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摘要：文章结合厦门地铁2号线工程实例，研究了地铁盾构施工偶遇孤石的处理技术，主要阐述带压开仓换刀技术应用。结果表明，本文提出的处理方案具有可靠的效果，可以保证操作过程的安全性。希望本文对地铁施工的标准化施工和安全性具有积极的参考价值。在复杂的城市环境中，能够更好的解决盾构掘进施工的难题。
关键词：地铁；盾构；孤石；带压开仓
前言：孤石是指存在于软质风化层中的花岗岩球状风化体，球状风化是花岗岩层中十分常见的现象，属于花岗岩的不均匀风化。由于孤石埋藏分布是随机的，且形状各异，大小不一，岩土分布变化剧烈。目前地质勘探技术难以探测清除孤石的分布。盾构施工过程中遭遇孤石可能出现的主要问题有：刀具磨损严重、刀座变形，且更换困难；刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，刀盘变形；刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏、刀盘堵塞、盾构负载加大；被刀盘推向隧道侧面的大漂石甚至导致盾构转向，偏离隧道轴线；地层裂隙发育，地下水丰富，螺旋机易喷涌等；对盾构工程施工极为不利。
1工程概况
厦门地铁2号线马銮西站～马銮中心站区间从马銮西站始发，盾构掘进通过疏散竖井区间，下穿灌新路隧道后进入马銮中心站。区间隧道主要穿越主要穿越中粗砂、粉质黏土、凝灰熔岩残积粘性土、全风化凝灰熔岩。中粗砂层渗透系数较高，施工不当易造成水土流失。区间部分地段下部为全风化凝灰熔岩，中上部为凝灰熔岩残疾粘性土，地层软硬不均。地下水主要有第四系孔隙水、风化残积孔隙裂隙水、基岩裂隙水。区间基岩凸起处理采用地面钻孔爆破，基岩凸起爆破控制值为取芯芯样尺寸≤30cm。实际掘进过程中由土层到岩层过渡时，盾构推力、刀盘扭矩、出渣温度等参数出现明显增大现象，施工过程中亦出现刀盘卡死现象。
2孤石对盾构施工作业的影响以及方案选择
2.1孤石对于盾构掘进的影响
因为孤石一般位于沙子和残积土层，固定的孤石，断裂形成的反应不能产生足够的破碎反应力，在掘进的过程中孤石将对土层破坏或工具反弹，或者是在刀盘前循环，阻止盾构机前进和损伤刀具。如果盾外边缘存在圆石，可能会挤压盾体使盾体偏离方向，尤其是盾机的一侧是圆石，另一侧是软弱的土层，容易造成隧道轴线偏斜。本工程施工过程中刀盘扭矩瞬间达到4000N•m以上、刀盘和螺机卡死次数较多，盾体振动较大，并有较大、较多石块排除，同时中心撕裂刀从螺机口排除。
2.2盾构掘进中孤石的处理方案选择
区间右线通过讨论分析我部决定在390环进行开仓检查及更换刀具，该段地层主要以凝灰熔岩残疾粘性土、全风化凝灰熔岩、微风化凝灰熔岩。该段地表环境为马銮湾回填区域，无任何管线及构建筑物。其中凝灰熔岩残疾粘性土渗透系数为0.12m/d，属若渗透系数地层。由于基岩凸起段地处马銮湾片区，原上覆地表为鱼塘虾塘等水产养殖区，地下水丰富，供给量充沛，掘进出土经常性涌水，综合考虑，本次进仓施工采用气压法进行。
3带压开仓换刀施工准备
3.1明确进仓主要作业内容有：
（1）对刀盘上所有的圆弧刮刀进行检查，并记录磨损值；对磨损超限或受损的刀具进行更换。
（2）检查滚刀磨损或损坏、螺栓松动情况，对磨损超限或受损的刀具进行更换。
（3）检查刮刀、边刮刀、仿行刀，对受损的刀具进行更换；
（4）检查刀盘磨损情况，如表面耐磨层、周边耐磨条、刀座等，并做详细记录；
（5）检查主轴承连接螺栓、螺母及其密封油脂情况；
（6）检查刀盘六根辐条支柱是否有裂缝。
（7）检查刀盘下部硬岩块堆积情况，对粒径≥30cm的石块进行人工搬离清除。
3.2人员配备
根据带压工作情况确定每天的进仓班次，配备足额人员，明确岗位职责，保证进仓人员安全。具体人员配备见下表。
表1人员配备
3.3设备检查
（1）空压机检查
为保证压气作业的安全性，应对电动空压机电气、机械等元件进行全方位的检查维护，同时为了保证供电的连续性，应准备柴油发电机。
①检查所有空气过滤器，滤油器等，不符合要求的进行更换；
②检查螺杆油、柴油的油位是否足够；
③检查冷却器是否能正常使用；
④检查电气元件是否处于正常工作状态；
⑤检查机械元件是否处于正常工作状态，如三角带等；
⑥检查柴油发电机（备用）蓄电池的电量是否足够，工作是否正常；
（2）人闸检查
在高气压力下，检查以下项目：
①仓内压力传感器必须能正常工作；
②紧急照明必须能正常照明；
③紧急电话必须能正常通话；
④各个压力表必须能正常显示；
⑤主室和入口室温度计显示必须正常；
⑥主室和入口室各备时钟一个，并能正常工作；
⑦主仓和前仓的溢流阀压力调为3.5bar；
⑧各个手动球阀开关必须正常；
⑨流量计工作必须正常；
⑩各个密封门开关必须正常；
⑾各个加热装置加热必须正常。
（3）应急供电及供气
①应急供电模式：在地面配置一台250kw柴油发电机作为应急备用电源与盾构机连接，满足意外断电情况时空气压缩机、水泵、照明及其他应急设备的负荷，由盾构工区与项目部电工负责协调落实。
②供气系统气源保障：盾构机自带储气罐、空压机等设备（2台空压机55KW一用一备），随时可用于应急抢险工作。供气系统装配空气过滤系统，对油、水等进行彻底的过滤，保证气体质量。
3.5人仓加减压试验
试验时不要求人员进入，只进行无人压力试验，以检查主仓与副仓的各功能部件在试验压力下的工作情况。
3.6盾尾密封施工
（1）同步注浆
在进仓前，使同步注浆填充密实土层与盾壳之间的间隙，阻断管片与盾壳之间的水流通道。
（2）管片背后封水
进仓前需在盾构机后部5环范围内形成止水环箍，前三环采用聚氨酯通过盾尾后方管片注浆孔向外进行环箍压注，注浆效果需达到打开管片注浆孔无明显渗水。后两环进行二次注浆，浆液类型为纯水泥浆，水灰比为1：1，采用42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间为30min～2h，注浆压力控制在0.3～0.5Mpa，注浆范围为360°，注浆量为1.2m3左右。使聚氨酯及水泥浆在盾构机后部形成止水环箍，阻断外来水进入盾构机前部。
3.7土仓内泥膜建立
在确定进仓时间后，应在之前及时对开挖仓进行渣土置换，第一步采用比重为1.1-1.15，粘度为20-23S的稀泥浆进行土仓渣土大循环浆液置换（注入泥浆量与实际出渣量应保持一致），使浆液在地层中形成较厚的泥膜渗透带，然后浆液站调浆进行第二步操作。第二步采用比重为1.15-1.2，粘度为25-30S的泥浆再进行大循环浆液置换（注入泥浆量与实际出渣量应保持一致），使浆液在开挖面表面进一步形成较厚的致密泥皮，静止2小时后观察液面稳定情况。第三步当气泡仓液位完全稳定后，进行开挖仓气体置换密封实验。降压或升压的过程中，严格控制降升速度，液面变化的速度控制在2cm/min之内，切口压力波动控制在设定值的正负0.1bar之内。第四步当气体置换完毕并停止泥浆循环之后，为了确保在长时间进仓作业过程中开挖仓内泥浆质量的稳定，必须采用粘度不小于40S，比重不小于1.2的高质量泥浆直接用同步注浆泵向开挖仓进行补注。确保掌子面稳定。
3.8土仓保压试验
开仓点地层为弱渗透性，渗透系数为0.12m/d，故可先在为建立你泥膜的情况下进行保压试验，若无法达到保压效果，则需进行泥膜建立。保压试验方法：开仓前进行渣土输出，同时加入气体置换，液位降低、泥膜形成；保压试验合格的判定标准：当仓内压力达到预定值时，打开自动保压系统，静置时间不小于2h，观察、记录仓内液位及压力无变化或发生波动值不大于0.05bar时，则表明保压试验合格，可进行下步作业，反之，则需重新成膜，直至达到良好的密封效果；
3.8土仓保压试验
土仓内渣土出渣，通过前期制作泥膜，此时土仓内压力值比初始值高0.2bar，将土仓内的土体降至指定位置，将压力值调整至初始值；检测人员进入人仓，打开土仓排气阀，将气体检测仪放置在排气孔上，对土仓内空气进行检测。当仓内空气符合要求时，人员方可进入仓内进行刀盘清理施工，可采取往仓内注入新鲜空气的同时排放仓内空气使得仓内空气中有毒有害气体浓度降低。
4带压进仓作业
4.1刀具检查
本次气压进仓的首要目的是检查刀具现状。即对目前刀盘上仍存留的刀具进行细致检查，通过应用刀具检测尺，刀具磨损超过15mm需进行更换修理。
4.2刀具更换
根据刀具检查结果，确定刀具更换的数量、型号，及换刀的工作计划等。换刀施工要点：
（1）换刀前，应先将刀盘转至理想位置。换单刃滚刀或其对应刮刀时，利用螺旋机将土仓内土体清除至盾构中心向上540mm，换中心双刃滚刀或其对应位置刮刀时，土仓内土体清除至盾构中心向下810mm。
（2）当刀盘转至预定位置时，通过螺旋机出土将土位降至指定位置（图中粗线表示），然后通过人仓输送木板至土仓内铺设于土体之上，便于施工人员进行土仓内可立于木板上进行换刀施工。
（3）换刀施工时，由于土仓与刀箱内泥饼的清理，还存在多次渣土卸装工作，但渣土卸装前，应注意土仓保压工作。
（4）如在换刀过程中发生刀具难以拆卸等问题，则可借助相关辅助工具进行拆卸，如手拉葫芦、拉码器（可现场制作）等。
4.3清障
（1）掉落刀具确认
在制作泥膜过程中需多次通过螺旋机出土，在出土过程中，需严密关注渣土中是夹杂刀具，如有发现，需及时拣出，以待刀具检查结果确认后，进行比对。在刀具更换完成后，需再次进行清仓，通过螺旋机出土，并在渣土中寻找掉落的刀具，并与刀具检查结果进行比对。
5作业人员出仓
换刀和检查道具等其它压工作完成之后，施工人员要确保没有任何工具、杂物遗留在仓内，并进行仔细检查，确保无误后关闭仓门，一切都做好后，准备减压出仓，减压过程严格按照国家规范时间进行减压操作，带压作业人员出仓后，按要求需要进行12h的观察后，才可以恢复正常生活。
6结论
带压开仓换刀取得成功，关键在于开仓换刀前保压系统的完好性及泥膜的成功制作，完备的保压系统和完整的不透水的泥膜保证了掌子面的稳定。进仓过程和加压过程同时分步进行；降压出仓过程也同样如此；泥膜加压形成需要的压力比切口压力高出0.5bar是合适的。要保证开仓换刀施工安全，进仓前的降压试验以及地面监测（制泥膜期间地面是否发生漏浆、压气作业期间地面是否漏气）必须得到落实。
参考文献：
[1]《CJJ217-2014盾构法开仓及气压作业技术规范》CJJ217-2014