摘 要:结合广州地铁盾构施工实例,介绍了压气作业的原理及地质条件,简述了人闸的维护及安全装置等,探讨了压气作业在不稳定地层中更换刀具的情况,并阐述了压气作业中的常见 问题 及处理 方法 。关键词:压气,盾构,地层,人闸
广州素有“地质博物馆”之称,南北线地质条件十分复杂,地下流砂层、地质断裂带、高强度花岗岩孤石等,所有不利于施工的条件在广州地下处处皆是,其困难程度被国内外专家誉为“世界罕见”。盾构在砂卵石上软下硬地层中掘进,刀具磨损严重,因此选择合适的时机进舱对刀具进行检查及更换就成了一项无法回避的任务。
在盾构工法施工中,进舱对刀具进行检查处理大致有三种方法:1)加压进入土舱进行检查;2)对前方土体进行加固后在常压情况下进舱检查;3)从地面向下做竖井到刀盘前方从而实现对盾构刀具的检查和维修。
广州地铁盾构施工主要采用的是土压平衡式盾构机,在盾构时利用土舱内流动的土体来维持工作面上的土压平衡。在施工中,碰到上软下硬不稳定地层或者隧道上方有建筑物是常见的,刀具的检查更换作业十分困难,直接开舱可能造成开挖面坍塌甚至引起地面的沉陷,风险很大;对前方土体进行加固,要耗费较长的时间;从地面向下做竖井到刀盘前方,地面根本没有条件处理。在此条件下,使用人闸进行压气环境下刀具检查和更换作业无疑是最佳的选择。广州市轨道 交通 三号线[天—华]区间于2004年2月成功实施了国内地铁施工的首次压气作业,开舱检查刀具或者更换刀具,取得了良好的效果。压气作业施工方法在广州地铁三号线得到积极地推广,并使这一工法在国内逐渐走向成熟。
1 压气作业的原理
压气工法的原理是利用压缩空气注入隧道,万一隧道周围的改良土发生微小裂隙,可藉压缩空气的压力抑制地下水压,阻止地下水渗入开挖面,维持开挖面的稳定,给作业人员安全进入盾构机土舱提供条件。
压气对开挖面的稳定作用,可大致分为下述三种:1)可阻止来自开挖面的涌水,防止开挖面坍塌;2)由于气压作用于掌子面,能够加强掌子面的稳定;3)由于压气对围岩缝隙起到排挤水的作用,增加了粉砂、粘土层或含有粉砂粘土成分的砂质土的强度。
2 压气作业的地质条件
压气施工也并非任何地质条件都适用,由于覆土厚度、土质、地下水等条件的不同,有时压气施工法收不到预期的效果,采用压气施工法前必须仔细 研究 。
根据地铁隧道的埋深,以下几种地层比较适合压气作业:
1)粉砂质地基:透水性差,压气效果好,是适合压气施工的地基。只要注意覆土与压气气压的关系就不会发生喷涌现象,基本可以防止涌水。压气气压本身的支护作用,围岩的脱水作用产生的强度也会大大增强。
2)粘土质地基:土质软弱,开挖面不稳定时,可依靠压气气压本身的挡土作用和脱水作用使地基得到加固,故多采用压气法。
3)互层地基:一般的围岩都是由各种土质的互层构成,比较复杂,地下水压也往往被不透水层隔断。例如,即使是砂砾或砂质层,如果开挖面的上部有粉砂或粘土等透气性差的地层时,也是较为理想的压气施工地层。
3 人闸
3.1 综述
在维护和检查工作中,利用人闸将有关的人员和他们所需要的材料运送到土舱中,并使之处在受压状态下。
以德国海瑞克盾构机为例,其人闸由一个主舱室和一个副舱室组成,两个舱室用压力舱门隔开。主舱室依靠法兰与直接焊接在前体舱壁板上的过渡室连接;通过舱壁上的门可以进入土舱; 副舱室连接在主舱室的侧面。因此,进入主舱室必须先经过副舱室,副舱室用于在压气作业时的升压和减压过程以及紧急情况(紧急救助)。
根据舱室的容积,主舱室最多可以容纳3个人,副舱室容纳2个人。两个舱室均可独立工作,内部都装备有如下仪器:通讯系统、排气阀和进气阀、计时器、压力计、温度计、加热器。为了便于人闸管理员的操作,安装有下列仪器:通向两个舱室的排气阀和进气阀,通讯系统,带式记录系统,用于记录人闸舱室和土舱中的压力,人闸进气用的流量计。排气阀和进气阀仅能由舱内人员在异常情况下使用。升压和减压过程通常由人闸管理员执行。3.2 维护/控制
每次关门之前检查门封,如有必要予以清理或更换;每月润滑门的连接机构一次;在人闸使用之前,检查是否所有的压力计正常工作,检查连接机构是否状态良好;按照规范检查带式记录器的功能。
3.3 安全装置
每个舱室都有一个安全阀,用以限制最大压力不超过3bar;还有电话和紧急电话。
4 压气作业
4.1 进入土舱
作业人员通过人闸进入土舱检查刀盘和刀具,同时检查传感器和隧道的开挖面。开挖舱被定为危险区域,作业时必须做好如下安全措施。
土舱中的作业人员应该注意岩土坍塌和地下水突涌。因此,根据地质状况(砾石和砂质地基、地下水),停止掘进后,使用加入了膨润土的泥浆并用刀盘搅匀,来稳定和密封隧道开挖面是非常必要的。
使用膨润土悬浮液能起到支撑和提高土壤渗透压力的作用,开挖面的这种密封形式称之为“泥饼”,“泥饼”与压缩空气系统保持平衡,起到薄膜的作用,保证隧道开挖面的密封。
4.2 更换刀具
4.2.1 更换刀具的准备工作
1)根据地质情况和操作模式(开放模式/土压平衡模式)将所需的物资运进土舱。
2)使用吊车或者运输平台将工具运进主舱(工作舱)。
3)通过控制板控制刀盘旋转到需要的位置。
4)升降平台、格栅平台和起重设备的固定点均设置在盾壳上。
4.2.2 刀具的更换
为了更换刀具必须通过控制板将刀盘旋转数次。
拧开各自的螺栓后所有刀具均能拆卸。每一次换刀后必须将螺栓再次拧紧到指定的预紧扭矩。
为了吊起并调整刀具,需要使用吊机。特别是更换滚刀时,会用到带夹持器的起吊设备。刮刀和边缘刮刀更换时,不需要特殊的工具。
5 压气作业注意事项
1)加压操作采用分阶段排土、分阶段加压的方式进行;2)工作面最终压力要求比设定土压力高0.1bar~0.2bar左右;3)在开舱作业过程中,应尽量维持此压力,并通过进气阀的操作使气压的变化值控制在可控范围之内;4)必须确认安全后,方可进土舱工作;当开挖面有异常情况时,应立即组织工作人员退出土舱,关好舱门;5)应设置两条以上通讯线路,保持压力舱内舱外、地面及外界相关单位、部门联系畅通,如有异常,及时联系;6)设专人对地面房屋及地下管线进行监控和巡视;7)在第一个作业人员进入土舱前,应持续充气10min,以确保土舱空间内空气新鲜;8)作业人员必须经过培训,身体检查健康,作业前不许饮酒,作业过程中不许吸烟,不许喝含酒精的饮料;9)作业后的6h内,作业人员不应承担较大强度的体力运动。作业后的24h内,不许飞行和潜水,必须留在(现场)附近;10)必须认真填写压气作业时间记录表。
6 常见 问题 及处理办法
1)若换刀时刀具不慎掉入土舱内,而土舱内泥碴较多很难定位刀具及打捞时,则换刀人员进舱作业时带上铁锹和编织袋,将土舱内的碴土装袋即可。
2)若作业过程中,发生气管爆裂、空压机故障等问题时,首先要冷静,想办法稳住气压,同时尽快通知作业人员进入人闸以便及早减压出来。
3)要做好各项人员安全措施及灾害防治措施。对工作人员要进行全面体检,体检不合格的人员禁止入内。要注意压气作业过程中因焊接、漏电、打磨等作业可能引起火灾。各种应急设备如高压氧舱、单架等应处于准备状态。
参考 文献 :
[1]刘仁鹏.土压平衡盾构技术综述[J].世界隧道,2000(1):1-7.
[2]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西 科学 技术出版社,1997.29-30.
[3]日本土木学会.盾构标准规范(盾构篇)及解说[M].朱 伟,译.北京: 中国 建筑 工业 出版社,2001.38-41.