破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工工法.pdf

1、破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工工法破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工工法1 前 言前 言盾构开仓施工作为盾构工程最大的风险源之一，近几年来国内安全事故时有发生，究其原因在于盾构土仓掌子面的稳定性地层的影响极大。在破碎松散复合地层中，一般采用带压开仓换刀施工工法，该工法工效低，施工成本高，对于进仓人员的施工技术的熟练度要求极高。破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工技术由中交一公局厦门工程有限公司自主研发，该技术可在破碎松散复合地层中采用常压法进行开仓施工，节约大量工期及成本，且对进仓人员无特殊要求。经过实践应用，该技术取得了良好的经济和社会效益，经总结归纳形成本了工法。本工法依托工程为厦

2、门地铁 2 号线二期 2 工区，该工程位处福建省厦门市海沧马銮湾开发区，施工场地为典型复合地层，大量填土填石与原状土混合形成现有地层，导致地层松散破碎。针对该工程地层地质特点，施工难度大，我部以确保开仓施工安全，节约成本及工期为目标开展了技术攻关，研究形成了一套新的“破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工技术”，正在申报一项发明专利，同时该项研究内容已通过交通建设科学技术研究成果鉴定，鉴定等级为国内先进。2 特 点特 点2.0.1改变常规破碎松散地层采用带压开仓的方式作业。利用地层注浆+内外排水技术，避免采用带压开仓，以常压开仓进行换刀，实现安全、效率和经济性的最优化。2.0.2内外排水相结合，

3、提高开仓时掌子面的稳定性。破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工技术采用地面排水+盾构机内排水的内外结合技术，全面降低开仓点地层的地下水位及水压，确保掌子面的稳定性。2.0.3地面注浆与土仓注膨润土相结合，提高常压开仓时掌子面的稳定性。采用自主研发的浆液配比进行地面注浆及土仓膨润土注浆，使掌子面土体处于稳定状态，确保施工的安全2.0.4工效高，成本低本工程破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工技术采用常压法开仓，使整个开仓过程施工高效，成本低廉，为单位获得了大量的经济效益。3 适用范围适用范围本工法适用破碎松散复合地层条件下的盾构常压开仓换刀作业，适用地区主要以广州、深圳、厦门等东南沿海地层为主。

4、4 工艺原理工艺原理本技术利用自主研发的水泥浆液配比及膨润土浆液配比进行掌子面地层加固，辅以地面降水井排水+盾构机内排水相结合的内外排水，在加固地层的同时降低地层水位及水压，为盾构机常压开仓提供必备条件。在地层加固及地下水位降低后，利用螺栓输送机外排土仓渣土及膨润土，检查确定安全后进行开仓作业，人员进入土仓内检修更换刀具，以最短的时间将刀具更换完毕后关闭仓门，恢复盾构掘进施工。5 施工工艺流程及操作要点施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程工艺流程破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工工艺流程见图 5.1：地面注浆加固效果检测降水井施工土仓膨润土注浆土仓渣土排放地面降水盾构机内排水气体检测压风换气

5、土仓通风气体检测进仓换刀结束关闭仓门图 5.1 施工工艺流程图5.2操作要点操作要点5.2.1 地层加固地层加固地层加固采用袖阀管注浆加固，加固范围为刀盘前 3m，刀盘后 3m，刀盘后的袖阀管打设至离盾构机顶 1m，具体加固范围如图 5.2.1-1 所示。袖阀管采用 1m 间距梅花形布置，浆液采用水泥浆（水灰比 1.0），注浆钻孔直径 91mm，袖阀管外径 52mm，浆液配比根据现场地质条件进行试配确定。采用 PVC 塑料管作袖阀管，在袖阀管上每隔 33cm 有一组 46mm 的射浆孔，每组孔的纵向长度 6cm-10cm，每米袖阀管上设置 3 组射浆孔。在每组射浆孔外部都包裹有一层橡胶套，橡胶

6、套长度比每组射浆孔长度略长，以包裹住射浆孔为原则。为防止橡胶套上下错位，须在橡胶套两侧用固定环固定。袖阀管不应有较大的弯曲，内壁必须光滑。图 5.2.1-1 地面注浆加固5.2.2 土仓膨润土浆液注入土仓膨润土浆液注入在确定进仓时间后，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膨润土渗透带，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

7、面表面进一步形成较厚的致密泥皮，在提高掌子面破碎地层的稳定性同时阻挡袖阀管注浆浆液流入土仓内。图 5.2.2-1 土仓膨润土浆液注入5.2.3 内外排水施工内外排水施工外排水采用地面降水井降水。在盾构机刀盘左右两侧 2m 距离处，各设置一口降水井并进行降水。通过降水使开挖范围内的土体含水量降低，保证土体强度。降水井深度到达盾构及底部以下1.5m，孔口应高于地面 0.2m。井应保持垂直、不缩颈。井底至井口 3m 以下均应填充中粗砂，井口段 3m填充粘性土。降水井直径 600mm，使用直径 529 钢管作为井管，井管下部过滤部分管壁上呈间距 200200mm 梅花形钻直径为 20mm 的孔，管壁外

8、包两层 60 目金属丝网。管井降水完毕后，用起重设备将管井管口套紧徐徐拔出，滤水管拔出后可洗净再用，所留孔洞应用砂砾填实，上部 500mm 用粘性土填充夯实。内排水采用盾构机内部前盾设有的土仓隔板上的连接孔进行排水，在降水井水位降至井底后，打开土仓隔板的 2 个排水口，排水口用球阀连接，并用软管连接到拼装区位置，让土仓内的水流入盾构机拼装区内，再用隔膜泵外抽至隧道外。待排水口水流尽后，开仓作业时，下放抽水泵至土仓内，采用土仓内抽水确保土仓水位不上涨。图 5.2.3-1 降水井施工5.2.4 换气及检测换气及检测利用螺旋输送机将土仓内渣土排至盾构中心附近，然后关闭人仓仓门及所有阀门，仅留土仓隔板

9、底部的 2 个连接口，通过主控室向土仓内加气，使土仓内气体由连接口外排出来。循环换气，每隔 30min 测试一次气体含量，待气体含量达标后静至 1h，重新换气一次。进仓气体条件要求如下表所示。表 5.2.4-1 进仓气体条件要求序号气体含量（%，按体积计）1一氧化碳0.00242二氧化碳0.53甲烷14硫化氢0.000665氧气1922人员进入土仓施工前，应先对仓内气体进行检测。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。

10、作业过程中，当气体杂质含量超过此范围时，所有压气作业人员必须由土仓返回人仓。同时仓内充入清洁气体，利用气体检测仪直到气体符合要求。图 5.2.4-1 土仓渣土外排图 5.2.4-2 气体检测记录5.2.5 进仓换刀进仓换刀进仓后首先检查刀具现状。即对目前刀盘上仍存留的刀具进行细致检查。首先检查刀具是否存在偏磨、刀具能否顺畅转动；其次检查刀具是否存在掉落、断裂、局部崩坏、缺口的现象；如有该现象发生，则应进一步价差刀座是否存在碰撞损伤或其它损伤。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。施工前，将所需的刀具吊入井口经电瓶车运输至盾构机头部并整齐摆放，将手拉葫芦挂至已焊接的吊耳

11、（位于盾尾顶部壳体）之上，利用手拉葫芦将刀具或其他工具提升到人仓高度后，通过人仓内手拉葫芦入仓，结合人工推送来进行刀具的卸、装。换刀施工前，必须明确所需更换刀具的编号及换刀步骤。一般情况下，换刀时须拆一把装一把，且须由外往内更换，特殊情况时听从专业工程师的安排。图 5.2.5-1 人员进仓图 5.2.5-2 掌子面检查图 5.2.5-3 换刀作业5.2.6关闭仓门关闭仓门待刀具全部更换后，人员全部撤离仓门，清点材料工具，确保不遗留任何东西在土仓内，然后关闭连接仓门，这时候即可恢复盾构掘进施工。图 5.2.6-1 仓门关闭前检查图 5.2.6-2 刀具磨损统计5.3劳动力组织劳动力组织劳动力组织

12、情况见表 5.3：表表 5.3劳动力组织情况表劳动力组织情况表序号序号工种工种/职务职务数量（人）数量（人）备注备注1盾构经理、总工2总负责2熟练作业工人8熟练工3协助人员6材料供应、工具准备4盾构操作手2盾构操作室值班5机械维修工4风、水接入和保障6电工2照明接入（12V 低压）维修检查电路7土木工程师2分析开仓位置地质情况，观察掌子面稳定性，检查或换刀安全及质量安全监督8机电工程师2设备故障排除，检查或换刀安全及质量安全监督9安全员2各项安全监督10班长2熟悉进仓施工流程11质检工程师（QC）1刀具检查或换刀质量控制12电焊工2焊接合计18 人6 材料与设备材料与设备6.1材材料料破碎松散

13、复合地层盾构常压开仓换刀施工所涉及到的材料见下表：表表 6.1破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工施工材料表施工材料表序号序号材料名称材料名称规格规格单位单位数量数量1重型套筒36mm个12重型套筒46mm个13重型套筒55-65mm个14葫芦1T个25葫芦3T个26小尖铲把27小撬棍把28钢丝绳6mm，长 1m根29钢丝绳6mm，长 1.5m根210榔头12 磅个211榔头2.5 磅个212钢丝钳把113錾子把214内六角气动扳手24mm把115气动扳手300mm个2162T 吊绳拉力 2T米817手电把418千斤顶5T个119安全带2 T条46.2设设备

14、备破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工所涉及到的设备见下表：表表 6.2破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工设备表设备表序号序号机具名称机具名称单位单位数量数量备注备注1照明系统套22电话套13对讲机台62 台备用4多功能气体检测仪器台15水泵台21 台备用6防坠器台2高挂低用、使用前检查、倾斜作业时倾斜度不超过 30 度、防坠器严禁安全绳扭结使用。7 质量质量要求要求7.1质量控制标准质量控制标准破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工质量控制标准主要的规范、标准和检验方法如下：7.1.1 盾构法隧道施工与验收规范（GB 50446-2017）；7.1.2 城

15、市轨道交通地下工程建设风险管理规范（GB50652-2011）；7.1.3 城市轨道交通工程监测技术规范（GB 50911-2013）；7.1.4 盾构法开仓及气压作业技术规范（CJJ217-2014）；7.1.5 建筑机械使用安全技术规程（JGJ33-2001）；7.2质量保证措施质量保证措施7.2.1工程地质条件，直接关系到开仓施工的安全，是进行开仓管理的根本依据。应选择地下水相对较小、地层自稳能力相对较强的地层条件的地段进行开仓施工。7.2.2地面环境条件对开仓的限制主要包括两个方面：一是受开仓影响引起地面沉降变形对周围环境的影响；二是在刀具急需进行处理而工程地质条件不具备开仓安全要求的

16、情况下，地面环境是否具备进行地层加固处理的条件。7.2.3地层内是否存在或通过地层裂隙渗入土仓内的易燃有害气体，对现场施工人员的健康及安全都构成了威胁。7.2.4刀具的使用情况应以工程地质条件为依据，并应紧密结合开仓管理。在进行刀具使用计划管理时应充分考虑工程地质条件中的不确定因素。7.2.5充分考虑开仓引起地面沉降变形、建（构）筑物变形等影响情况，宜选择在地面建筑物相对较少的地段，减小影响范围及程度。7.2.6在开仓后及人员进仓作业的全过程中，加强内外通风，必须保证仓内与仓外空气的流动性，保证人员作业环境的安全。7.2.7做好开仓施工的准备工作，遵循“快进快出”的原则，确保开仓施工的连续、快

17、速。8 安全措施安全措施8.0.1开仓作业必须在既定的位置进行，如因施工需要必须在其他位置进行开仓作业时，必须经充分分析论证后决定。8.0.2开仓作业的一切准备工作必须提前做好，一旦开仓必须保证换刀作业立即开始。8.0.3开仓后先观察掌子面的稳定情况，经判断稳定后再进入土仓作业。8.0.4要严格执行对甲烷、CO 等有毒有害易燃易爆气体浓度检测工作，如果浓度超标严禁进入工作面再继续通入空气，直至气体检测无异常。并采取充分的通风换气措施，使仓内的氧气浓度在作业过程中始终保持在 19以上，严禁用纯氧进行通风换气。8.0.5在作业过程中由专人负责观察掌子面稳定情况和水位情况，一旦发现异常及时撤出施工人

18、员并关闭仓门。8.0.6严禁工作人员在隧道内吸烟或在盾构机内以明火作业，如需要明火作业必须经对本区域气体进行检测。8.0.7每次转动刀盘时确保通讯畅通，人员和机具等撤离土仓方可转动刀盘，刀盘停转后关闭刀盘锁并拔除钥匙交于专人保管后人员方可进入土仓作业。8.0.8在刀具更换过程要持续通入空气且不断对甲烷等气体浓度等进行监测，一旦发现异常气体浓度超标，工作人员应立即撤出工作面切断电源进行处理。电动机或其开关地点附近 20m 以内风流中甲烷浓度达到 1.5%时必须停止运转，撤出人员切断电源在进行处理。8.0.9因瓦斯浓度超过规定而切断电源的电气设备，都必须在甲烷浓度降到 1%以下时方可开动机器。8.

19、0.10工作仓内用于照明的灯具必须使用安全防爆类型，照明所使用的安全电压输电线路必须使用密闭电缆，严禁使用绝缘不良的电线或裸体线输电。8.0.11操作平台和换刀用葫芦应固定牢固，仓门应畅通严禁杂物堵塞仓门，工作面附近必须配备有效的灭火器。9 环保措施环保措施9.0.1施工场地内的建筑垃圾在场内设置临时堆放、集中堆放场所，定期运到指定地点；9.0.2作好施工期防水、排水工作，盾构排水所产生的废水集中设置沉淀池或净水器过滤器等进行处理，不得排入河道、农田、耕地、饮用水源和灌溉渠道。9.0.3开仓过程中使用的燃油、油、颜料等化工材料应保存在安全容器中，指定放置地点，以免外泄。9.0.5施工作业产生的

20、灰尘，在场的作业人员配备必要专用劳保用品，对所使用的便道等道路经常进行洒水以使灰尘公害减少至最小程度。9.0.6禁止在工地燃烧有毒的物品，以免影响周围环境。9.0.7地面注浆过程中设置全封闭结构，产生的泥浆采用专用泥浆车运输至相关处理厂进行处理后丢弃至指定地点。10 效益分析效益分析10.1经济效益经济效益10.1.1本工法采用破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工工艺进行开仓，避免了常规该地层采用带压开仓施工作业，节约了空压机、带压作业设备等，无需聘请专业带压作业队伍，节省了大量施工成本。每此开仓施工可以节约的直接成本为专业队伍施工及相关设备费用，也节约了大量的施工工区，每处开仓可节约工期 1

21、 个月以上，成本可节约 207 万元，相比其它施工时间更久工艺能够节省更多的直接成本，具体节省成体见下表：表表 10.1经济效益分析经济效益分析表表序号节省项目费用（万）计算单位数量小计1专业队伍施工费0.8仓60482空压机租赁费0.08天453.63带压进仓材料费5处154地层全面加固费用150处11505零星费用0.5处10.5合计207.110.2社会效益社会效益10.2.1经过工程实践，破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工工艺的工期达到 15 天/处，比采用带压作业施工缩短了一个月以上的工期，比常规被动开仓作业施工缩短了半个月以上工期。10.2.2本工法适用于破碎松散复合地层条件下的

22、盾构常压开仓作业，尤其适用于东南沿海城市，范围较广，施工安全可靠。10.2.3本工法实施后取得了很好的效果，不仅极大地缩短了建设工期，而且安全质量也得到了业主和监理的一致好评，并陆续在我公司其他工程中得到推广和应用。11 应用实例应用实例11.1厦门地铁厦门地铁 2 号线马銮西站号线马銮西站马銮中心站盾构区间马銮中心站盾构区间工程工程11.1.1 工程概况马銮西站马銮中心站区间为盾构区间，盾构机自马銮西站始发于马銮中心站到达。隧道埋深约为 9.85m21.81m。左线全长为 1110.772m。右线全长为 1134.814m，区间采用 2 台土压平衡盾构机进行施工。区间穿越地层主要以凝灰熔岩残

23、积砂质粘性土、全强风化凝灰熔岩为主，由于地处马銮湾开发片区，部分区域存在岩性未知的填石，施工过程中预计需要开仓检查及换刀的地点有 3 处。11.1.2 施工情况采用本工法施工，顺利完成开仓换刀 2 次，本工程地质为松散破碎的复合地层，带压法作业存在无法保压的风险，采用本工法施工很好的解决了这个难题，施工过程安全可靠未出现任何事故，而且做到了安全质量得到保证的前提下实现常压高效换刀的目标，节省了大量成本。11.1.3 工程评价本工程采用了破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工工艺，很好地完成了马銮西站马銮中心站盾构区间开仓换刀施工内容，不仅施工质量有保证、外观质量好，而且施工速度快，能够节约施工成

24、本。11.2厦门地铁厦门地铁 2 号线马銮北站号线马銮北站马銮西站盾构区间工程马銮西站盾构区间工程11.2.1 工程概况马銮北站马銮西站区间为盾构区间，盾构机自马銮西站始发于马銮北站到达。隧道埋深约为9.85m21.81m。左线全长为 1100m。右线全长为 1123m，区间采用 2 台土压平衡盾构机进行施工。区间穿越地层主要以凝灰熔岩残积砂质粘性土、全强风化凝灰熔岩为主，由于地处马銮湾开发片区，部分区域存在岩性未知的填石，施工过程中预计需要开仓检查及换刀的地点有 5 处。11.2.2 施工情况采用本工法施工，顺利完成开仓换刀 3 次，本工程地质为松散破碎的复合地层，带压法作业存在无法保压的风

25、险，采用本工法施工很好的解决了这个难题，施工过程安全可靠未出现任何事故，高效的换刀作业确保了工程按期达到工期节点。11.2.3 工程评价采用常压开仓换刀，极大程度的降低施工工期及成本，而且地层土体的稳定性得到很好的加固，施工过程安全可控，得到了业主和监理的一致好评。11.3福州地铁福州地铁 2 号线上街站号线上街站金屿站盾构区间工程金屿站盾构区间工程11.3.1 工程概况福州地铁上街站金屿站区间为盾构区间，盾构机自上街站始发于金屿站接收。区间左线全长为 1326.017m，右线全长为 1291.717m。区间采用 2 台土压平衡盾构机进行施工。区间穿越地层主要以残积砂质粘性土、全强风化花岗岩为

26、主，存在一定数量的不均匀风化体，施工过程中预计需要开仓检查及换刀的地点有 2 处。11.3.2 施工情况本工程采用破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工技术突破了传统的施工工艺进行换刀作业1 次，换刀时间约为半个月，较常规被动开仓换刀作业时间节约半个月以上，本工艺很好的利用自身优势解决了此地层条件下无法带压作业的问题。施工过程中的安全和质量也得到了业主的认可。11.3.3 工程评价采用破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工技术突破了传统的施工工艺，提高安全性的同时避免了大量的成本时间支出，经过本工程施工实际应用证明，新型破碎松散复合地层盾构常压开仓换刀施工工艺既能够达到常规盾构常压开仓的施工工效，又能够达到带压开仓的施工安全性，与此同时新工艺不需要带压开仓所需的人力、材料支出，为项目节省了大量的资金成本，得到了各方的一致认可。