盾構(gòu)施工換刀風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)

盾構(gòu)施工換刀風(fēng)險(xiǎn)限制技術(shù)張化海（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京101100）摘要：文章介紹了南水北調(diào)中線一期工程盾構(gòu)隧道由黃河北岸豎井始發(fā)，穿越黃河3480米，至南岸豎井接收過程中的換刀風(fēng)險(xiǎn)限制方法，確保了穿黃盾構(gòu)施工的平安和質(zhì)量，為今后類似工程的施工供應(yīng)借鑒閱歷。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工大斷面隧洞穿越黃河風(fēng)險(xiǎn)限制1工程概況南水北調(diào)穿黃工程位于河南省鄭州市上游約30km處，穿黃隧洞全長4250m，其中穿越越黃河主河道長3480米，雙洞平行布置，中心線間距為28m，各采納1臺(tái)泥水加壓平衡盾構(gòu)機(jī)自北岸豎井始發(fā)向南岸掘進(jìn)，穿黃隧洞最大埋深35m，最小埋深23m；斷面最大水壓為4.5bar。穿黃隧洞管片外徑φ8700mm，內(nèi)徑φ7900mm，厚400mm,環(huán)寬1600mm，最大單塊重量為6.5T，采納7等分管片分塊形式（穿黃工程形象示意圖見圖1）。圖1穿黃隧洞形象示意圖2換刀方案南水北調(diào)由于一次掘進(jìn)距離長，盾構(gòu)機(jī)刀盤磨損問題嚴(yán)峻，依據(jù)穿黃工程的地質(zhì)特點(diǎn)及特別性，經(jīng)探討探討確定采納常壓修復(fù)刀盤的方案。盾構(gòu)機(jī)埋深29m，地面至28m深處為高透水的中砂層，盾構(gòu)機(jī)上方1m的粉質(zhì)壤土以上即為穩(wěn)定性差，透水率高的砂層；刀盤全斷面為粉質(zhì)粘土及粉質(zhì)壤土，雖然有較好的隔水性，但是長時(shí)間暴露在高水土壓力中的粉質(zhì)壤土的穩(wěn)定性仍舊不能保證。為防止在掌子面開挖和盾構(gòu)常壓修復(fù)刀盤作業(yè)時(shí)地下水滲透到盾構(gòu)刀盤工作區(qū)域，造成刀盤周邊涌水及土體塌方，我部在盾構(gòu)機(jī)周邊施工一道攪拌樁防滲墻作為止水帷幕，并對盾構(gòu)刀盤前部和尾部四周土體進(jìn)行加固，加固采納三軸攪拌樁施工，加固全部完成后，又在止水帷幕內(nèi)外對土體進(jìn)行了降水。降水完成后再進(jìn)行掌子面的開挖支護(hù)，最終在常壓下進(jìn)行刀盤修復(fù)及刀具改造的施工。3風(fēng)險(xiǎn)分析盾構(gòu)機(jī)刀盤所處位置地質(zhì)條件相對較差、埋深較大、水土壓力高，簡單發(fā)生以下風(fēng)險(xiǎn)。3.1涌水涌砂事故⑴易發(fā)生時(shí)間：掌子面開挖期間，刀盤修復(fù)期間⑵發(fā)生形式：①在對掌子面的刀盤修復(fù)空間進(jìn)行開挖時(shí)，掌子面或開挖空間頂部發(fā)生透水，導(dǎo)致盾構(gòu)頂部28m的水?dāng)y帶大量砂涌入開挖空間，造成較大事故。②在刀盤修復(fù)期間，假如地面降水設(shè)備出現(xiàn)故障，或因?yàn)槠渌売?，?dǎo)致地下水位突然上升，開挖空間的支護(hù)襯砌承受的水土壓力突然增大，外部水土有可能找尋支護(hù)襯砌的薄弱點(diǎn)突破并大量涌入開挖空間內(nèi)。3.2掌子面拱頂塌方⑴易發(fā)生時(shí)間：掌子面開挖期間⑵發(fā)生形式：開挖空間頂部僅0.5-1m厚的粉質(zhì)壤土承受不住上部的水土壓力而向開挖空間內(nèi)部坍塌，導(dǎo)致上部地下水及砂涌入開挖空間。3.3支護(hù)垮塌⑴易發(fā)生時(shí)間：開挖支護(hù)期間、支護(hù)完成后尚未穩(wěn)定時(shí)、刀盤修復(fù)期間地下水位突然上升時(shí)⑵發(fā)生形式：①開挖支護(hù)期間，支護(hù)依次及支護(hù)方法不當(dāng)或拆除臨時(shí)支撐依次不當(dāng)、未支護(hù)完成的部分暴露時(shí)間過長有可能引起支護(hù)垮塌，造成整個(gè)開挖空間的坍塌。②前一步支護(hù)剛剛完成尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并未具有足夠的承載實(shí)力時(shí)，錯(cuò)誤拆除支撐或盲目進(jìn)尺，簡單引起未穩(wěn)定的支護(hù)垮塌，假如有連帶作用，整個(gè)開挖空間將發(fā)生垮塌。③在刀盤修復(fù)期間，假如地面降水設(shè)備出現(xiàn)故障，或因?yàn)槠渌売?，?dǎo)致地下水位突然上升，開挖空間的支護(hù)襯砌承受的水土壓力突然上升，支護(hù)襯砌受力不合理，簡單導(dǎo)致支護(hù)的垮塌。3.4高空墜落⑴易發(fā)生時(shí)間：掌子面開挖期間、刀盤修復(fù)期間⑵發(fā)生形式：由于掌子面開挖空間較高，內(nèi)部鋼支架較多，而工作人員需常常性上下，簡單發(fā)生高空墜落事故。3.5有害氣體中毒⑴易發(fā)生時(shí)間：刀盤修復(fù)期間⑵發(fā)生形式：刀盤修復(fù)須要大量動(dòng)火作業(yè)，包括氣割、焊接等，在動(dòng)火作業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體，比如二氧化碳、一氧化碳等，假如通風(fēng)條件不好，工作人員長時(shí)間在此環(huán)境中作業(yè)，簡單氣體中毒，昏迷、暈倒、甚至生命危急。3.6觸電⑴易發(fā)生時(shí)間：刀盤修復(fù)期間⑵發(fā)生形式：刀盤修復(fù)過程中須要運(yùn)用大量機(jī)械設(shè)備，通電線路雜且多，又因?yàn)榈侗P修復(fù)空間狹小、通道狹窄，過往人員及設(shè)備較多，因此簡單發(fā)生電線或機(jī)械破損漏電，而盾構(gòu)機(jī)均為導(dǎo)電性好的鋼結(jié)構(gòu)，從而簡單發(fā)生觸電事故。3.7爆炸⑴易發(fā)生時(shí)間：刀盤修復(fù)期間⑵發(fā)生形式：①刀盤修復(fù)所用氧氣乙炔等易燃易爆物品，一般會(huì)分類集中擺放，且運(yùn)用頻率高。假如氣瓶、氣帶等發(fā)生漏氣，濃度達(dá)到肯定限度后遇火即會(huì)發(fā)生爆炸。②修復(fù)焊接動(dòng)火作業(yè)較多，作業(yè)時(shí)的火苗、飛濺的焊渣等簡單落到易燃易爆品上，如氣瓶、氣帶等，從而燒破氣帶引起火災(zāi)或爆炸。4風(fēng)險(xiǎn)限制4.1攪拌樁防滲及加固為防止有較高壓力的地下水進(jìn)入刀盤開挖空間，形成大量涌水涌砂，并減小水土壓力對刀盤修復(fù)空間的影響，防止開挖空間坍塌，我部在盾構(gòu)機(jī)四周設(shè)置一圈止水帷幕，其中盾構(gòu)機(jī)前方和兩側(cè)各施工一道攪拌樁防滲墻，加固深度為42米，采納單排三軸攪拌樁套打施工，盾構(gòu)機(jī)后部防滲墻采納單排三軸攪拌樁，加固深度為28.5m～42m，緊貼其所在位置的已成型隧道，盡量削減過水通道為防止掌子面開挖期間和常壓修復(fù)及改造刀盤時(shí)，刀盤上方和前方土體失穩(wěn)，對開挖空間造成較大壓力，造成整個(gè)空間坍塌，我部對盾構(gòu)機(jī)前方土體進(jìn)行三排攪拌樁加固，加固深度為42米，對盾構(gòu)機(jī)前盾上方范圍進(jìn)行7排攪拌樁加固,加固深度為28.5m，已增加此處土體的穩(wěn)定性、隔水性及強(qiáng)度。4.2防滲墻內(nèi)外降水⑴降水目的①通過降水剛好降低加固區(qū)域范圍內(nèi)土體的地下水位，防止高壓水進(jìn)入開挖區(qū)，滿意加固區(qū)域刀盤前方開挖、支護(hù)等施工的要求。②降低開挖區(qū)外的水土壓力，防止掌子面開挖和刀盤修復(fù)期間發(fā)生涌水涌砂、塌方、開挖支護(hù)垮塌的現(xiàn)象。③通過降水降低加固區(qū)域內(nèi)外側(cè)土體主動(dòng)土壓力，削減攪拌樁變形，提高樁體穩(wěn)定性，縮小對周邊環(huán)境的影響。④降低刀盤修復(fù)區(qū)域的的地下水，為刀盤修復(fù)供應(yīng)平安作業(yè)環(huán)境。⑵降水井布置圖2常壓換刀降水井布置圖上圖中，紅色為一般深井，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；綠色為觀測井，其中1#為28米深，2、3#為40米深，4#為50①三個(gè)區(qū)域布置深井降水井：1區(qū)為攪拌樁防滲墻內(nèi)側(cè)即盾構(gòu)機(jī)頭上部，目的為疏干防滲墻內(nèi)砂層中的地下水，同時(shí)對粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)粘土層也起到肯定的疏干作用2區(qū)為盾尾，將地下潛水水位降至203區(qū)為盾前即盾前加固區(qū)外側(cè)，主要用于降低砂巖層的承壓水水位。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層水位目的，依據(jù)攪拌樁加固狀況，真空井布置在盾構(gòu)機(jī)身兩側(cè)與攪拌樁之間，以高度真空的方式疏干粘性土層的孔隙水，保障盾構(gòu)機(jī)頭開挖洞室的穩(wěn)定及施工人員的平安。4.3換刀作業(yè)面開挖⑴開挖范圍圖3擬開挖空間橫斷面示意圖依據(jù)閱歷確定的刀盤修復(fù)空間為刀盤90°開口范圍內(nèi)的土體，同時(shí)向刀盤外邊緣擴(kuò)展1m，以滿意對刀盤外緣耐磨條的修復(fù)。在隧道軸線方向上，向刀盤面板前方開挖1.3m，向刀盤面板后方開挖1.2m，總開挖長度2.5m。⑵開挖方法盾構(gòu)所處位置刀盤前方土體主要為粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土及鈣質(zhì)結(jié)核的膠結(jié)物。開挖空間最大跨度為10.68m。依據(jù)上述條件，同時(shí)考慮施工的平安性、易操作性，確定開挖方法采納中隔壁法，即CD法。⑶支護(hù)方法刀盤修復(fù)及換刀工作持續(xù)時(shí)間較長，須要一個(gè)穩(wěn)定長久的開挖空間，而且掌子面土體較不穩(wěn)定，有可能存在較豐富的地下水。因此，我部采納隧道施工中的新奧法對掌子面進(jìn)行支護(hù)。開挖采納噴射混凝土、錨桿、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，但不做二次襯砌。①本次鋼拱架榀間距取0.5m，共設(shè)5榀，鋼架選用I20②鋼架連接筋：HPB235，φ20，連接筋環(huán)向間距為1m，交織布置；③本次支護(hù)錨桿間距1m，長度3m，拱、墻均布置，而且在背面周邊布置。梅花形沿鋼拱架邊緣布置。鎖腳錨桿采納Φ20藥包錨桿；④采納的噴射混凝土設(shè)計(jì)厚度為28cm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C20；⑤支護(hù)鋼筋網(wǎng)采納Φ8mm鋼筋，鋼筋網(wǎng)格尺寸為15cm×15cm，⑷支護(hù)形式圖4支護(hù)整體橫斷面示意圖5刀盤修復(fù)平安措施5.1通風(fēng)通風(fēng)的主要作用為置換污濁空氣、稀釋有害有毒氣體、降低溫度等，結(jié)合本次常壓下修復(fù)刀盤的工作實(shí)際狀況，設(shè)計(jì)通風(fēng)方式為送風(fēng)和抽風(fēng)相結(jié)合的方式。經(jīng)過計(jì)算選取合適的通風(fēng)機(jī)、風(fēng)管，并對其進(jìn)行布置，在隧道內(nèi)設(shè)置中繼風(fēng)機(jī)。圖5工作面通風(fēng)示意圖5.2焊接平安保障措施=1\*GB1⒈施工用電符合《施工現(xiàn)場臨時(shí)用電平安技術(shù)規(guī)范》JGJ46-2005=2\*GB1⒉電焊機(jī)械應(yīng)放置在防水、干燥和通風(fēng)良好的地方，并應(yīng)有牢靠接地。焊接現(xiàn)場不得有易燃、易爆物品。3．焊接時(shí)，焊機(jī)的連接線要盡可能的盡可能近的連到焊接點(diǎn)上。焊機(jī)連接線肯定不能被連接到盾體上，因?yàn)檫@樣的連接方式使焊接電流干脆穿過刀盤主驅(qū)動(dòng)，將導(dǎo)致刀盤主驅(qū)動(dòng)的損壞。5.3有毒氣體監(jiān)控措施=1\*GB1⒈每日工作前和工作中，定時(shí)對工作空間、隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量進(jìn)行抽檢，精確測定作業(yè)環(huán)境空氣中的氧氣濃度（不低于18%），和有毒氣體的含量，依據(jù)測定結(jié)果實(shí)行相應(yīng)措施，并記錄所實(shí)行措施的要點(diǎn)及效果。

=2\*GB1⒉在工作時(shí)如檢測出氧含量不足或則有毒氣體超標(biāo)，應(yīng)剛好停止焊接施工，加大通風(fēng)換氣的量，必要時(shí)佩戴防毒面具。=3\*GB1⒊監(jiān)測人員必需裝備精確牢靠的分析儀器，并且應(yīng)定期標(biāo)定、維護(hù)。=4\*GB1⒋專人負(fù)責(zé)監(jiān)控空氣質(zhì)量，以保證能剛好實(shí)行相關(guān)措施。5.4隧洞內(nèi)燃燒和焊接事故的處理在隧洞施工過程中，要著重考慮避開某些材料燃燒而發(fā)生中毒或帶來火災(zāi)的危急狀況。建立以下預(yù)防及應(yīng)對措施：=1\*GB1⒈配備完善的消防器材=2\*GB1⒉.對明火范圍內(nèi)有易燃物品進(jìn)行仔細(xì)清除，施工完畢不能有剩余火種，氧氣、乙炔、易燃易爆物品的放置必需符合防火規(guī)定。3．進(jìn)行焊割作業(yè)時(shí)，須將作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的廢氣和散發(fā)的有毒氣體剛好排到隧洞外，同時(shí)在作業(yè)處裝置有毒有害氣體的測試設(shè)備，如發(fā)覺有害氣體濃度超過規(guī)定，立刻實(shí)行相應(yīng)的應(yīng)急措施，組織人員平安撤離。4.電焊機(jī)必需一機(jī)一閘并裝有隨機(jī)開關(guān)。一、二次電源接頭處有防護(hù)裝置，二次線運(yùn)用線鼻子。6結(jié)語經(jīng)過上述平安