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壓氣作業在地鐵盾構施工中的應用

廣州素有“地質博物館”之稱,南北線地質條件十分復雜,地下流砂層、地質斷裂帶、高強度花崗巖孤石等,所有不利于施工的條件在廣州地下處處皆是,其困難程度被國內外專家譽為“世界罕見”。盾構在砂卵石上軟下硬地層中掘進,刀具磨損嚴重,因此選擇合適的時機進艙對刀具進行檢查及更換就成了一項無法回避的任務。

在盾構工法施工中,進艙對刀具進行檢查處理大致有三種方法:1)加壓進入土艙進行檢查;2)對前方土體進行加固后在常壓情況下進艙檢查;3)從地面向下做豎井到刀盤前方從而實現對盾構刀具的檢查和維修。

廣州地鐵盾構施工主要采用的是土壓平衡式盾構機,在盾構時利用土艙內流動的土體來維持工作面上的土壓平衡。在施工中,碰到上軟下硬不穩定地層或者隧道上方有建筑物是常見的,刀具的檢查更換作業十分困難,直接開艙可能造成開挖面坍塌甚至引起地面的沉陷,風險很大;對前方土體進行加固,要耗費較長的時間;從地面向下做豎井到刀盤前方,地面根本沒有條件處理。在此條件下,使用人閘進行壓氣環境下刀具檢查和更換作業無疑是最佳的選擇。廣州市軌道交通三號線[天—華]區間于2004年2月成功實施了國內地鐵施工的首次壓氣作業,開艙檢查刀具或者更換刀具,取得了良好的效果。壓氣作業施工方法在廣州地鐵三號線得到積極地推廣,并使這一工法在國內逐漸走向成熟。

1 壓氣作業的原理

壓氣工法的原理是利用壓縮空氣注入隧道,萬一隧道周圍的改良土發生微小裂隙,可藉壓縮空氣的壓力抑制地下水壓,阻止地下水滲入開挖面,維持開挖面的穩定,給作業人員安全進入盾構機土艙提供條件。

壓氣對開挖面的穩定作用,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,能夠加強掌子面的穩定;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土的強度。

2 壓氣作業的地質條件

壓氣施工也并非任何地質條件都適用,由于覆土厚度、土質、地下水等條件的不同,有時壓氣施工法收不到預期的效果,采用壓氣施工法前必須仔細研究。

根據地鐵隧道的埋深,以下幾種地層比較適合壓氣作業:

1)粉砂質地基:透水性差,壓氣效果好,是適合壓氣施工的地基。只要注意覆土與壓氣氣壓的關系就不會發生噴涌現象,基本可以防止涌水。壓氣氣壓本身的支護作用,圍巖的脫水作用產生的強度也會大大增強。

2)粘土質地基:土質軟弱,開挖面不穩定時,可依靠壓氣氣壓本身的擋土作用和脫水作用使地基得到加固,故多采用壓氣法。

3)互層地基:一般的圍巖都是由各種土質的互層構成,比較復雜,地下水壓也往往被不透水層隔斷。例如,即使是砂礫或砂質層,如果開挖面的上部有粉砂或粘土等透氣性差的地層時,也是較為理想的壓氣施工地層。

3 人閘

3.1 綜述

在維護和檢查工作中,利用人閘將有關的人員和他們所需要的材料運送到土艙中,并使之處在受壓狀態下。

以德國海瑞克盾構機為例,其人閘由一個主艙室和一個副艙室組成,兩個艙室用壓力艙門隔開。主艙室依靠法蘭與直接焊接在前體艙壁板上的過渡室連接;通過艙壁上的門可以進入土艙; 副艙室連接在主艙室的側面。因此,進入主艙室必須先經過副艙室,副艙室用于在壓氣作業時的升壓和減壓過程以及緊急情況(緊急救助)。

根據艙室的容積,主艙室最多可以容納3個人,副艙室容納2個人。兩個艙室均可獨立工作,內部都裝備有如下儀器:通訊系統、排氣閥和進氣閥、計時器、壓力計、溫度計、加熱器。為了便于人閘管理員的操作,安裝有下列儀器:通向兩個艙室的排氣閥和進氣閥,通訊系統,帶式記錄系統,用于記錄人閘艙室和土艙中的壓力,人閘進氣用的流量計。排氣閥和進氣閥僅能由艙內人員在異常情況下使用。升壓和減壓過程通常由人閘管理員執行。

3.2 維護/控制

每次關門之前檢查門封,如有必要予以清理或更換;每月潤滑門的連接機構一次;在人閘使用之前,檢查是否所有的壓力計正常工作,檢查連接機構是否狀態良好;按照規范檢查帶式記錄器的功能。

3.3 安全裝置

每個艙室都有一個安全閥,用以限制最大壓力不超過3bar;還有電話和緊急電話

4 壓氣作業

4.1 進入土艙

作業人員通過人閘進入土艙檢查刀盤和刀具,同時檢查傳感器和隧道的開挖面。開挖艙被定為危險區域,作業時必須做好如下安全措施。

土艙中的作業人員應該注意巖土坍塌和地下水突涌。因此,根據地質狀況(礫石和砂質地基、地下水),停止掘進后,使用加入了膨潤土的泥漿并用刀盤攪勻,來穩定和密封隧道開挖面是非常必要的。

使用膨潤土懸浮液能起到支撐和提高土壤滲透壓力的作用,開挖面的這種密封形式稱之為“泥餅”,“泥餅”與壓縮空氣系統保持平衡,起到薄膜的作用,保證隧道開挖面的密封。

4.2 更換刀具

4.2.1 更換刀具的準備工作

1)根據地質情況和操作模式(開放模式/土壓平衡模式)將所需的物資運進土艙。

2)使用吊車或者運輸平臺將工具運進主艙(工作艙)。

3)通過控制板控制刀盤旋轉到需要的位置。

4)升降平臺、格柵平臺和起重設備的固定點均設置在盾殼上。

4.2.2 刀具的更換

為了更換刀具必須通過控制板將刀盤旋轉數次。

擰開各自的螺栓后所有刀具均能拆卸。每一次換刀后必須將螺栓再次擰緊到指定的預緊扭矩。

為了吊起并調整刀具,需要使用吊機。特別是更換滾刀時,會用到帶夾持器的起吊設備。刮刀和邊緣刮刀更換時,不需要特殊的工具。

5 壓氣作業注意事項

1)加壓操作采用分階段排土、分階段加壓的方式進行;2)工作面最終壓力要求比設定土壓力高0.1bar~0.2bar左右;

3)在開艙作業過程中,應盡量維持此壓力,并通過進氣閥的操作使氣壓的變化值控制在可控范圍之內;

4)必須確認安全后,方可進土艙工作;當開挖面有異常情況時,應立即組織工作人員退出土艙,關好艙門;

5)應設置兩條以上通訊線路,保持壓力艙內艙外、地面及外界相關單位、部門聯系暢通,如有異常,及時聯系;

6)設專人對地面房屋及地下管線進行監控和巡視;

7)在第一個作業人員進入土艙前,應持續充氣10min,以確保土艙空間內空氣新鮮;

8)作業人員必須經|中大網校|過培訓,身體檢查健康,作業前不許飲酒,作業過程中不許吸煙,不許喝含酒精的飲料;

9)作業后的6h內,作業人員不應承擔較大強度的體力運動。作業后的24h內,不許飛行和潛水,必須留在(現場)附近;

10)必須認真填寫壓氣作業時間記錄表。

6 常見問題及處理辦法

1)若換刀時刀具不慎掉入土艙內,而土艙內泥碴較多很難定位刀具及打撈時,則換刀人員進艙作業時帶上鐵鍬和編織袋,將土艙內的碴土裝袋即可。

2)若作業過程中,發生氣管爆裂、空壓機故障等問題時,首先要冷靜,想辦法穩住氣壓,同時盡快通知作業人員進入人閘以便及早減壓出來。

3)要做好各項人員安全措施及災害防治措施。對工作人員要進行全面體檢,體檢不合格的人員禁止入內。要注意壓氣作業過程中因焊接、漏電、打磨等作業可能引起火災。各種應急設備如高壓氧艙、單架等應處于準備狀態。

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