5鑒定技術(shù)五：砂卵石地層帶壓換刀技術(shù)研究

鑒定技術(shù)文件之五砂卵石地層帶壓換刀技術(shù)研究鑒定技術(shù)文件之五砂卵石地層帶壓換刀技術(shù)研究砂卵石地層帶壓換刀技術(shù)研究1研究背景成都地鐵1號線的掘進情況表明，在砂卵石地層中開挖刀具的磨耗問題是困擾掘進的一大難題。一般而言，盾構(gòu)平均掘進150m左右就需更換一次刀具，土壓盾構(gòu)的磨損情況比泥水盾構(gòu)更加嚴(yán)重。當(dāng)盾構(gòu)刀具出現(xiàn)嚴(yán)重磨損后，必須對其進行更換，而且應(yīng)盡量在滾刀只磨損在刀圈的時候進行主動換刀，避免對滾刀刀鼓及盾構(gòu)刀盤造成破壞，造成更大的損失。因此，換刀也成為盾構(gòu)施工過程中必不可缺少的一項工作，這項工作的關(guān)鍵并不在換刀本身，而是換刀環(huán)境的可實施性。成都地鐵施工因其獨特的高富水砂卵地層，由于開挖面的不穩(wěn)定及存在大量地下水涌入盾構(gòu)機的可能性，使換刀這一程序更復(fù)雜化，換刀施工的難度也變得非常大。如采取措施不當(dāng)，在更換刀具時地表極易發(fā)生不同程度的坍塌和沉陷，給城市交通、市政造成了很大的影響。也嚴(yán)重的影響了地鐵工程在市民中形象。2換刀問題的提出2.1砂卵石地層坍塌機理 2.1.1砂卵石地層特點砂卵石是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，顆粒之間的孔隙大，幾乎沒有粘聚力；砂卵石地層在無水狀態(tài)下，顆粒之間點對點傳力，地層反應(yīng)靈敏，刀盤旋轉(zhuǎn)切削時，地層很容易破壞原來的相對穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而產(chǎn)生坍塌，引起較大的圍巖擾動，使開挖面和洞壁失去約束而產(chǎn)生不穩(wěn)定。根據(jù)詳堪資料，成都的砂卵石地層有以下幾個特點：(1)地層受外界的擾動敏感。原狀圍巖在不擾動的情況下能保持較好的穩(wěn)定狀態(tài)，特別是在無水的情況下，這一點在成都的基坑開挖工程中已經(jīng)得到很好的驗證。但一經(jīng)擾動，極易坍塌。(2)單個巖塊強度高。試驗數(shù)據(jù)表明，單個卵石塊單軸抗壓強度可高達150～170MPa。(3)圍巖的內(nèi)摩擦角Ф大。據(jù)《詳勘》數(shù)據(jù)，內(nèi)摩擦角在不改良的情況下在40°左右。2.1.2掌子面坍塌機理及過程分析刀盤的轉(zhuǎn)動，對地層有一定擾動作用，將會在刀盤的前方、上方形成一松散帶。因此坍塌過程為如下幾步：（1）刀盤前上方圍巖松散（如圖2.1）。（2）換刀過程中松散渣土進入土倉，在刀盤前上方造成地層損失δ（如圖2.2）；（3）由于該地層的內(nèi)摩擦角Ф較大，因此，有一定的拱效應(yīng)。（4）在拱效應(yīng)的作用下，該地層損失δ進一步向地表轉(zhuǎn)移（如圖2.3）。（5）最終反映到地表，造成地表坍塌（如圖2.4）。在更換刀具時，上部松散范圍內(nèi)的砂卵石就會進入土倉，如圖2.1所示。此時上部的圍巖就會失去支撐，從而一步步坍塌到地表，如下圖所示。圖2.1開挖面前上方圍巖狀態(tài)圖2.2刀盤前上方松散渣土落入土倉造成地層損失圖2.3地層損失進一步向上發(fā)展圖2.4最終造成地表塌陷在施工時遇到的渣土從土倉涌入而造成的刀盤上方形成空洞，最終導(dǎo)致地層沉降的情況如圖2.5-2.7所示。圖2.5松散帶的渣土從刀盤開口涌入土倉照片圖2.6前方松散帶坍塌之后開挖面前上方的空洞照片圖2.7地表坍塌照片2.2常用換刀模式及比較成都地鐵施工中主要使用的是德國海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡盾構(gòu)，施工時主要是通過利用土倉內(nèi)的碴土來維持工作面上的土壓平衡。在檢查、更換刀具的時候，需清理出土倉內(nèi)的碴土以提供工作空間，原有的土壓平衡被打破，這就必須通過一種合適的方法，來保持開挖面土體穩(wěn)定，這也是換刀作業(yè)中最為關(guān)鍵、也最容易出現(xiàn)工程事故環(huán)節(jié)。為維持盾構(gòu)停機時開挖面土體穩(wěn)定，常有的方法有降水加固法、注漿加固法、圍護樁（如人工挖孔樁）加固法、氣壓加固法等。由于各種加固方法具有各自優(yōu)缺點，因此，需要根據(jù)不同的施工條件選用合理的換刀模式，在選用時要綜合考慮以下幾方面要求：（1）費用低：由于砂卵石掘進中，刀具磨損嚴(yán)重，必須頻繁的檢查和更換刀具。這就要求加固成本較為經(jīng)濟。（2）加固效果良好：加固既要保證土倉內(nèi)作業(yè)工人的安全，又要控制地表變形。因此，必須要有良好的效果，保證開挖面土體的穩(wěn)定性，防止其坍塌。（3）效率高，施工周期短：加固方法必須高效，以減少對盾構(gòu)施工進度的影響。（4）盡量不占用地表：減少對市民生活的影響，爭取做到不擾民施工。在實際操作中，各施工單位會根據(jù)各地不同的地質(zhì)條件及所處環(huán)境要求，采用不同換刀模式，現(xiàn)簡要介紹如下：（1）直接開倉換刀：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。（2）降水加固：從地面施工降水井，通過降水使土體固結(jié)，從而提高掌子面土體穩(wěn)定性。（3）地表注漿加固：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。（4）圍護樁加固：在掌子面周圍施做圍護樁，直接保證掌子面穩(wěn)定。氣壓加固：通過向土倉注入壓縮空氣，以氣壓平衡代替土壓平衡穩(wěn)定掌子面。針對成都地區(qū)富水砂卵石地層的特點，結(jié)合本標(biāo)段前期施工時換刀的實際情況，對上述幾種換刀模式在成都的適應(yīng)性進行總結(jié)分析：（1）直接開倉換刀模式：由于成都為砂卵石地層，自穩(wěn)定性較低，且地下水位較盾構(gòu)隧道高，不可能直接進入土倉，該方法經(jīng)分析認為不可行。（2）降水加固模式：降水方法較為簡單，但面臨的是地層不穩(wěn)定的風(fēng)險。由于成都砂卵石地層自穩(wěn)定性差，短時間內(nèi)可以自穩(wěn)，一旦時間過長，地層失穩(wěn)就面臨坍塌的危險。實踐已經(jīng)證明，僅靠降水加固換刀在市區(qū)施工時是不可行。（3）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，受地表條件的限制。另一方面，該地層密實，注漿效果不佳，多次實踐證明，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。（4）圍護樁加固：成都地區(qū)通常采用人工挖孔樁作為圍護樁。人工挖孔樁加固能保證換刀的安全穩(wěn)定。但是通過工程實踐及綜合分析，發(fā)現(xiàn)存在以下缺點：①樁的里程不好確定若加固位置確定的稍有不適，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，在這種情況下，強制進行掘進，或者將刀盤磨壞（隧道局泥水的先例），或者多出渣，同樣也造成地表坍塌。②成本高、涉及部門廣從地表挖孔的方式涉及到市政的管線、房屋、民居、地表恢復(fù)等，并且出渣、進料又關(guān)系到環(huán)保等部門。③影響地鐵工程的形象按目前的情況，換刀的距離一般都在150m之內(nèi)。對于四公里多的區(qū)間標(biāo)段來說，至少要進行30次的占道進行挖孔樁的施工。在道路中間占道進行“開膛破肚”的作業(yè)，無異于目前的換刀造成的地表坍塌。④地表條件限制由于地鐵線路大部分都是在市區(qū)人多地段大多數(shù)地方不具備人工挖孔樁的條件。⑤一號線的試驗功能未能體現(xiàn)地鐵1號線建設(shè)的目的之一就是對成都地鐵建設(shè)的各種工法進行試驗、摸索。如果目前地下的加固方式還沒摸索好就直接從地表進行挖孔處理，也就失去了試驗線的意義，不能為后續(xù)線路作為做技術(shù)儲備。⑥留在地下的樁基給以后的市政工程造成不可預(yù)料的危害與風(fēng)險。⑦未能體現(xiàn)盾構(gòu)的先進性地鐵沿線每一百多米就要進行兩次地表的開挖作業(yè)，給市民生活帶來嚴(yán)重不便，未能實現(xiàn)地鐵工程的不擾民。⑧給城市交通帶來問題本來成都的城市交通就夠擁堵，如果成都地鐵全面開建，試想：在城市的主干道上每隔一百多米就要有兩次的占道開挖施工，對整個成都的交通將帶來不同程度的影響。（5）氣壓加固氣壓加固不占用地表，而且具有費用較低、效率較高的特點。但是由于該施工工藝要求相對較高，且由于成都地層的特殊性，風(fēng)險極大。但經(jīng)過中鐵十三局成都地鐵一號線項目部的多次試驗和實踐，在砂卵石地層成功的解決了帶壓換刀的技術(shù)難題，并在目前成功使用多次。本報告將主要對帶壓換刀的相關(guān)理論和實踐進行研究和分析。對上述適應(yīng)性進行整理見表2.1。表2.1換刀模式分析比較序號換刀模式加固效果對地面直接影響成本工期技術(shù)難度及風(fēng)險1直接開倉換刀最差較小較低較短不可行2降水加固模式差大低短低3地表注漿加固較差大較高較長低4圍護樁加固較好大高長低5氣壓加固較好較小較低較短高3.帶壓換刀基本原理及國內(nèi)外應(yīng)用3.1帶壓換刀原理在盾構(gòu)機內(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倉滿足氣密性要求的條件下，利用空氣壓縮機將空氣加壓，并注入土倉，以氣壓代替土壓，通過在土倉內(nèi)建立合理的氣壓來平衡刀盤前方水、土壓力，達到穩(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入土倉，進行檢查、維修保養(yǎng)和刀具更換等過程作業(yè)。簡單而言，壓氣對開挖面的穩(wěn)定作用，可分為下述三種：（1）可阻止來自開挖面的涌水，防止開挖面坍塌。（2）因壓氣壓力本身的擋土作用使開挖面穩(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)土的強度，從而增加了開挖面的穩(wěn)定性。這其中，以高壓空氣防止開挖面坍塌的作用是氣壓法的最顯著的作用，但是其擋土作用依圍巖的性質(zhì)不同而有所區(qū)別。透氣性小的粘性土或粉砂質(zhì)土地層中這種效果比較明顯；而在透氣性大的砂質(zhì)土和砂礫層中，即使采用與地下水壓相適應(yīng)的氣壓力，也多出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，而且往往阻止不了開挖面下部的涌水及上部的坍塌，因此需對刀盤前方的地層進行適當(dāng)?shù)母牧己图庸獭?.2氣壓與地下水壓的關(guān)系對均勻分布的同一種土質(zhì)的開挖面而言，氣壓與地下水壓的關(guān)系如圖3.1所示。隨著深度的增加，地下水壓呈線性增加，即圖中三角形的斜邊，而氣壓在整個開挖面上呈均等分布。因兩者的變化規(guī)律不同，故在開挖面上只存在一個交點（即兩者相等的點），也就是說，只有在該交點處氣壓才與地下水壓相等（即平衡），該點上、下部均為不平衡部位。上部為氣壓過剩部位，下部為水壓過剩部位。另外，因地下水壓與地層的性質(zhì)（滲水性等）、覆蓋土的厚度等因素為隧道直徑）處的地下有關(guān)，所以氣壓的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（交點氣壓），通常按離開隧道頂端水壓確定（適用于中、大口徑隧道），也可按隧道中心處的地下水壓確定（適用于小口徑隧道）。圖3.1空氣壓力和地下水壓的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)氣壓值雖然取決于地層條件、隧道直徑及覆蓋土的厚度等因素，但在實際施工中多控制在0.05-0.2MPa范圍內(nèi)。3.3氣壓與土層的關(guān)系3.3.1粘性土（粘土、淤泥）地層（1）就一般粘性土而言，因其透氣系數(shù)小，當(dāng)盾構(gòu)停機換刀致使工作面不穩(wěn)定時，可依靠氣壓的支護作用和脫水使地層得到加固；（2）對軟弱且具塑流性的粘土地層而言，停機換刀時容易產(chǎn)生開挖面土體坍塌及尾隙土體坍塌，即開挖面不穩(wěn)定。若對圖3.2示出的存在局部易坍塌（h>4D）的塑流性地層壓氣加壓，則開挖面可能趨于穩(wěn)定。圖3.2滑動破壞形態(tài)判斷壓氣加壓后是否穩(wěn)定的估算方法如下：(3.1)式中：—作用于盾構(gòu)中心的豎直土壓(γ1h)(kN/m2)，其中γ1為土體重度；P—氣壓(kN/m2)；—土體非排水抗剪強度（內(nèi)聚力）(kN/m2)；—系數(shù)，無量綱通過研究發(fā)現(xiàn)，≥5時掘削地層土體仍呈塑流態(tài)（即掘削面不穩(wěn)定）；若<5，則說明掘削面呈穩(wěn)態(tài)。顯然，加大P值，可使減小，即即提高氣壓可使開挖面穩(wěn)定。不過P不能過大，過大致使環(huán)境惡化。在粘性土地層中使用壓氣工法時，因透氣系數(shù)小，故不必擔(dān)心漏氣。另外，由于粘土的毛細管張力大，故氣壓往往小于理論值。3.3.2砂性土（砂、砂礫）地層如前所述，開挖面上部因受過剩氣壓作用，涌水被止住，地層的含水率降低，故內(nèi)聚力和抗剪強度增大，開挖面趨于穩(wěn)定。但對砂地層而言，若掘削面的暴露時間長在氣壓的作用下，砂土脫水干燥致使內(nèi)聚性喪失，故仍然存在坍塌的危險。如果氣壓增大過剩，則漏氣量增加或出現(xiàn)空氣向地面噴發(fā)的危險,如圖3.3所示。圖3.3漏氣現(xiàn)象在開挖面的下部，過剩水壓的滲流作用有時會致使飽和砂失重，出現(xiàn)流砂現(xiàn)象（飽和砂的流動現(xiàn)象，稱為流砂現(xiàn)象）。出現(xiàn)流砂時的動水梯度稱為臨界動水梯度，可用下式表示：=（G-1)/(1+e)(3.2)式中：G—砂粒重度（kN/m3);e—空隙比。因此氣壓須控制在不發(fā)生氣體向地表噴發(fā)的臨界氣壓以下及不產(chǎn)生流砂的范圍內(nèi)。當(dāng)在滲水系數(shù)大的砂性地層中壓氣加壓時，氣壓越大，漏氣量越大。這種場合下，光靠壓氣止水很難實現(xiàn)。遇到這種情形還遇到這種情形還必須同時輔以注漿、排水降低地下水壓等輔助工措施。3.3.3互交層通常地層是由多種不同的土層交疊而成。地層的構(gòu)成和狀態(tài)不同，壓氣方法也不同。因此現(xiàn)場勘察地層構(gòu)成和狀態(tài)極為重要。例如：開挖面上部是砂土，下部為粘性土?xí)r，須注意由過剩氣壓造成的漏氣和噴發(fā)。遇到這種情形時，還須考慮增加其它輔助措施。相反，開挖面上部是粘性土，而下部是砂土?xí)r，因粘性土的透氣系數(shù)小，可以適當(dāng)加大氣壓，提高止水、擋土效果。不過此時還應(yīng)該考慮壓縮空氣可能會穿過砂層在遠處漏出。當(dāng)不滲水層下存在著因地下水位下降而完全疏干的砂層或砂礫層時，地層中會滯留缺氧空氣。這種場合下，進行壓氣施工時，存在加壓空氣從大型建筑物的地下室或枯井中噴出的危險。為防止此類事故的發(fā)生，事先須在一定的范圍（盾構(gòu)周圍約100m）進行勘察，并且施工時需要嚴(yán)密監(jiān)視。3.4土倉封閉措施及機理成都以砂卵石地層為主，卵石間顆粒之間的孔隙大，透氣性強。在帶壓換刀時，必須對土倉進行封閉處理，防止漏氣而引起開挖面坍塌。目前普遍采用的方法是向開挖面及盾構(gòu)周圍注入膨潤土，同時轉(zhuǎn)動刀盤使艙內(nèi)砂土內(nèi)與膨潤土能較好的混合并較深地滲入地層中，利用膨潤土的吸水膨脹作用，對盾構(gòu)周圍的地層進行封堵，使氣壓有效的形成支護，在此對膨潤土的膨脹及防滲機理進行說明。3.4.1膨潤土的結(jié)構(gòu)及性能盾構(gòu)掘進中所使用的膨潤土是粘土的一種，其主要成分為蒙脫石，蒙脫石是2∶1型層狀鋁硅酸鹽，其四面體中的硅可被鋁隨機置換，八面體中的鋁可被同價或低價離子如Ca2+、Na+、Mg2+等類質(zhì)同象置換，這種類質(zhì)同象置換過程使蒙脫石晶層面有過剩的負電荷，在層間產(chǎn)生一靜電場，因此蒙脫石層間可吸附Ca2+、Na+、Mg2+等陽離子和水(H3O+)、氨(NH+4)等極性分子。正是蒙脫石這種特有的吸附功能使得膨潤土具有很強的膨脹能力。膨潤土一般分為鈉基和鈣基膨潤土，在工程中多使用鈉基膨潤土，其顆粒的單位晶層中存在極弱的鍵，鈉離子本身半徑小，離子價低，水很容易進入單位晶層間，引起晶格膨脹，顆粒的體積膨脹為原來顆粒體積的10~40倍，吸水后形成一道不透水的防滲層。若再經(jīng)過一段較長時間，則膨潤土顆粒會變成膏脂狀，滲透系數(shù)可以降到1×10-7m膨潤土泥膜膨潤土泥膜（a）分散結(jié)構(gòu)（b）絮凝結(jié)構(gòu)（c）膠結(jié)結(jié)構(gòu)圖3.4膨潤土水化后與土體作用形成不透水層的過程從微觀結(jié)構(gòu)來看，膨潤土顆粒是粒徑小于2μm的無機質(zhì)，主要結(jié)構(gòu)體系為Si—Al—Si，是由云母狀薄片堆壘而形成的單個顆粒。這些薄片層的上下表面帶負電，因而膨潤土的構(gòu)成單位是互相排斥的。膨潤土在水化時，水分子沿著Si—Al—Si結(jié)構(gòu)單位的硅層表面被吸附，使得相鄰的結(jié)構(gòu)單位層之間的距離加大。鈉基膨潤土單位結(jié)構(gòu)層間能吸附大量的水，層間距離大，膨脹率高，鈉離子連接各層薄片。膨潤土水化后，形成不透水的可塑性膠體，同時擠占與之接觸的土顆粒之間的孔隙，形成致密的不透水的防水層，從而達到防水的目的。膨潤土泥漿和土體相互作用后形成的混合結(jié)構(gòu),如圖3.5所示。圖3.5膨潤土泥漿與土體作用形成混合土體的結(jié)構(gòu)3.4.2膨潤土的盾構(gòu)施工中的應(yīng)用膨潤土由于具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性及良好的自封閉性能，國外從20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始將膨潤土用作防滲材料。土壓平衡式盾構(gòu)施工對加入的膨潤土泥漿的一個基本要求就是它能夠形成“濾餅”，可以形成于土粒內(nèi)部和土粒之間，由膠結(jié)和固結(jié)的膨潤土組成。這個“濾餅”可以演變?yōu)橐粋€低滲透性的薄膜，從而可以將過量的地下水壓力中的液體壓力轉(zhuǎn)化為土顆粒和土顆粒之間的有效應(yīng)力，這對穩(wěn)定地層，防止停機換刀時的地面塌陷至關(guān)重要。不同壓實密度的膨潤土的主要差別在于其土體顆粒間孔隙的大小，當(dāng)密度大時，單位空間中的土體顆粒及吸附水層所占的體積就大，滲流液體通道就窄。由于膨潤土的高吸濕膨脹性和自封閉性，遇水時極度膨脹，其密度越大，膨脹倍數(shù)越大，同樣的滲流空間留給過流液體的通道就越窄，其滲流系數(shù)也就降低了。3.5國內(nèi)外類似工程3.5.1國內(nèi)帶壓換刀的工程實例在我國地鐵盾構(gòu)施工中，大部分施工單位由于尚未掌握盾構(gòu)帶壓進倉作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)或盾構(gòu)機配置不足，而采用常壓換刀方法。但也有少部分施工單位在工程中采用帶壓進倉模式來進行檢查、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月實施帶壓換刀操作；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)機施工，帶壓進艙修復(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站至華師站區(qū)間，在1.6-1.8bar壓力下進倉破除卡住刀盤的孤石。中鐵隧道集團在武漢長江隧道盾構(gòu)施工中，首次自主實現(xiàn)高水壓帶壓作業(yè)技術(shù)（4.5bar壓力下帶壓作業(yè)）?？傊?，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，但需要進一步總結(jié)推廣。3.5.2國外帶壓換刀的工程實例就國外而言，有更多的帶壓進倉檢查、維護和更換刀盤刀具的工程實例見表3.1，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)機和泥水盾構(gòu)機，尤其是在越江跨海隧道等不具備常壓換刀的條件時，多采用氣壓換刀。表3.1國外部分氣壓換刀工程實例工程名稱SouthBayOceanOutfallSanDiegoStorebaeltTunnel，Denmark4thElbeTunnel，GermanyWeserTunnel，GermanyWesterscheldeTunnel，Netherlands盾構(gòu)類型土壓平衡盾構(gòu)土壓平衡盾構(gòu)泥水盾構(gòu)泥水盾構(gòu)泥水盾構(gòu)最大埋深58m45m35m20m35m最大氣壓1.8bar2.7bar4.5bar5.0bar6.9bar2000-2003，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倉對刀盤進行維護操作，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)機施工，開挖直徑14.2m，淺埋（最淺7m）深水（水頭最大達4.2bar）。在河底最深處需要進倉更換中心刀進行修復(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行，需要2個小時。全線總計進行2738小時帶壓操作，其中237小時壓力大于3.6bar。21次有人員報告出現(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壓力下進倉維護破碎機和刀盤，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1400小時，其中600小時壓力超過3.6bar，僅有15次報告出現(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、粉砂土和細砂土中施工時，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倉作業(yè)，工作1.5小時，減壓時間5小時左右。一天只有4.5小時的倉內(nèi)工作時間。許多歐洲國家也出臺了一些關(guān)于隧道等帶壓進倉作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，例如：澳大利亞國家標(biāo)準(zhǔn)（編號：4774.1－2003）：隧道、豎井和沉箱中帶壓作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（AS4774.1－2003，AustralianStandardTMWorkincompressedairandhyperbaricfacilities－Workintunnels，shaftsandcaissons）英國隧道工程協(xié)會，健康安全行政部門（HSE）以及衛(wèi)生研究協(xié)會降壓病小組起草的一些壓氣下作業(yè)的專門章程。上述有關(guān)國外使用泥水或土壓平衡盾構(gòu)開挖隧道時帶壓進倉進行維護作業(yè)的工程實例及相關(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現(xiàn)帶壓維護作業(yè)，而且能在高達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。4帶壓換刀施工技術(shù)4.1帶壓換刀設(shè)備4.1.1帶壓換刀所需的主要設(shè)備帶壓換刀需要以下設(shè)備：（1）完好的可密封人閘及內(nèi)部部件。（2）使用醫(yī)用氧氣及氧氣面罩。（3）土倉的空氣平衡注入系統(tǒng)。（4）高壓空氣供給設(shè)備，滿足土倉及人閘的壓力補給與通風(fēng)使用。（5）壓力記錄儀器等。（6）需要使用第二能源的空氣供給系統(tǒng),柴油發(fā)電機。（7）有必要使用高壓醫(yī)用氧倉。4.1.2空氣壓縮設(shè)備在進行加壓作業(yè)時，除需設(shè)置計劃空氣壓力、送氣容量的高壓空壓機，還應(yīng)備有驅(qū)動電力設(shè)備、冷卻設(shè)備、儲氣罐、送配風(fēng)管等，必須供給清潔、溫度及濕度合適的空氣。(1)設(shè)備容量空壓機必須能供給所需的最高壓力及風(fēng)量。對于最低壓力，必須能用壓力調(diào)節(jié)閥門或輔助閥門進行調(diào)節(jié)。只要定出最高壓力和所需送風(fēng)量，在考慮預(yù)備機的條件下，即可確定設(shè)備容量和機械臺數(shù)，但根據(jù)用地面積和其他條件，設(shè)備臺數(shù)越少越好，故必須根據(jù)安全性、經(jīng)濟性、增設(shè)時期等，決定單位容量、臺數(shù)及設(shè)置時期。(2)冷卻水當(dāng)保持冷卻水出入口處的溫差為5℃以上時，空壓機或鼓風(fēng)機所需冷卻水約為1.8~2.0L(3)采用壓氣施工法時送入的空氣狀態(tài)由于洞內(nèi)空氣的溫度及濕度教高，故應(yīng)使送入洞內(nèi)空氣的干球溫度約為30℃，濕球溫度為25℃，洞內(nèi)實際風(fēng)速在（4)附屬設(shè)備采用空壓機時，儲氣罐應(yīng)具有能消除壓縮空氣壓力的脈動、分餾水、油質(zhì)，且具有散熱作用，故必須保有足夠的容量。對于吸入的空氣，應(yīng)使其通過過濾器。對于過濾用部件應(yīng)定期清掃或更換。需裝設(shè)自動警報裝置，以便在排出氣體溫度異常增高時能迅速地臺知作業(yè)人員，而且應(yīng)裝設(shè)平時可掌握溫度變化的溫度計。對地下室等密封式結(jié)構(gòu)，必須根據(jù)溫度變化的情況進行通風(fēng)。(5)配管鋪設(shè)管道時，除應(yīng)使送出的空氣不受大氣溫度的影響之外，還應(yīng)將配管安裝在不易受到接觸破損之處。必要時應(yīng)采取防護措施。管及管接頭應(yīng)具有足夠的強度，其結(jié)構(gòu)應(yīng)是安全的。4.1.3人閘（1）基本構(gòu)造在維護和檢查工作中，利用人閘將有關(guān)的人員和他們所需要的材料運送到土倉中，并使之處在受壓狀態(tài)下。以本項目中使用的海瑞克盾構(gòu)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倉。副艙室連接在主艙室的側(cè)面。因此，進入主艙室必須先經(jīng)過副艙室，副艙室用于在壓氣作業(yè)時的升壓和減壓過程以及緊急情況(緊急救助)。圖4.1人閘主艙室根據(jù)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(nèi)部都裝備有如下儀器：通訊系統(tǒng)、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(tǒng)，帶式記錄系統(tǒng)，用于記錄人閘艙室和土倉中的壓力，人閘進氣用的流量計。排氣閥和進氣閥僅能由艙內(nèi)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(zhí)行。（2）維護/控制每次關(guān)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(gòu)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(gòu)是否狀態(tài)良好；按照規(guī)范檢查帶式記錄器的功能。（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）海瑞克盾構(gòu)的人閘結(jié)構(gòu)以下是海瑞克EPB盾構(gòu)機人閘設(shè)備；對所有組件（顯示設(shè)備、記錄儀、自動卸壓器、加熱系統(tǒng)、時鐘、溫度計、密封件以及閘閥等）的性能必須定期檢查，帶壓作業(yè)前復(fù)查，保證設(shè)備完好；人閘系統(tǒng)圖如圖4.1所示。圖4.2人閘系統(tǒng)圖紙（5）人閘的密封性試驗的要求試驗壓力為3bar，要求在一個小時的時間內(nèi)，壓力下降的范圍為0.1bar～0.2bar。使用前檢查并確認人閘門的密封及密封面潔凈、無損壞，必要時予以更換；應(yīng)對人閘進行氣密性實驗，人閘操作人員試加壓操作。在工作倉，人員和材料氣閘，氣閘陪護員，工地辦公室，醫(yī)生辦公室和機械室之間的電話系統(tǒng)必須一直可用。確保人閘內(nèi)刀盤點動控制面板能進行操作。4.1.4自動壓力調(diào)節(jié)裝置4.1.5壓氣設(shè)備的使用管理、維修檢查需將與運轉(zhuǎn)。操作壓氣設(shè)備有關(guān)的聯(lián)絡(luò)．信號的使用方法及指定的運轉(zhuǎn)者、操作者姓名詳告有關(guān)作業(yè)人員。絕不允許被指定以外的人員觸動迭、排氣閥門及調(diào)節(jié)閥。對于主要設(shè)備的維修及檢查，需定出標(biāo)準(zhǔn)并指定負責(zé)人，必須依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進行維修．檢查，而且必須將檢查結(jié)果予以記錄并保存。主要設(shè)備的修檢周期解釋見表4.1。表4.1高氣壓作業(yè)用主要設(shè)備修檢周期設(shè)備檢修周期設(shè)備檢修周期送氣管、排氣管、聯(lián)絡(luò)設(shè)備1次/日以上待避用具等1次/日以上送氣調(diào)節(jié)閥及閥門1次/日以上自動報警裝置（送氣溫度異常）1次/周以上排氣調(diào)節(jié)閥及閥門1次/日以上壓力表1次/月以上空氣壓縮機1次/周以上空氣過濾裝置1次/月以上空壓機附屬的冷卻裝置1次/日以上電路1次/月以上4.2壓氣壓力和耗氣量4.2.1壓氣壓力的設(shè)定通常，壓氣壓力以開挖面的地下水壓力為基準(zhǔn)，再考慮隧道埋深來確定。但是，壓氣壓力對開挖面的任一部分都作用同一壓力，而對于隧道頂部與底部的水壓和土壓大小是不同的，因此，對所有的位置都給予最適合的條件，也是比較困難的。選擇壓氣壓力的方法，因覆土厚度、地質(zhì)、隧道直徑而異，一般多取壓氣壓力等于從盾構(gòu)頂部算起D/2~D/3位置的地下水壓力。小直徑隧道，一般多取D/2。但是在粘性土圍巖、透氣性小的條件下，可采用較上述數(shù)值略小的壓力進行施工。4.2.2耗氣量的計算壓氣施工中存在以下幾項氣體泄漏損耗：從開挖面向周圍地層的漏氣；從盾尾及管片的漏氣；開關(guān)閘門時的氣體損耗。這些氣體損耗的總和，即為壓氣過程中的氣體損耗量。顯然氣體損耗量（Q）與周圍地層的透氣性、盾構(gòu)機的外徑、氣壓、覆蓋土的厚薄、尾隙大小、管片接頭密封材料性能及密封的好壞、背后注漿填充性能的好壞、盾構(gòu)機的推進速度等多種因素有關(guān)。（1）Hewett-Johansen估算法：Q=D2(4.1)式中：Q—空氣消耗量（m3/min)(吸入側(cè))；D—盾構(gòu)機外徑（m）；—與土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)（m/min）,的值因土質(zhì)的不同而不同，一般取值為3.65m/min；對砂層或砂礫層取值為17.3m/min。這兩個數(shù)值在計算設(shè)備容量時采用，實際空氣消耗量通常僅為上述值的一半左右。（2）飯吉估算法：飯吉給出的空氣耗量的估算公式如下：(4.2)式中：Q—空氣總耗量（m3/min)；Q1—氣閘空氣耗量（m3/min)；Q2—隧道漏氣量（m3/min)；Q3—掘削面漏氣量（m3/min)；H0—水頭；R—氣閘容積（m3)；N—單位時間內(nèi)氣閘的開關(guān)次數(shù)；S—盾構(gòu)外周長（m)；L—隧道漏氣部分的長度（m)；D—盾構(gòu)外徑（m）；m—氣壓系數(shù)；α—隧道的漏氣系數(shù)；β—掘削面的漏氣系數(shù)。三參數(shù)可據(jù)土質(zhì)狀況按表4.2選取。表4.2耗氣量計算參數(shù)選取表土質(zhì)βmα粗粒土0.11.04細粒土0.080.8~0.93粘性土0.050.6~0.92塑性土0.0250.2~0.614.3加壓和減壓過程4.3.1加壓過程壓力越高，吸入體內(nèi)的氣體越多，尤其是氮氣，首先溶解在身體血液里，然后進入組織里。其飽和度取決于壓力，持續(xù)時間以及組織吸收氮氣的能力。脂肪組織尤其能吸收。從正常壓力到高壓的沉淀物轉(zhuǎn)變，會產(chǎn)生強烈的癥狀，如頭痛、平衡性減弱和牙痛。如空曠部分（如鼻竇、耳膜、腸管、無效填充物）的空氣補償受阻，可能導(dǎo)致紊亂。(1)加壓注意事項①患有傷風(fēng)感冒或流感的人員嚴(yán)禁進入人閘進行換刀作業(yè)，在患有內(nèi)耳問題或感冒（中耳炎、上頜竇炎）時，不得在壓縮空氣下工作。②人員多喝水，否則，脫水將會很快導(dǎo)致壓縮空氣病癥狀，在加壓前和加壓過程中，不得飲用充碳酸氣的飲料。③進出人閘時必須穿干燥整潔的服裝。④工作中若出現(xiàn)任何不適，包括全身任何部位的疼痛、皮膚瘙癢、耳鳴、咳嗽、胸骨疼痛、胸部壓迫感、呼吸困難、惡心、嘔吐、頭暈、虛脫、昏迷等各種情況，及時聯(lián)系高壓醫(yī)生并治療。⑤進行壓氣作業(yè)人員在作業(yè)前8小時內(nèi)不許飲酒，煙、酒都不允許帶入人閘及土倉。⑥土倉不允許使用高壓水滅火。⑦不能使用導(dǎo)致排氣的食物。⑧在壓力倉改變壓力時不允許睡覺。⑨工作倉內(nèi)的空氣溫度不能低于10℃，不能高于25℃；人員氣閘內(nèi)的空氣溫度不能低于15℃⑩在作業(yè)中發(fā)現(xiàn)人閘設(shè)備的損壞，及時向班長反映，及時處理。（2）加壓操作程序①顯示設(shè)備，記錄儀、加熱系統(tǒng)、時鐘、溫度計、緊急電話、門閥、等設(shè)備的清潔。②操作人員進入主室。③開始雙面記錄儀，并檢查功能和供紙。④關(guān)閉主室和入口室之間的氣閘門，確保正確鎖定。⑤確保電話聯(lián)系。⑥緩慢打開球閥“fillprochamber”，根據(jù)減壓表確定的速率進行，直到主室內(nèi)壓力達到操作壓力。⑦如果主室和工作室壓力達到一致，位于工作室和主室之間的球閥可小心開啟，完成工作室和主室之間的壓力均衡后，球閥必須關(guān)閉。⑧打開通向工作室的閘門，持續(xù)向工作室通氣10分鐘，以保證工作室內(nèi)空氣新鮮。⑨在工作室作業(yè)，必須保證工作室閘門處于開啟狀態(tài)，以供人員撤離。（3）加壓過程圖①土倉以保壓至目標(biāo)壓力P1（地層支撐壓力），人閘主副室均為P0（大氣壓）；P1>P0,如圖4.3所示。圖4.3土倉加壓②土倉以保壓至目標(biāo)壓力P1（地層支撐壓力），P2為過渡壓力，人閘副室均為P0（大氣壓）；P1>P2>P0，如圖4.4所示。圖4.4人閘主室加壓③土倉以保壓至目標(biāo)壓力P1（地層支撐壓力），主室與土倉達到壓力平衡，人閘副室均為P0（大氣壓）；P1>P0，如圖4.5所示。圖4.5人閘主室與土倉達到平衡(4)額外人員加壓流程圖在額外人員進入加壓的人閘主室或土倉進行作業(yè)時，需首先進入人閘副室，對副室加壓直至與主室壓力平衡，然后即可將主室與副室之間的艙門打開，人員從副室進入主室作業(yè)。具體過程如圖4.6和圖4.7所示。圖4.6對人閘副室加壓圖4.7人閘主室與副室壓力達到平衡4.3.2減壓過程在減壓過程中，溶解在血液和組織力的氣體必須釋放。如果減壓過程中減壓速度慢，釋放的氣體可能通過血液循環(huán)和肺“排出”。如果減壓過快，就會在體內(nèi)血液和組織內(nèi)形成氣泡（碳酸水反應(yīng)）。在壓縮空氣環(huán)境下作業(yè)后，持續(xù)性出現(xiàn)氣栓是最常見身體損害源。而且，氣體的釋放會導(dǎo)致暫時性或永久性組織損害。從高壓環(huán)境轉(zhuǎn)到正常壓力環(huán)境，會或多或少導(dǎo)致嚴(yán)重的氣壓疾病癥狀。癥狀可能會在減壓過程中就出現(xiàn)，也可能幾小時后出現(xiàn)。壓縮空氣疾病癥狀及注意事項疾病癥狀：①肌肉和關(guān)節(jié)疼痛。②皮膚發(fā)癢和皮膚微紅-發(fā)藍。③中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂：頭暈眼花、耳鳴、聽力困難、呼吸困難、視力和講話混亂、癱瘓、抽痙。④手腳趾麻木。注意事項：①穿干燥衣服。②避免著涼或受冷而顫抖。③避免呼吸急促。④避免姿勢不自然。⑤定期活動手腳。（2）減壓程序①關(guān)閉主室與前室之間的中間氣閘門。②啟動記錄儀（人閘管理員）。③進入主氣閘并向工作室方向關(guān)閉氣閘門。④與人閘管理員進行電話聯(lián)系。⑤通過球閥1V006緩慢降低主室內(nèi)的壓力。同時監(jiān)視主室壓力。⑥通過球閥1V018對氣閘進行通風(fēng)，通風(fēng)的額定值是按照國家的有關(guān)規(guī)定確定的，在氣閘通風(fēng)的同時，應(yīng)避免造成壓力再次增加。⑦只要壓力在持續(xù)緩慢的下降，就可以通過球閥“主室去通風(fēng)”（1V018）和“主室通風(fēng)”（1V006）進行再調(diào)整，同時，氣閘通風(fēng)必須符合有關(guān)法規(guī)。流量計（主室通風(fēng)）的值必須符合國家有關(guān)規(guī)定。⑧如果達到了第一個壓力級，則通過重新調(diào)整閘閥，使主室壓力在規(guī)定的時間內(nèi)得到保持。氣閘管理員應(yīng)定期檢查流量計上氣閘的通風(fēng)情況。⑨必須重復(fù)上一步驟，直至達到正常的環(huán)境壓力，同時，遵守相應(yīng)的保持時間。主室內(nèi)的加熱系統(tǒng)必須按照國家有關(guān)規(guī)定進行調(diào)整。⑩開啟主室與通道室之間的中間氣閘門，然后離開人閘。eq\o\ac(○,11)人閘管理員關(guān)停記錄儀，并在加壓和卸壓的表格內(nèi)記錄加壓和卸壓的詳細情況（日期、時間、壓力、人數(shù)等）。（3）減壓時間減壓過程需根據(jù)我國隧道高氣壓作業(yè)減壓表見表4.3，查出降壓步驟及每步驟所需時間，各站停留時間和總時間，然后編制出詳細的減壓方案。表4.3我國0.6-4.0kgf/cm2隧道高氣壓作業(yè)減壓表壓力(kgf/cm2)高壓下暴露時間(h)上升到第1站停留時間(min)各停留站時間(kgf/cm2)停留時間(min)減壓總間(min)高壓暴露總時間h:min2.42.11.81.51.20.90.60.30.6-1.2656-1266-121.2-1.5112-15112-152410172173415223224310102942953101534534631020396391.5-1.815101811824510252253410153533543101020524525310152562621.8-2.11615241242451020482483351015257031043101520309043053101530401106502.1-2.41610153713725102025693933510152540113453435152530451386182.4-2.716510154514525510152530104244331015203545144524432.7-3.0175152561212551020304513041034515203040601926123.0-3.31751015257421425510152535501634433.3-3.6185152025852252551015203040501965163.6-4.01810152025301233325510152030405060259619注:各停留站間的移行時間為3min,已計入減壓總時間內(nèi),如無第1停留站時的上升速率為每分鐘0.1kgf/cm2例如：在工作壓力為1.0bar時，減壓時間如下：工作壓力1.0bar，工作時間6小時；移行時間3分鐘1.0bar—————————﹥0.6bar本站停留時間5分鐘移行時間3分鐘0.6bar—————————﹥0.3bar本站停留時間5分鐘移行時間5分鐘0.3bar—————————﹥0bar減壓總時間15分鐘（4）減壓流程圖減壓過程與加壓過程相似，但過程相反,減壓流程如圖4.8，4.9，4.10所示。圖4.8人閘副室減壓圖4.9人閘主室減壓圖4.10人閘主室與副室壓力均減至常壓（5）減壓病及預(yù)防減壓病是由于高壓環(huán)境作業(yè)后減壓不當(dāng)，體內(nèi)原已溶解的氣體超過了過飽和界限，在血管內(nèi)外及組織中形成氣泡所致的全身性疾病。我國衛(wèi)生部將急性減壓病分為輕、中、重三級：①輕度表現(xiàn)為皮膚癥狀，如瘙癢、丘疹、大理石樣斑紋、皮下出血，浮腫等；②中度主要發(fā)生于四肢大關(guān)節(jié)及其附近的肌肉關(guān)節(jié)痛。③重度凡出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)障礙之一者。臨床：絕大多數(shù)患者癥狀發(fā)生在減壓后1～2小時內(nèi)。在減壓過程中發(fā)病者占總發(fā)病數(shù)9.1％，減壓結(jié)束后30分鐘內(nèi)占50％，1小時占85％，3小時占95％，6小時占99％，6小時到36小時僅占1％。減壓愈快，癥狀出現(xiàn)愈早，病情也愈重。嚴(yán)格遵守減壓規(guī)則，可以不發(fā)病。4.3.3高氣壓環(huán)境作業(yè)人員的營養(yǎng)保健及預(yù)防（1）養(yǎng)成良好衛(wèi)生習(xí)慣，建立合理生活制度。工作前應(yīng)充分休息，防止過度疲勞，不飲酒。工作時應(yīng)預(yù)防受寒和受潮；工作后應(yīng)立即脫下潮濕的工作服，飲熱茶，洗熱水浴，在溫暖的室內(nèi)休息半小時以上，以促進血液循環(huán)，使體內(nèi)多余的氮加速排出。（2）每日應(yīng)保證高熱量（一般每日約15072～16747KJ）、高蛋白、中等脂肪飲食，并適當(dāng)增加各種維生素?？蛇x些高蛋白的食品，油脂應(yīng)控制在100克左右?？蛇x擇營養(yǎng)豐富又不含興奮劑的飲料，如牛奶、豆?jié){、麥乳精等。4.4氣壓平衡穩(wěn)定性保障4.4.1氣壓力值設(shè)定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)，計算氣壓值。氣壓值按照靜止土壓力計算，這時土壓力偏于安全。4.4.2土工及機電系統(tǒng)保障氣體壓力穩(wěn)定性保障開挖倉內(nèi)氣壓穩(wěn)定，需要從土工（漏氣）和機電（進氣）等兩個主要方面來保障。（1）土工系統(tǒng)方面在進行帶壓換刀作業(yè)前，為評價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)計停機地點附近進行地層壓氣現(xiàn)場試驗。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，計算出在開挖掌子面上施加某壓力的壓縮空氣時的氣體損失量及其變化，并評價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，并評價氣體泄漏的可能性及其影響，及時采取有效措施。對不能采取措施的，要求避開此區(qū)域進行氣壓換刀操作。（2）機電系統(tǒng)方面啟動操作程序前詳細檢查盾構(gòu)機及其后備套系統(tǒng)，確保機器的安全運作，及時發(fā)現(xiàn)問題并及時解決。啟動操作程序前詳細檢查壓縮空氣系統(tǒng)。檢查空氣壓縮機器避免出現(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，發(fā)現(xiàn)問題立即報告。4.4.3開挖面穩(wěn)定性評估氣壓穩(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，需要先組織有經(jīng)驗的巖土工程師帶壓進入土倉，對開挖面的穩(wěn)定性進行評估。當(dāng)開挖倉內(nèi)氣壓變幅較大，不很穩(wěn)定時，說明開挖面或盾體周邊泥膜沒有很好形成，需要重新掘進離開現(xiàn)有擾動區(qū)后再進行試驗。4.5換刀施工內(nèi)容及要求4.5.1換刀作業(yè)的內(nèi)容（1）檢查刀具是否損壞及刀具的磨損情況。（2）攪拌棒耐磨層的完好情況。（3）刀盤耐磨層的磨損情況。（4）刀盤大臂各部分焊縫是否完好，如有裂縫則及時補焊，防止刀盤臂斷裂；（5）刀具安裝部件如楔塊、安裝塊、螺栓保護帽是否松脫或損壞。（6）更換已經(jīng)磨損的刀具。（7）根據(jù)盾構(gòu)機將要掘進通過的地層更換刀具形式，檢查刀盤是否粘結(jié)泥餅、并清除；對于盾構(gòu)機刀盤無法破除的粒徑較大的卵石，開倉后人工用液壓錘進行破除。4.5.2帶壓換刀中材料的運輸（1）使用起重設(shè)備把材料送入人閘主室，然后關(guān)閉人閘主室密封門。（2）向主室逐漸增壓使主室壓力達到規(guī)定值后工作人員進入人閘前室。（3）人閘管理員打開前室進氣閥門，使人閘前室的壓力緩慢增加，在前室和主室壓力相等時，工作人員打開主室和前室之間的隔離門進入主室。（4）打開壓力艙壁上的閘門，將刀具送入土倉。4.5.3刀具檢查（1）刀具外觀檢查檢查刀盤上所有刀具螺栓是否有脫落現(xiàn)象；刀圈是否完好，有無斷裂及弦磨現(xiàn)象；刀體是否有漏油現(xiàn)象；擋圈是否斷裂或脫落，著擋圈脫落，還應(yīng)檢查刀圈是否發(fā)生移位。（2）刀具螺栓的檢查查用手錘敲擊螺栓墊，聽其聲音來辨別螺栓的緊固程度，或一邊敲擊一邊用手感覺其振動情況來辨別螺栓的緊固程度。（3）刀具檢查過程中，應(yīng)對加壓的全過程壓力進行記錄；刀具檢查的同時，對每刀具進行編號，記錄刀具的磨損量，并提供刀具檢查報告。4.5.4刀具更換的標(biāo)準(zhǔn)及更換操作根據(jù)相關(guān)介紹，盾構(gòu)刀具磨損的建議標(biāo)準(zhǔn)是：周邊刀磨損量為5~10mm，齒刀磨損量為8mm左右時就必須進行更換。這個指標(biāo)的確定和刀具耐磨層厚度有很大關(guān)系。更換刀具步驟如下。（1）每次更換時，作業(yè)人員先將刀具周圍的泥土清掉，保證留有一定的工作空間。（2）由刀盤外側(cè)向內(nèi)逐個檢查刀具的磨損情況，確定需要更換時，用相應(yīng)標(biāo)號的刀具進行替換。（3）用套筒及加力桿卸下固定螺栓，將拆下的螺栓及附件放入隨身攜帶的工具袋內(nèi)，以防丟失。（4）將換下的刀具遞到人閘內(nèi)，同時將固定螺栓和固定座用水清洗干凈，并檢查一下是否有裂紋，如有裂紋必須更換新螺栓，以確保新裝刀具有足夠的固定強度；（5）將新的刀具按原來的位置安裝好，并將固定螺栓擰緊。（6）每次帶一批刀具和螺栓進艙，每批刀具換完后，把廢刀具和沒有安裝的新刀放進料閘內(nèi)。（7）同時操作手轉(zhuǎn)動刀盤。工作人員通過料閘把下一批刀具送入土倉內(nèi)，再繼續(xù)更換下一組刀具。（8）每換完一批刀具后，由值班機械工程師檢查一遍安裝質(zhì)量，并檢查是否有漏掉的或者沒有固定好的。機械工程師確認無誤后方可繼續(xù)作業(yè)。（9）更換速度按實際情況定，必須以保證安裝質(zhì)量為前提。更換速度：齒刀基本上為每個30~40mm周邊刀則依據(jù)換刀人員的具體情況來定。在刀具更換完成后，可清理土倉，關(guān)閉艙門。人員退出后試轉(zhuǎn)刀盤若干圈后，再安排人員進入土倉復(fù)緊刀具，確認上緊后，退出土倉，關(guān)閉艙門。4.5.5各種刀具的最佳換刀位置（1）正面滾刀的最佳更換位置在9點方向，故需將待換刀具轉(zhuǎn)至此位置，使單刃滾刀刀具轉(zhuǎn)軸與水平方向成0o。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)到如圖4.11可以更換圖中9點位置的5把單刃滾刀。通過對刀盤的旋轉(zhuǎn)，則能實現(xiàn)20把單刃滾刀的更換。圖4.11正面滾刀更換時刀盤的較佳位置（2）正面齒刀、邊刮刀最佳更換位置在3點或9點方向。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)到圖4.11位置時可以更換正面6把齒刀和2把邊刮刀；此位置還可以更換位于9點鐘的單刃滾刀1把。圖4.12正面齒刀、邊刮刀更換時刀盤的較佳位置（3）更換中心雙刃滾刀時，需使待更換刀具轉(zhuǎn)至最上方位置，刀刃與垂直方向成90o，如圖4.13所示。圖4.13更換中心雙刃滾刀時刀盤的較佳位置（4）更換邊緣滾刀要保證刀具的安裝軸與水平方向成0o，此時最易更換。4.5.6帶壓換刀的注意事項（1）組織機構(gòu)上應(yīng)備有在訓(xùn)練有素的班組管轄下的手動氣閥，以便能夠進入土倉進行修理作業(yè)，包括更換刀具和人工排除意外的困難和故障。（2）在開倉作業(yè)過程中，應(yīng)盡量維持壓力，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(nèi)。（3）當(dāng)需要加入添加材料以保證土體氣密封時，應(yīng)向艙內(nèi)加入膨潤土漿液，轉(zhuǎn)動刀盤使艙內(nèi)砂土內(nèi)與膨潤土能較好的混合，并能較深的滲入地層中，在開挖面形成一層比較厚的泥皮，從而達到保證氣密封性的效果。（4）設(shè)置兩條以上的通訊線路，保持壓力倉內(nèi)倉外、地面及外界相關(guān)單位、部門聯(lián)系暢通，如有異常，即使聯(lián)系。（5）若換刀時刀具不慎掉入土倉內(nèi)，而土倉內(nèi)泥渣較多很難定位刀具及打撈時，則換刀人員進倉作業(yè)時帶上鐵鍬和編織袋，將土倉內(nèi)的渣土裝袋即可。（6）由于換刀需要轉(zhuǎn)動刀盤時，必須聽從倉內(nèi)人員的指揮。當(dāng)倉內(nèi)人員發(fā)出轉(zhuǎn)動刀盤指令時外部操作手才能啟動刀盤轉(zhuǎn)動。刀盤轉(zhuǎn)動速度控制在0.2rpm以下。（7）若作業(yè)過程中,發(fā)生氣管爆裂、空壓機故障等問題時，首先要冷靜，想辦法穩(wěn)住氣壓，同時盡快通知作業(yè)人員進入人閘以便及早減壓出來。（8）要作好各項人員安全措施及災(zāi)害防治措施；要注意壓氣作業(yè)過程中因焊接、漏電、打磨等作業(yè)可能引起火災(zāi)。（9）各種應(yīng)急設(shè)備如高壓氧艙、擔(dān)架等應(yīng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)。4.6應(yīng)急及撤離措施（1）若有空壓機出現(xiàn)故障而不能正常提供過濾高壓空氣時，不能冒險使用一臺空壓機，以防止壓力無法達到預(yù)定值；（2）時刻檢查土倉前方掌子面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況，監(jiān)測負責(zé)人員認為土體不穩(wěn)定時（包括突然涌水，土體滑落或塌陷），等待觀察結(jié)果進行下一步安排；（3）根據(jù)溫度情況來決定工作的安全與否，一旦溫度過高而不利于安全有效的工作時，必須中斷作業(yè)。（4）如果人閘里或施工過程中一名或多名人員有感覺不適的癥狀，不適宜繼續(xù)工作，立刻向現(xiàn)場醫(yī)生咨詢協(xié)調(diào)下一步驟。（5）在作業(yè)過程中遇到人員受傷流血，必須對其進行壓迫止血，并使其處于頭低腳高的姿勢；與負責(zé)壓縮空氣問題的醫(yī)生協(xié)調(diào)后，可將壓力迅速降低至大氣壓出倉送往醫(yī)院搶救；（6）在作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機意外停止高壓電，啟動備用發(fā)電設(shè)備（配備35kw內(nèi)燃空壓機）時，立刻關(guān)閉土倉閘門，回到人倉，等待降壓；（7）當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時，監(jiān)測負責(zé)人立即通知換刀作業(yè)值班人，命令工作人員快速、安全的撤離土倉，關(guān)閉土倉閘門；（8）撤離時，不能慌亂，主要保護人員安全，人員在減壓倉減壓后退出。5砂卵石地層帶壓換刀的試驗與實踐5.1氣壓加壓試驗5.1.1建立壓力實際情況（1）盾構(gòu)停機前狀況2008年3月16日晚，盾構(gòu)機的推力逐漸增大，最大至1700噸，每環(huán)注入3方膨潤土改良土體，出土夾雜較多未破損的20~30cm卵石及粘土，偶爾出現(xiàn)卡刀盤現(xiàn)象。掘進速度在掘進第二環(huán)突然從30mm（2）換刀計劃及執(zhí)行情況換刀計劃及實現(xiàn)情況見表5.1。表5.1換刀計劃及實現(xiàn)情況計劃內(nèi)容，參數(shù)時間及班組實際情況，處理及參數(shù)刀具檢查更換地點的預(yù)測，對選定地面進行觀察，確定盾構(gòu)機上方的管線，地質(zhì)鉆探孔，降水井等瀉壓通道堵死3-16無停機換刀前五環(huán)每環(huán)盾尾同步注漿足量，同步注漿壓力，1、4號管2.5bar,2.5方；2、3號管3.5ba，1.5方；總量9方3-16見（1）說明停機之前收攏鉸接至中間參數(shù)60~70，調(diào)整姿態(tài)，向盾尾注入足量的密封脂，以保證盾尾及鉸接不漏漿3-16正常，密封無泄漏停機時，利用盾尾注漿管向盾尾后注入膨潤土，1、4號壓力2.5bar，注入量1.5方；2、3號壓力3.5bar，注入量1方；注入總量6方3-18壓力分別為1.7，2.6，2.4，2.7；注入量為1.5方；用注漿泵向盾體上注入膨潤土，左上及右上方注入壓力2.5bar，2方；注入量左下及右下注入口注入壓力3.5bar，1.5方3-19由于盾尾注入膨潤土倉內(nèi)的土壓傳感器壓力上升快，說明盾尾及刀盤在頂上形成通道，放棄在盾體上注入；使用膨潤土泵注入膨潤土，瀉壓力2bar，由左右兩條管向土倉前注入足量膨潤土，約10~20方；使土倉1#、2#壓力傳感器達到1.5bar3-19壓力分別為0.04（0.34），2.3（4.03），2.9（3.50），1.7(2.24),0.24(0.44)；注入量為6方；緩慢轉(zhuǎn)動刀盤45度，繼續(xù)注入膨潤土，使次土倉1#、2#壓力傳感器達到1.5bar3-19刀盤卡住，土壓傳感器壓力高停止觀察土倉壓力變化10分鐘；壓力不瀉漏；泄露則補充注入膨潤土；再觀察3-19未實現(xiàn)不轉(zhuǎn)刀盤，注入膨潤土，緩慢出渣，使壓力保持在1.5bar；出土量控至在8~10方，至倉門下；出土為沙卵石土最佳3-19不能出土，只能出水及膨潤土停止出土等待10分鐘，壓力可保持，然后再緩慢出土，使壓力下降至0.6bar3-19未實現(xiàn)使用平衡空氣系統(tǒng)向土倉內(nèi)注入空氣，設(shè)定壓力0.7bar；壓力保持住觀察2小時，其間20分鐘慢速轉(zhuǎn)動刀盤2~3轉(zhuǎn)；土倉壓力能否保壓，壓力降不會過快；若不能保住，則意味掌子面上或盾體四周尚有地方未形成泥膜；為形成泥膜，有必要往掌子面前方繼續(xù)加注膨潤土漿液；而后再進行觀察；直到壓力穩(wěn)定；其間始終打開空氣平衡系統(tǒng)3-19未實現(xiàn)保壓出渣，分階段間歇排土，分階段加壓的工作，緩慢出渣，刀盤不旋轉(zhuǎn)；出土量為8方，可滿足進倉觀察；觀察壓力變化情況；3-19未實現(xiàn)觀察2小時，達到的結(jié)果：

壓力能保持，出土為卵石渣土；可進行刀具更換工作；

壓力能保持，出土為膨潤土漿液，中間結(jié)泥餅；可人工清除；

壓力不能保持，出土為卵石渣土；可再注入膨潤土觀察；

壓力不能保持，出土為膨潤土漿液。3-19經(jīng)水浸泡后，出土為膨潤土及水，刀盤卡住，無出土；常壓進倉清理。5.1.2問題處理過程及分析（1）加壓后處理措施①刀盤在旋轉(zhuǎn)一定量后扭矩突然增大至極限數(shù)據(jù)300bar卡住，轉(zhuǎn)速至1.4；螺旋輸送機旋轉(zhuǎn)無出土，但能出水及膨潤土，經(jīng)分析可能在土倉內(nèi)形成泥餅或中間卵石成拱。②收縮所有推進雙缸，單缸收縮后再頂上泄壓，而后旋轉(zhuǎn)刀盤依然被卡住。③注入水浸泡，目的是軟化泥餅后螺旋輸送機及刀盤可轉(zhuǎn)動。④嘗試轉(zhuǎn)動刀盤，但仍然被卡住，螺旋輸送機仍然無法出土。⑤決定常壓進倉處理。（2）開倉觀察情況①地層類型為2-8-3的卵石土，土倉內(nèi)觀察，密布約20~30cm大型卵石，地層為較大卵石夾雜于黃色粘土層中，地層密實，膨潤土滲入土體很薄，基本屬于附于掌子面表面，地層在無擾動情況下穩(wěn)定。②未觀察到地層水。③渣土水平面超出倉門最低面5公分，渣土基本為卵石組成，蓬松，與注入的膨潤土有關(guān)。④左側(cè)10點鐘有單液素漿從盾尾流動至刀盤。⑤左側(cè)11點鐘方向是刀盤開口所在位置，此處有一定塌陷，刀盤頂上有近1m3⑥右側(cè)1點鐘位置是刀盤另一開口所在，未見塌陷。（3）開倉處理①現(xiàn)場制定清倉計劃，刀盤不動，人工清理土倉，同時準(zhǔn)備焊接鋼板以防止地層不穩(wěn)定塌陷。②使用高壓水向下沖，破壞卵石的直然拱結(jié)構(gòu)，同時螺旋輸送機出土，基本清理倉內(nèi)渣土至二分之一，半掩倉內(nèi)觀察中啟動刀盤，依然卡住，換向旋轉(zhuǎn)，刀盤正常，其中造成輕微幾塊較大卵石從刀盤頂部掉落。③刀盤卡住后可轉(zhuǎn)動的位置為60度，卡住原因為大粒徑卵石卡于刀盤前及前盾與刀盤接縫處，加上滿倉卵石，造成刀盤扭矩過大卡死。（4）關(guān)倉處理①關(guān)倉，注入膨潤土，正常掘進不出土保壓。②恢復(fù)正常掘進。5.1.3施壓試驗結(jié)果經(jīng)過本次換刀試驗，得到以下結(jié)論：（1）在較粘稠膨潤土下，盾尾及鉸接為發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。（2）盾尾及刀盤在頂上必然形成通道，基本無法完全阻隔。（3）土倉內(nèi)土壓傳感器在無水，無氣壓及正面推力情況下，2號壓力達到0.8~1.2bar時可以認為是基本滿倉；除1號，其它傳感器也基本處于此壓力值左右；（4）卵石粘土在高壓環(huán)境下，在成拱無擾動情況下，具有較強的自穩(wěn)性。（5）土倉壓力大于空氣平衡系統(tǒng)設(shè)定壓力時不能打開閘閥，會出現(xiàn)渣土堵塞氣路通道。（6）在出土一定量后，需觀察土倉隔板上的壓力表，以確定測得的壓力是氣壓而不是土壓。（7）通過開倉觀察，認為高壓膨潤土能滲入地層中的孔隙中起到補償作用，長時間浸泡后（18小時），膨潤土?xí)S水稀釋流失。（8）并未實現(xiàn)氣壓平衡，需近一步試驗。5.2帶壓換刀實踐5.2.1換刀實際情況盾構(gòu)機正處于曲線段，推力較大，最大至1800噸，每環(huán)注入6-9方水改良土體，出土夾雜較多未破損的20~30cm卵石，及粘土，出土流暢連續(xù)，掘進速度仍可以保持在20-25mm/min。掘進至131環(huán)，計劃常壓開倉換刀，清倉18方，開倉發(fā)現(xiàn)地下水位高至人倉閘門，無法實施常壓換刀。經(jīng)研究決定，準(zhǔn)備膨潤土，及空氣壓縮機，通知高壓醫(yī)生等；準(zhǔn)備實施帶壓換刀。停機時盾構(gòu)相關(guān)技術(shù)參數(shù)停機里程YDK7+501.03，所處地層為3-7-3和2-8；環(huán)號132環(huán)；土壓傳感器為：0.29bar，0.03bar，0.59bar，0.71bar，0.39bar；推進油缸：1057mm，30bar；1091mm，64bar；1129mm鉸接油缸:30，48，93，117；鉸接壓力：71bar。螺旋輸送機閘門壓力：0.02bar；VMT姿態(tài)：前點水平9，垂直38；后點水平16，垂直32。5.2.2氣壓加壓及進倉（1）建立土壓平衡①停機之前調(diào)整姿態(tài)，向盾尾注入足量的密封脂，但由于處于曲線段，收攏鉸接至（30、48、93、117；壓力71bar）。②停機時，利用盾尾注漿管向盾尾后注入膨潤土，1、4號壓力2.5bar，注入量1.5方；2、3號壓力3.5bar，注入量1方；注入總量6方。③使用膨潤土泵注入膨潤土，由左右兩條管向土倉前注入足量膨潤土，約12方；使土倉1#、2#壓力傳感器達到1.5bar。④不轉(zhuǎn)刀盤，注入膨潤土，緩慢出渣，使壓力保持在1.5bar；出土量在3~5方，至倉門下；出土為沙卵石土；出土后，壓力下降到0.8左右。⑤緩慢轉(zhuǎn)動刀盤45度，土倉壓力由轉(zhuǎn)動前0.73下降到0.58；繼續(xù)注入膨潤土，一小時后，使次土倉1#、2#壓力傳感器達到0.67bar；再次轉(zhuǎn)動刀盤約45度，壓力下降至0.58bar，一分鐘后上升到0.64bar。⑥使用平衡空氣系統(tǒng)向土倉內(nèi)注入空氣，設(shè)定壓力1.2bar；壓力穩(wěn)定在1.1bar；⑦觀察一小時，壓力能保持則人員可進倉作業(yè)。（2）帶壓進倉觀察情況①帶壓1.1bar進入土倉，打開側(cè)面球閥無水。②打開倉門，倉內(nèi)渣土覆蓋閘門2/3，由于刀盤轉(zhuǎn)向為向左，導(dǎo)致右側(cè)渣土多。③土倉內(nèi)無積水，側(cè)壁9點位置行成約1L每秒水流。④掌子面堅實穩(wěn)定。⑤可以進行換刀作業(yè)。（3）加減壓操作通過醫(yī)生的指導(dǎo)，加壓時間可以略短，加壓至1bar壓力時間控制在5-10min，從1bar壓力減壓至常壓時間控制在10-20min，主要控制速率的要素是加減壓人員在過程中的舒適度；5.2.3帶壓換刀在5月30日到6月20日之間，根據(jù)實際情況分3次更換完所有滾刀及部分刮刀，為便于分析，將整個過程分為三個階段分別進行說明。（1）第一階段換刀情況（5.30-6.3）帶壓換刀過程中土倉內(nèi)始終存在側(cè)壁9點位置行成約50mL每秒水流，每日出渣2次，主要是水。換刀時首先對刀盤大臂內(nèi)的泥餅進行清理，完成清理后進行換刀，刀盤的旋轉(zhuǎn)對地層存在擾動，每次轉(zhuǎn)動刀盤均會有渣土滑落，刀盤前與掌子面逐漸形成50cm間隙，上方形成10m高，3m直徑的空洞。其間，隨著可保持的壓力降低，空氣平衡系統(tǒng)注入的空氣量增大，土倉內(nèi)噪音增加，水位升高達到中心換刀位置后影響換刀作業(yè)，必須出渣降低水位；作業(yè)至6月2日，發(fā)現(xiàn)土倉內(nèi)水流不大，計劃使用常壓換刀，但水位上升快，沒過土倉閘門，常壓下無法換刀，而后重新進行帶壓換刀。第一階段換刀4天時間，共完成刀具更換9把。倉內(nèi)情況如圖5.1，5.2，5.3所示。5.1刀盤進渣開口前狀況圖5.2刀盤頂部與前盾接縫處圖5.3刀箱形成的軟泥餅加壓作業(yè)的記錄見表5.2。表5.2第一階段作業(yè)記錄日期時間壓力（bar）進倉工作內(nèi)容200810:00-11:001.1檢查地層,刀盤;200812:00-16:231.08清渣200821:15-0:120.64清渣20081:02-5:300.46清倉20088:27-12:170.45清渣排水200814:37-18:300.4拆下一把先行刀200821:46-2:080.38更換21#，17#20082:55-03:060.38更換19#，23#，拆15#20088:20-12:000.37更換27#，34#20