盾构施工换刀风险控制技术

盾构施工换刀风险控制技术

张化海

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京101100）

摘要：文章介绍了南水北调中线一期工程盾构隧道由黄河北岸竖井始发，穿越黄河3480米，至南岸竖井接收过程中的换刀风险控制方法，确保了穿黄盾构施工的安全和质量，为今后类似工程的施工提供借鉴经验。

关键词：盾构施工大断面隧洞穿越黄河风险控制

1 工程概况

南水北调穿黄工程位于河南省郑州市上游约30km处，穿黄隧洞全长4250m，其中穿越越黄河主河道长3480米，双洞平行布置，中心线间距为28m，各采用1台泥水加压平衡盾构机自北岸竖井始发向南岸掘进，穿黄隧洞最大埋深35m，最小埋深23m；断面最大水压为4.5bar 。穿黄隧洞管片外径φ8700mm，内径φ7900mm，厚400mm,环宽1600mm，最大单块重量为6.5T，采用7等分管片分块形式（穿黄工程形象示意图见图1）。

图1 穿黄隧洞形象示意图

2 换刀方案

南水北调由于一次掘进距离长，盾构机刀盘磨损问题严重，根据穿黄工程的地质特点及特殊性，经研究讨论确定采用常压修复刀盘的方案。

盾构机埋深29m，地面至28m深处为高透水的中砂层，盾构机上方1m的粉质壤土以上即为稳定性差，透水率高的砂层；刀盘全断面为粉质粘土及粉质壤土，虽然有较好的隔水性，但是长时间暴露在高水土压力中的粉质壤土的稳定性仍然不能保证。为防止在掌子面开挖和盾构常压修复刀盘作业时地下水渗透到盾构刀盘工作区域，造成刀盘周边涌水及土体塌方，

我部在盾构机周边施工一道搅拌桩防渗墙作为止水帷幕，并对盾构刀盘前部和尾部周围土体进行加固，加固采用三轴搅拌桩施工，加固全部完成后，又在止水帷幕内外对土体进行了降水。降水完成后再进行掌子面的开挖支护，最后在常压下进行刀盘修复及刀具改造的施工。

3 风险分析

盾构机刀盘所处位置地质条件相对较差、埋深较大、水土压力高，容易发生以下风险。

3.1涌水涌砂事故

⑴易发生时间：掌子面开挖期间，刀盘修复期间

⑵发生形式：

①在对掌子面的刀盘修复空间进行开挖时，掌子面或开挖空间顶部发生透水，导致盾构顶部28m的水携带大量砂涌入开挖空间，造成较大事故。

②在刀盘修复期间，如果地面降水设备出现故障，或因为其它原因，导致地下水位突然升高，开挖空间的支护衬砌承受的水土压力突然增大，外部水土有可能寻找支护衬砌的薄弱点突破并大量涌入开挖空间内。

3.2掌子面拱顶塌方

⑴易发生时间：掌子面开挖期间

⑵发生形式：开挖空间顶部仅0.5-1m厚的粉质壤土承受不住上部的水土压力而向开挖空间内部坍塌，导致上部地下水及砂涌入开挖空间。

3.3支护垮塌

⑴易发生时间：开挖支护期间、支护完成后尚未稳定时、刀盘修复期间地下水位突然升高时

⑵发生形式：

①开挖支护期间，支护顺序及支护方法不当或拆除临时支撑顺序不当、未支护完成的部分暴露时间过长有可能引起支护垮塌，造成整个开挖空间的坍塌。

②前一步支护刚刚完成尚未达到稳定状态，并未具有足够的承载能力时，错误拆除支撑或盲目进尺，容易引起未稳定的支护垮塌，如果有连带作用，整个开挖空间将发生垮塌。

③在刀盘修复期间，如果地面降水设备出现故障，或因为其他原因，导致地

下水位突然升高，开挖空间的支护衬砌承受的水土压力突然升高，支护衬砌受力

不合理，容易导致支护的垮塌。

3.4高空坠落

⑴易发生时间：掌子面开挖期间、刀盘修复期间

⑵发生形式：由于掌子面开挖空间较高，内部钢支架较多，而工作人员需经常性上下，容易发生高空坠落事故。

3.5有害气体中毒

⑴易发生时间：刀盘修复期间

⑵发生形式：刀盘修复需要大量动火作业，包括气割、焊接等，在动火作业过程中会产生大量有毒有害气体，比如二氧化碳、一氧化碳等，如果通风条件不好，工作人员长时间在此环境中作业，容易气体中毒，昏迷、晕倒、甚至生命危险。

3.6触电

⑴易发生时间：刀盘修复期间

⑵发生形式：刀盘修复过程中需要使用大量机械设备，通电线路杂且多，又因为刀盘修复空间狭小、通道狭窄，过往人员及设备较多，因此容易发生电线或机械破损漏电，而盾构机均为导电性好的钢结构，从而容易发生触电事故。

3.7爆炸

⑴易发生时间：刀盘修复期间

⑵发生形式：

①刀盘修复所用氧气乙炔等易燃易爆物品，一般会分类集中摆放，且使用频

率高。如果气瓶、气带等发生漏气，浓度达到一定限度后遇火即会发生爆炸。

②修复焊接动火作业较多，作业时的火苗、飞溅的焊渣等容易落到易燃易爆品上，如气瓶、气带等，从而烧破气带引起火灾或爆炸。

4 风险控制

4.1搅拌桩防渗及加固

为防止有较高压力的地下水进入刀盘开挖空间，形成大量涌水涌砂，并减小水土压力对刀盘修复空间的影响，防止开挖空间坍塌，我部在盾构机四周设置一圈止水帷幕，其中盾构机前方和两侧各施工一道搅拌桩防渗墙，加固深度为42

米，采用单排三轴搅拌桩套打施工，盾构机后部防渗墙采用单排三轴搅拌桩，加固深度为28.5m～42m，紧贴其所在位置的已成型隧道，尽量减少过水通道。

为防止掌子面开挖期间和常压修复及改造刀盘时，刀盘上方和前方土体失稳，对开挖空间造成较大压力，造成整个空间坍塌，我部对盾构机前方土体进行三排搅拌桩加固，加固深度为42米，对盾构机前盾上方范围进行7排搅拌桩加固,加固深度为28.5m，已增强此处土体的稳定性、隔水性及强度。

4.2防渗墙内外降水

⑴降水目的

①通过降水及时降低加固区域范围内土体的地下水位，防止高压水进入开挖区，满足加固区域刀盘前方开挖、支护等施工的要求。

②降低开挖区外的水土压力，防止掌子面开挖和刀盘修复期间发生涌水涌砂、塌方、开挖支护垮塌的现象。

③通过降水降低加固区域内外侧土体主动土压力，减少搅拌桩变形，提高桩体稳定性，缩小对周边环境的影响。

④降低刀盘修复区域的的地下水，为刀盘修复提供安全作业环境。

⑵降水井布置

图2 常压换刀降水井布置图

上图中，红色为普通深井，其中1、2、3、4、5、10、11、13#降水井深40米，7、8、12#降水井深50米，6、9#降水井深28米；绿色为观测井，其中1#为28米深，2、3#为40米深，4#为50米深；蓝色为真空降水井，沿盾构机两侧各布置4口，深40米。

①三个区域布置深井降水井：

1区为搅拌桩防渗墙内侧即盾构机头上部，目的为疏干防渗墙内砂层中的地下水，同时对粉质壤土和粉质粘土层也起到一定的疏干作用

2区为盾尾，将地下潜水水位降至20m以下，最大程度的减小防渗墙外地下水向墙内渗透的压力。

3区为盾前即盾前加固区外侧，主要用于降低砂岩层的承压水水位。

②真空深井降水布置

布置的真空降水井主要以疏干粘性土层水位目的，根据搅拌桩加固情况，真空井布置在盾构机身两侧与搅拌桩之间，以高度真空的方式疏干粘性土层的孔隙水，保障盾构机头开挖洞室的稳定及施工人员的安全。

4.3换刀作业面开挖

⑴开挖范围

开挖轮廓线

图3 拟开挖空间横断面示意图

根据经验确定的刀盘修复空间为刀盘90°开口范围内的土体，同时向刀盘外边缘扩展1m，以满足对刀盘外缘耐磨条的修复。在隧道轴线方向上，向刀盘面板前方开挖1.3m，向刀盘面板后方开挖1.2m，总开挖长度2.5m。

⑵开挖方法

盾构所处位置刀盘前方土体主要为粉质壤土、粉质粘土及钙质结核的胶结物。开挖空间最大跨度为10.68m。根据上述条件，同时考虑施工的安全性、易操作性，确定开挖方法采用中隔壁法，即CD法。

⑶支护方法

刀盘修复及换刀工作持续时间较长，需要一个稳定持久的开挖空间，而且掌子面土体较不稳定，有可能存在较丰富的地下水。因此，我部采用隧道施工中的新奥法对掌子面进行支护。

开挖采用喷射混凝土、锚杆、钢拱架、钢筋网联合支护，但不做二次衬砌。

①本次钢拱架榀间距取0.5m，共设5榀，钢架选用I20a工字钢；

②钢架连接筋：HPB235，φ20，连接筋环向间距为1m，交错布置；

③本次支护锚杆间距1m，长度3m，拱、墙均布置，而且在背面周边布置。梅花形沿钢拱架边缘布置。锁脚锚杆采用Φ20药包锚杆；

④采用的喷射混凝土设计厚度为28cm，设计强度等级为C20；

⑤支护钢筋网采用Φ8mm钢筋，钢筋网格尺寸为15cm×15cm，拱、墙布置。

⑷支护形式

图4支护整体横断面示意图

5 刀盘修复安全措施

5.1通风

通风的主要作用为置换污浊空气、稀释有害有毒气体、降低温度等，结合本次常压下修复刀盘的工作实际情况，设计通风方式为送风和抽风相结合的方式。经过计算选取合适的通风机、风管，并对其进行布置，在隧道内设置中继风机。

工 作 面 送 风 示 意 图

A

A截面

泥舱门

工作口

进风口

抽风口

图5 工作面通风示意图

5.2 焊接安全保障措施

⒈施工用电符合《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ 46-2005 ⒉电焊机械应放置在防水、干燥和通风良好的地方，并应有可靠接地。焊接现场不得有易燃、易爆物品。

3．焊接时，焊机的连接线要尽可能的尽可能近的连到焊接点上。焊机连接线绝对不能被连接到盾体上，因为这样的连接方式使焊接电流直接穿过刀盘主驱动，将导致刀盘主驱动的损坏。 5.3有毒气体监控措施

⒈每日工作前和工作中，定时对工作空间、隧道内的空气质量进行抽检，准确测定作业环境空气中的氧气浓度（不低于18%），和有毒气体的含量，根据测定结果采取相应措施，并记录所采取措施的要点及效果。

⒉在工作时如检测出氧含量不足或则有毒气体超标，应及时停止焊接施工，加大通风换气的量，必要时佩戴防毒面具。

⒊监测人员必须装备准确可靠的分析仪器，并且应定期标定、维护。 ⒋专人负责监控空气质量，以保证能及时采取相关措施。 5.4 隧洞内燃烧和焊接事故的处理

在隧洞施工过程中，要着重考虑避免某些材料燃烧而发生中毒或带来火灾的危险情况。建立以下预防及应对措施：

⒈配备完善的消防器材

⒉.对明火范围内有易燃物品进行认真清除，施工完毕不能有剩余火种，氧

气、乙炔、易燃易爆物品的放置必须符合防火规定。

3．进行焊割作业时，须将作业时产生的废气和散发的有毒气体及时排到隧洞外，同时在作业处装置有毒有害气体的测试设备，如发现有害气体浓度超过规定，马上采取相应的应急措施，组织人员安全撤离。

4.电焊机必须一机一闸并装有随机开关。一、二次电源接头处有防护装置，二次线使用线鼻子。

6 结语

经过上述安全技术措施的有效实施，穿黄盾构机刀盘修复系列工作施工期间，未发生任何安全事故，并很好的保证了施工质量及进度。

参考文献：

1、王梦恕等，《北京地铁浅埋暗挖法施工》，铁道工程学报，1998.12

2、孙钧，《地下工程设计理论与实践》，上海：上海科学技术出版社，1996

3、中铁十六局集团穿黄项目部《施工组织设计》。

作者简介：张化海，生于1958年，男，董事长。

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