān)測(cè)儀有兩根電焊機(jī)的焊把線,中央一根為高壓水用于監(jiān)控開挖倉焊接時(shí)氧氣濃度清洗機(jī)。左側(cè)一根為人員呼吸用空氣管。水封槽是用于倉內(nèi)廢氣排減壓呼吸醫(yī)用氧匯流排出后過濾、防焊接火星、降低噪聲。焊接前在盾構(gòu)機(jī)的補(bǔ)氣管路上增加氣體流量監(jiān)控儀,用于監(jiān)控進(jìn)入開挖倉的氣體量(見圖4)。氣體流量監(jiān)控儀通過對(duì)氣體壓力、溫度、流速、管徑計(jì)算出氣體流量。一般作業(yè)時(shí),瞬時(shí)流量不超過300m3/h,如持續(xù)超過300m3/h,說明前方補(bǔ)氣量大,應(yīng)停止帶壓作業(yè)采取措施修復(fù)掌子面泥膜減少漏氣。倉內(nèi)焊接產(chǎn)生大量廢氣,所以焊接人員呼吸的空氣要使用面罩,空氣需要使用過濾減壓設(shè)備并進(jìn)行控制,如圖5所示。人員呼吸用空氣過濾裝置倉內(nèi)焊接面罩如圖6所示。焊接:焊接設(shè)備與普通焊接設(shè)備一樣,考慮到倉內(nèi)工作環(huán)境狹小,焊鉗應(yīng)盡量選擇小尺寸,搭鐵線要注意一定要搭接在刀盤上,靠近焊接點(diǎn),焊條根據(jù)刀盤材質(zhì)及刀座材質(zhì)選擇,一般采用j507rh焊條,?3.0mm用于對(duì)刀座點(diǎn)焊定位及打底焊、?4.0mm用于分層堆焊。焊接前應(yīng)將焊條放在烘干箱內(nèi)加溫至250℃以上保溫1h,使用時(shí)放在保溫桶內(nèi)帶入倉內(nèi)(注意加壓減壓時(shí)打開保溫桶防止變形),焊接電流120~180A。焊接前用高壓清洗機(jī)對(duì)焊接面清洗,并用高壓風(fēng)吹干,將刀座定位后點(diǎn)焊固定,用?3.0mm焊條鋪底焊,然后再用?4.0mm焊條堆焊V形坡口,根據(jù)坡口大小分4層堆焊,每次堆焊后用小錘子清理焊碴,待焊縫稍微冷卻后再堆焊,防止焊縫變形過大。焊接完成后采用自然冷卻1.5~2h,嚴(yán)禁用水冷卻焊縫?？紤]到耐磨要求,還要在完成分層堆焊后再堆焊一層耐磨焊。焊接作業(yè)的相關(guān)要求:帶壓環(huán)境下一般不允許同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)點(diǎn)焊接作業(yè),尤其是兩個(gè)點(diǎn)相距很近的情況,因焊碴、弧光等會(huì)對(duì)另一處焊接點(diǎn)的人員產(chǎn)生危害,作業(yè)人員除穿戴電焊作業(yè)防護(hù)用品外,還應(yīng)外罩一身防火阻燃的防護(hù)服,防止高壓環(huán)境下焊碴引燃衣物燒傷皮膚。在富水砂卵石底層條件下,很難保證不漏氣,當(dāng)掌子面漏氣量大時(shí),會(huì)導(dǎo)致開挖倉倉門不能打開(平衡管路直徑不能平衡開挖倉、氣墊倉壓力,前后壓力差達(dá)到0.2bar),必須重新讓開挖倉充滿泥漿并保壓以修復(fù)掌子面。5動(dòng)火作業(yè)注意事項(xiàng)操倉人員必須由有資質(zhì)的人員負(fù)責(zé)操作。進(jìn)倉作業(yè)要保證休息時(shí)間,一般情況下,每人每日進(jìn)倉不能超過1次。且應(yīng)保證水、高熱量食品的供給。進(jìn)倉作業(yè)前不喝碳酸類、酒精類飲料,不攜帶與工作無關(guān)的物品進(jìn)倉,如打火機(jī)、手機(jī)等。倉內(nèi)作業(yè)時(shí),先檢查掌子面情況,不得用高壓水沖洗掌子面泥膜,要注意安全,隨時(shí)與倉外保持聯(lián)系,防止跌落、碰傷,注意防止工具、刀具掉落(盾構(gòu)直徑12m,一旦發(fā)生刀具掉落,必須潛水才能打撈)。減壓時(shí)嚴(yán)格按照減壓程序吸氧,出倉后回宿舍不外出,24h內(nèi)注意有無異常反應(yīng),發(fā)現(xiàn)皮膚發(fā)癢、紅腫等應(yīng)及時(shí)匯報(bào)并進(jìn)入高壓氧艙進(jìn)行治療。作業(yè)人員在連續(xù)進(jìn)倉超過10d后應(yīng)加強(qiáng)觀察,因長時(shí)間高壓作業(yè)會(huì)使人員產(chǎn)生疲勞,更容易受傷,對(duì)有疲勞傾向的人員不得強(qiáng)行要求進(jìn)倉。應(yīng)確保設(shè)備工作正常,尤其是空壓機(jī)與供電系統(tǒng),一旦發(fā)生故障,作業(yè)人員立即撤離開挖倉,進(jìn)入人倉利用大氣罐儲(chǔ)存的氣進(jìn)行減壓,同時(shí)倉外人員按照應(yīng)