前言
1.盾構(gòu)施工以其安全、快速、高效在城市基礎(chǔ)設(shè)施——城市地鐵、市政公用管路、輸油地下管道等各類地下工程建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
但是盾構(gòu)機(jī)上承擔(dān)掘進(jìn)功能的刀具是損耗件，尤其在成都砂卵石地層中進(jìn)行掘進(jìn)，刀具磨損尤為嚴(yán)重，因此，在施工中需經(jīng)常檢查、維修保養(yǎng)和更換刀具。
2005年9月9日～11日國家發(fā)改委委托北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司對《成都地鐵1號線一期工程可行性研究報(bào)告》進(jìn)行專家評審，根據(jù)土建組專家評審查結(jié)果之一。2.3條：“報(bào)告針對不同區(qū)段的具體情況，對區(qū)間隧道的施工方法進(jìn)行了分析和比較，其總體方案基本可行。報(bào)告推薦的在城區(qū)內(nèi)采用盾構(gòu)法施工、在高新區(qū)內(nèi)采用明挖法施工是合理的。但本線地質(zhì)條件復(fù)雜，盾構(gòu)施工法存在技術(shù)、工期和投資上有一定的風(fēng)險(xiǎn)，必須引起足夠的重視，建議盡快展開盾構(gòu)法的工程試驗(yàn)”的評審意見及2006年2月14日～17日中國交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)城市軌道交通專業(yè)委員會(huì)對成都地鐵1號線一期工程初步設(shè)計(jì)評審意見（土建組），成都地鐵1號線一期工程盾構(gòu)區(qū)間最終共投入盾構(gòu)機(jī)8臺(tái)，分為4個(gè)標(biāo)段進(jìn)行施工。綜合審查時(shí)國內(nèi)權(quán)威專家對成都富水沙卵石地層特殊地質(zhì)條件的分析以及成都地區(qū)首次采用盾構(gòu)工法進(jìn)行城市地下暗挖隧道修建的實(shí)際情況，我們充分考慮了盾構(gòu)工法在成都地層中施工存在的風(fēng)險(xiǎn)，并將這些情況及時(shí)與承包商和盾構(gòu)機(jī)設(shè)備制造商進(jìn)行了充分的溝通。通過廣泛的研討、論證，最終采用了目前小開口、滾刀為主配以部分齒刀、刮刀的輻條面板結(jié)構(gòu)型式的海瑞克盾構(gòu)機(jī)，從目前已推進(jìn)的區(qū)間的情況來看，這樣的盾構(gòu)機(jī)配置型式有利于保持開挖面的穩(wěn)定，有利于破碎大粒徑的砂卵石，有利于防止掘進(jìn)過程中噴涌的發(fā)生，掘進(jìn)的總體進(jìn)度也基本在我們籌劃的范圍內(nèi)。然而，由于地層中沙卵石含量確實(shí)太多，導(dǎo)致了配置的各類型刀具在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生了極大的磨損，據(jù)我們統(tǒng)計(jì)，140米左右就要對刀具進(jìn)行更換，否則無法繼續(xù)掘進(jìn)。目前國內(nèi)外采用的刀具更換手段主要有常壓開倉換刀和帶壓換刀兩種方法：
土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)主要通過利用土艙內(nèi)的碴土來維持工作面上的土壓平衡。但在檢查、更換刀具的時(shí)候，必須清理出土倉內(nèi)的碴土以提供工作空間，原有的土壓平衡被打破。因此維持更換刀具時(shí)的土壓平衡，保持掌子面土體穩(wěn)定成為亟需解決的問題。
為維持掌子面土體穩(wěn)定，常有的方法有降水加固法、注漿加固法、圍護(hù)樁（如人工挖孔樁）加固法、帶壓加固法。由于各種加固方法具有有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，需要根據(jù)不同的施工條件選用合理的換刀模式。
2.國內(nèi)常用換刀模式國內(nèi)上海、廣州、北京等地均有大量的盾構(gòu)隧道施工工程，根據(jù)各地不同的地質(zhì)條件，采用不同的換刀模式。
上海地區(qū)為軟土地層，土體強(qiáng)度低，對盾構(gòu)刀具磨損較小，通常不需要更換刀具。廣州地質(zhì)條件較為復(fù)雜，號稱地質(zhì)博物館，既有自穩(wěn)定性高的花崗巖層，又有自穩(wěn)定性低的泥質(zhì)粉砂巖層，因此更換刀具的模式也變化不一，有直接開倉、地基加固、帶壓、開挖豎井等多種換刀模式。
直接開倉換刀，就是在地基承載力較高、掌子面穩(wěn)定性比較好的條件下，不采取任何加固方法，直接排空土倉內(nèi)土體，進(jìn)入土倉更換刀具。這種方法適用于掌子面穩(wěn)定性較好的情況。
降水加固，就是從地面施做降水井，通過降水實(shí)現(xiàn)土體固結(jié)，從而提高掌子面土體穩(wěn)定性。
地表注漿加固，就是從地表向地基注入水泥漿液（或其它加固漿液）加固土體，提高掌子面土體穩(wěn)定性。
圍護(hù)樁加固，就是在掌子面周圍施做圍護(hù)樁，直接保證掌子面穩(wěn)定。
帶壓加固，就是通過向土倉注入壓縮空氣，以氣壓平衡代替土壓平衡來穩(wěn)定掌子面。
3.帶壓換刀原理及國內(nèi)外應(yīng)用
3.1帶壓工作原理帶壓進(jìn)倉檢查、維修保養(yǎng)和更換刀具和刀盤的工作原理是：在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)對刀盤前方地層改良或加固處理后，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，利用空氣壓縮機(jī)將空氣加壓，并注入土倉，以氣壓代替土壓，通過在土艙內(nèi)建立合理的氣壓來平衡刀盤前方水、土壓力，達(dá)到穩(wěn)定掌子面和防止地下水滲入。作業(yè)人員在氣壓條件下進(jìn)入土艙，進(jìn)行檢查、維修保養(yǎng)和刀具更換等過程作業(yè)。
壓氣對開挖面的穩(wěn)定作用，可大致分為下述三種：
1）可阻止來自開挖面的涌水，防止開挖面坍塌；
2）由于氣壓作用于掌子面，能夠直接加強(qiáng)掌子面的穩(wěn)定；
3）由于壓氣對圍巖縫隙起到排擠水的作用，增加了粉砂、粘土層或含有粉砂粘土成分的砂質(zhì)土的強(qiáng)度。
由于氣壓換刀全部在洞內(nèi)實(shí)施，不會(huì)對地表交通造成干擾。
3.2國內(nèi)外類似工程縱觀盾構(gòu)施工發(fā)展歷史，全敞開式盾構(gòu)適于切削能自立的地層，擠壓盾構(gòu)易引起地層隆起或沉降僅適用于軟土地層，而封閉式盾構(gòu)，即泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)，能克服上述弊病從而越來越多地被選用。
1）就我國國內(nèi)而言，目前多采用泥水盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)來開挖城市地鐵區(qū)間隧道、鐵路和公路過江隧道以及輸油（氣）和各種市政管道。目前泥水和土壓平衡盾構(gòu)施工工程實(shí)踐中，進(jìn)倉對刀具進(jìn)行檢查處理通常有三種方法：
?、偌訅哼M(jìn)入土艙進(jìn)行檢查；
②對前方土體進(jìn)行加固后在常壓情況下進(jìn)艙檢查；
③從地面向下做豎井到刀盤前方從而實(shí)現(xiàn)對盾構(gòu)刀具的檢查和維修。在我國地鐵盾構(gòu)施工中，大部分施工單位由于尚未掌握盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)或盾構(gòu)機(jī)配置不足，采取的是后兩種方法。僅有極少部分施工單位在工程中采用帶壓進(jìn)倉模式來進(jìn)行檢查、維修保養(yǎng)和刀具更換等作業(yè)。例如：
廣州地鐵四號線小谷圍至新造區(qū)間左線江底盾構(gòu)于2005年6月實(shí)施了帶壓換刀操作；
2006年12月開工的宜昌長江穿越隧道工程（川氣東送）使用德國海瑞克泥水加壓盾構(gòu)機(jī)施工，帶壓進(jìn)艙修復(fù)磨損刀盤和更換刀盤主軸承密封；
2003年底廣州地鐵三號線天河客運(yùn)站至華師站區(qū)間，在1.6-1.8bar壓力下進(jìn)倉破除卡住刀盤的孤石；
中鐵隧道集團(tuán)在武漢長江隧道盾構(gòu)施工中，首次自主實(shí)現(xiàn)高水壓帶壓作業(yè)技術(shù)（4.5bar壓力下帶壓作業(yè)）。
總之，國內(nèi)各盾構(gòu)施工單位和地鐵建設(shè)單位都在積極探索和研究不同地層條件下的帶壓換刀技術(shù)，雖然已經(jīng)取得了一定的成果，但需要進(jìn)一步總結(jié)推廣。
2）就國外而言，有更多的帶壓進(jìn)倉檢查、維護(hù)和更換刀盤刀具的工程實(shí)例[4]（表1），帶壓換刀已經(jīng)作為常規(guī)操作，廣泛應(yīng)用于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水盾構(gòu)機(jī)，尤其是在越江跨海隧道等不具備常壓換刀的條件時(shí)，多采用氣壓換刀。
2000-2003，葡萄牙波爾圖地鐵S線和C線盾構(gòu)區(qū)間施工中，由于刀具磨損嚴(yán)重，幾乎每班都需要帶壓進(jìn)倉對刀盤進(jìn)行維護(hù)操作，其帶壓工作壓力為1.5-2.0bar；
西班牙巴塞羅那地鐵9號線，帶壓工作壓力為0.5-2.5bar；
德國 Elbe4 號隧道在由砂、泥灰?guī)r和漂石組成的第四系冰磧層中使用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，開挖直徑14.2m，淺埋（最淺7m）深水（水頭最大達(dá)4.2bar）。在河底最深處需要進(jìn)倉更換中心刀進(jìn)行修復(fù)，工人在4-4.5bar 壓力下最多工作80 分鐘，出倉減壓必須在氧艙中進(jìn)行，需要2個(gè)小時(shí)。全線總計(jì)進(jìn)行了2738小時(shí)帶壓操作，其中237小時(shí)壓力大于3.6bar.21次有人員報(bào)告出現(xiàn)減壓病癥狀，都是壓力小于3.6bar情況下出現(xiàn)的。
德國Weser隧道使用泥水盾構(gòu)（直徑11.71m）在冰川沉積物中施工，隧道頂拱距海最深40m.在最大5bar和4.5bar壓力下進(jìn)倉維護(hù)破碎機(jī)和刀盤，此外還雇用潛水員在最大5bar壓力下的膨潤土漿液中工作。全線帶壓工作共計(jì)1400小時(shí)，其中600小時(shí)壓力超過3.6bar，僅有15次報(bào)告出現(xiàn)減壓病，且壓力都小于3.6bar.
俄羅斯圣彼得堡紅線地鐵在松軟低塑性的粘土、粉砂土和細(xì)砂土中施工時(shí)，隧道頂拱距離地面65m，凈水壓力5.6bar.在土倉空氣壓力為5.5bar情況下，人員穿戴呼吸面具進(jìn)倉作業(yè)，工作1.5小時(shí)，減壓時(shí)間5小時(shí)左右。一天只有4.5小時(shí)的倉內(nèi)工作時(shí)間。
許多歐洲國家也出臺(tái)了一些關(guān)于隧道等帶壓進(jìn)倉作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，例如：
澳大利亞國家標(biāo)準(zhǔn)（編號：4773.1－2003）：隧道、豎井和沉箱中帶壓作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（AS4774.1－2003，Australian Standard TM Work 年compressed air and hyperbaric facilities－Work in tunnels，shafts and caissons）[5]
英國隧道工程協(xié)會(huì)，健康安全行政部門（HSE）以及衛(wèi)生研究協(xié)會(huì)降壓病小組起草的一些壓氣下作業(yè)的專門章程[6，7].
上述有關(guān)國外使用泥水或土壓平衡盾構(gòu)開挖隧道時(shí)帶壓進(jìn)倉進(jìn)行維護(hù)作業(yè)的工程實(shí)例及相關(guān)規(guī)范和研究成果說明：國外公司不但能在3.6bar以下的空氣壓力中實(shí)現(xiàn)帶壓維護(hù)作業(yè)，而且能在高達(dá)6.0bar的空氣壓力下作業(yè)。一方面表明帶壓特別是高壓下作業(yè)在國外工程中已經(jīng)相當(dāng)普遍，另一方面也說明要掌握盾構(gòu)帶壓作業(yè)技術(shù)，我國還需要更多的嘗試和研究。
3.3氣壓平衡穩(wěn)定性保障
3.3.1氣壓力值確定為了保證掌子面，必須提供足夠的氣壓來平衡掌子面水土壓力。因此需要盾構(gòu)隧道埋深、水位條件、地層物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算氣壓值。氣壓值按照靜止土壓力計(jì)算，這時(shí)土壓力偏于安全。
3.3.2氣體壓力穩(wěn)定性保障開挖倉內(nèi)氣壓穩(wěn)定，需要從土工（漏氣）和機(jī)電（進(jìn)氣）等兩個(gè)主要方面來保障。
（1）土工系統(tǒng)方面
在進(jìn)行帶壓換刀作業(yè)前，為評價(jià)天然土體的空氣散失程度以及加入添加劑對地層氣體滲透性的影響，需要在預(yù)計(jì)停機(jī)地點(diǎn)附近進(jìn)行地層壓氣現(xiàn)場試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出在開挖掌子面上施加某壓力的壓縮空氣時(shí)的氣體損失量及其變化，并評價(jià)開挖倉為半倉渣土或空倉情況下加入添加劑后地層的氣體防滲效果。
制定一套完整可靠的開挖程序。該開挖程序需在預(yù)計(jì)帶壓開倉檢修刀具里程之前5-10 環(huán)執(zhí)行。確保土倉及盾尾氣密性能，防止漏氣。
加氣過程中派人檢查地面有無漏氣的工程或市政管井等可能存在的漏氣邊界，并評價(jià)氣體泄漏的可能性及其影響，及時(shí)采取有效措施。對不能采取措施的，要求避開此區(qū)域進(jìn)行氣壓換刀操作。
（2）機(jī)電系統(tǒng)方面
啟動(dòng)操作程序前詳細(xì)檢查盾構(gòu)機(jī)及其后備套系統(tǒng)，確保機(jī)器的安全運(yùn)作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)解決。
啟動(dòng)操作程序前詳細(xì)檢查壓縮空氣系統(tǒng)。
檢查空氣壓縮機(jī)器避免出現(xiàn)過高或過低于土倉內(nèi)設(shè)定壓力值。需派專人值守空氣壓縮機(jī)，發(fā)現(xiàn)問題立即報(bào)告。
3.3.3氣壓穩(wěn)定和氣壓異常情況下掌子面穩(wěn)定性評估開挖倉內(nèi)氣壓置換土壓并出渣至設(shè)定水平之后，需要等待并觀察一段時(shí)間，看土倉內(nèi)氣壓是否穩(wěn)定。
當(dāng)氣壓穩(wěn)定且變幅不超過0.02bar時(shí)，需要先組織有經(jīng)驗(yàn)的巖土工程師帶壓進(jìn)入開挖倉，對掌子面的穩(wěn)定性進(jìn)行評估。
當(dāng)開挖倉內(nèi)氣壓變幅較大，不很穩(wěn)定時(shí)，說明掌子面或盾體周邊泥膜沒有很好形成，需要重新掘進(jìn)離開現(xiàn)有擾動(dòng)區(qū)后再進(jìn)行試驗(yàn)。
4.換刀模式比較
4.1換刀加固要求要滿足成都地鐵高效、安全、順利地進(jìn)行施工，換刀加固模式必須滿足以下條件。
?、儋M(fèi)用低；
②加固有效可靠；
?、坌矢撸茉诙虝r(shí)間內(nèi)達(dá)到加固效果；
?、芗庸滩粫?huì)對刀盤、刀具產(chǎn)生凝固；
?、荼M量不占用地表；
在成都鬧市區(qū)施工地鐵，首先得盡量減小對城市交通的影響，因此在選擇換刀模式的時(shí)候，我們也充分考慮了如何降低對地面環(huán)境的影響，避免擾民。
4.2換刀模式比較針對成都地區(qū)富水砂卵石地層的特點(diǎn)，結(jié)合4個(gè)標(biāo)段前期掘進(jìn)情況，我們綜合有以下幾種換刀模式：
（1）直接開倉換刀模式
由于成都砂卵石地層，自穩(wěn)定性較低，且地下水位較盾構(gòu)隧道高，不可能直接進(jìn)入土倉，該方法不可行。
?。?）降水加固模式
降水方法簡單可行，但面臨的是地層不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。由于，由于成都砂卵石地層自穩(wěn)定性較低，短時(shí)間內(nèi)可以自穩(wěn)，一旦時(shí)間過長，地層失穩(wěn)就面臨坍塌的危險(xiǎn)。實(shí)踐已經(jīng)證明，僅靠降水加固換刀在市區(qū)施工時(shí)是不可行的。
?。?）地表注漿加固
地表注漿一定程度上可以加固地層，加固效果較降水加固好，但需要在地表操作，因此，一方面，受地表?xiàng)l件的限制。另一方面，該地層密實(shí)，注漿效果不佳，多次實(shí)踐證明，加固之后地表仍可能出現(xiàn)坍塌，此法不能保證更換刀具的安全及地表要求。
?。?）圍護(hù)樁加固
成都地區(qū)通常采用人工挖孔樁作為圍護(hù)樁。人工挖孔樁加固能保證換刀的安全穩(wěn)定。 但是存在以下缺點(diǎn)：
?、贅兜睦锍桃状_定 .若加固位置確定的稍不合適，盾構(gòu)還沒到樁的里程的情況下刀具就已經(jīng)磨損的無法掘進(jìn)，在這種情況下，強(qiáng)制進(jìn)行掘進(jìn)，或者將刀盤磨壞，或者多出渣，同樣也造成地表坍塌。
?、诔杀靖?、施工工期長。施工人工挖孔樁成本相對較高，而且施工工期較長。
?、凵婕安块T廣。人工從地表挖孔的方式涉及到交通、市政管線、房屋、地表恢復(fù)等，并且出渣、進(jìn)料又關(guān)系到環(huán)保等部門。
?、軐χ車h(huán)境影響較大。按目前的情況，換刀的距離一般都在150m之內(nèi)。在如此短的距離內(nèi)進(jìn)行挖孔樁施工，無疑于對道路進(jìn)行開膛破肚，對市民生活的影響不亞于地表坍塌。
⑤地表?xiàng)l件限制。由于地鐵盾構(gòu)隧道線路大都是在市區(qū)繁華地段，不具備人工挖孔樁的條件。
?、蘖粼诘叵碌臉痘o以后的市政工程造成不可預(yù)料的危害與風(fēng)險(xiǎn)。
?、呶茨荏w現(xiàn)盾構(gòu)對環(huán)境影響小的先進(jìn)性。
（5）氣壓加固
5.結(jié)論及對策
帶壓換刀技術(shù)是其它同類型盾構(gòu)特別是穿越溝渠、河流、海底等特殊地理環(huán)境時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)中換刀的主要手段，但成都地層的砂卵石透氣性高的特點(diǎn)及地鐵線路淺埋的工況決定了帶壓換刀手段很艱難，存在諸多不確定因素，特別是在城市主干道上帶壓換刀，風(fēng)險(xiǎn)極其巨大，一旦失敗將帶來災(zāi)難性的后果?？紤]到這一點(diǎn)，我們在前期均采用降水輔以地面加固手段為主的常壓開倉的換刀辦法，通過一段時(shí)間的實(shí)踐，該方法無論是從操作的安全性、換刀的工效等方面均非常適合成都的地層特點(diǎn)。但是這種換刀手段一個(gè)最主要的缺點(diǎn)是給地面環(huán)境帶來了影響，干擾了地面交通。目前，我們在盾構(gòu)3標(biāo)（由中鐵二局負(fù)責(zé)施工）試驗(yàn)探索在成都地層帶壓換刀的可行性，已取得了12次成功，可以說已基本取得成功。下階段，我們將繼續(xù)探索，在換刀過程中擬采取局部封閉部分交通等安全保障措施，在措施保障、安全應(yīng)急處理等方面做到萬無一失下階段我們將在機(jī)器開口、刀具配置及螺旋輸送機(jī)類型等機(jī)器配置方面盡可能與工程的安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資進(jìn)行有機(jī)統(tǒng)一，逐步減少換刀次數(shù)。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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