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文檔簡介
1、盾構帶壓進倉作業(yè)工法 一、 前言 盾構施工以其安全、快速、高效在城市基礎設施城市地鐵、市政公用管路建設中得到越來越廣泛的應用。當盾構機在硬巖或自穩(wěn)能力較強的地段掘進時,因地層本身有自穩(wěn)能力,不需要在土艙蓄壓以提供額外支撐壓力,這種情況下可在無壓下直接進入刀盤作業(yè)。當盾構機在軟巖、富水地段掘進時,由于地層自穩(wěn)能力差,必須利用盾構機自身及配套設備來提供使地層穩(wěn)定的支撐壓力(EPB),這種情況下便需采用帶壓進倉模式來進行刀艙內的各項工作。 盾構施工中不可避免的要遇到復雜地層、要穿江過河、也要經過密集建筑群。而盾構上承擔掘進功能的刀盤刀具是損耗件,在施工一定長度后達到磨損極限就得檢查更換,在這種復雜施
2、工環(huán)境條件下,很難實現敞開式檢查和維修保養(yǎng)、刀具更換,利用人員艙帶壓進行換刀可以安全快速地解決這一難題。為了確保帶壓進倉檢查刀盤及換刀作業(yè)的順利進行,確保帶壓進倉工作人員的安全,保證刀盤檢查及換刀作業(yè)順利進行;通過有規(guī)律的檢查刀盤,掌握刀盤及刀具在不同地層中的使用情況,使換刀作業(yè)規(guī)律化,避免刀具及刀盤的非正常損壞,需要一個完整的作業(yè)程序來實現。 廣州市軌道交通四號線大學城專線【小新盾構區(qū)間】土建工程在DK22+365DK22+875里程段下穿新造海,水道寬約510m、一般水深515.0m,最深17.0m,隧道范圍內主要為7Z、8Z、9Z強、中、微風化混合巖,洞頂主要為6Z全風化混合巖層、5Z-
3、2殘積土。河床底隧道最小覆土厚度8.37m,盾構通過新造海時要遇到高水壓、硬巖掘進、軟硬復合地層掘進等困難,在保證盾構設備和施工人員的安全的前提下,盾構在無自穩(wěn)能力的軟巖及軟硬不均、含水豐富地段地層掘進時,特別是在新造海底長距離上軟下硬地層段掘進時遇掌子面地層不穩(wěn)的情況下,必順通過帶壓進行刀盤刀具檢查及刀具的更換。經現場多次帶壓作業(yè)實踐,總結形成本工法。 二、工法特點 1、通過完善的自動保壓系統(tǒng)和嚴格的操作規(guī)程規(guī)范作業(yè),使帶壓作業(yè)條件下人、機安全有保障。 2、為盾構需長距離穿越江河湖海、下穿密集建筑物群等盾構無法實施敞開式作業(yè)的特珠情況下施工提供了一種有效途徑,完善了盾構施工技術,拓展了盾構機
4、適用范圍。 3、可實現帶壓進倉進行刀盤、刀具的檢查和更換,進行有規(guī)律的檢查刀盤、刀具,掌握刀盤及刀具在不同地層中的使用情況,使換刀作業(yè)規(guī)律化,避免刀具及刀盤的非正常損壞,保證設備完好率。 三、適用范圍 1、在盾構需長距離穿越江河湖?;蛳麓┟芗ㄖ锶旱葻o法實施敞開式作業(yè)的特珠情況下的復雜地質隧道工程。 2、實施帶壓地段刀盤前方周圍地層要保證不發(fā)生大的氣體泄露或該段地層經加固處理后達到帶壓作業(yè)所需的氣密性要求。 3、刀盤前方沒有股狀水出露或經加固后刀盤前方沒有股狀水。 4、本工法適用于工作壓力3.6bar(1bar=0.1MPa)以內的帶壓作業(yè)。 四、工法原理及關鍵技術 (一)工法原理 經過對刀
5、盤前方地層加固處理后,在保證刀盤前方周圍地層和土艙滿足氣密性要求的條件下,通過在土艙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的目的,為在土艙內維修作業(yè)創(chuàng)造工作條件。其工作原理如圖1所示。 (二)關鍵技術 1、盾構機自動保壓系統(tǒng)維修保養(yǎng)及操作技術。 2、軟弱地質及軟硬不均地質條件下海底帶壓進倉檢查刀盤及刀具更換技術。 3、帶壓進倉作業(yè)人員的防病技術。 4、特殊地質條件(海底淺埋)下的帶壓進倉施工管理及組織。 五、工藝流程及操作要點 (一)工藝流程 帶壓作業(yè)工藝流程見圖2“帶壓作業(yè)工藝流程圖” (二)操作要點 1、超前地層加固 為確保刀盤前方周圍地層的氣密性和有效封堵
6、刀盤后部來水,帶壓作業(yè)前需利用設備自帶的超前注漿孔對刀盤前周圍地層進行注漿加固。在施工過程中注意以下幾點:(1)在注漿前需向刀盤及土艙內注滿膨潤土,注入壓力稍高于掘進時的土艙壓力,一方面以保證刀盤、刀具不被注漿體固結,同時可使泥漿能在可注性較好的地層有一定的擴散范圍和在掌子面形成一層封閉泥膜,增強刀盤前方地層的氣密性和提高掌子面的自穩(wěn)能力。 (2)注漿管采用自加工的小導管,小導管按作業(yè)允許空間分節(jié)加工,通過設備自帶的超前注漿孔分節(jié)打入地層,每節(jié)段間采用絲扣連接;每個孔注漿完成并等漿體初凝后,及時抽出注漿管。 (3)注漿漿液宜選用水泥-水玻璃擴散性好、凝結時間合理的雙液漿,以達到充分加固地層和有
7、效封堵刀盤后部來水(主要是對切口環(huán)及以后部位的封堵)的目的,提高掌子面地層在擬定壓力范圍的自穩(wěn)能力和氣密性。(4)要選擇合適的注漿壓力和終止壓力,同時注意土艙壓力變化,一方面保證地層的加固效果,另一方面不能因注漿壓力過高而擊穿盾尾、鉸接密封(以注漿壓力瞬間值不大于盾尾和鉸接密封的額定壓力值為標準)。 (5)注漿完成后等待齡期,一般為8h,這時也要不停地轉動刀盤,防止刀盤凝結無法轉動。 2、出土及氣密性試驗 為了確保帶壓進倉作業(yè)安全順利進行,進倉前必須進行土艙壓氣試驗、測定土艙滲水量和人員艙氣密性試驗等工作。 在超前注漿工作全部完成并等強后,即可進行刀盤前和土艙內的碴土輸出,在出碴過程中,邊出碴
8、邊補充氣壓,并隨時注意土艙壓力變化,以土艙壓力不小于停機前掘進時的土艙壓力,出碴至土艙碴土面低于人倉口部以下(不能全部出空,以免發(fā)生螺旋輸送機漏氣現象)。在出土和進行氣密試驗過程中注意以下幾點: (1)出土要分階段進行,打開自動保壓系統(tǒng)設定為設計值,將土艙中的碴土輸出約1/3,觀察土艙壓力值的變化,同時安排人員觀察江面上漏氣是否嚴重,若土艙壓力無法保持,則重新恢復注漿,若土艙壓力保持2h沒有變化,則繼續(xù)出土至2/3,觀察土艙壓力值的變化,若土艙壓力保持2h沒有變化或不發(fā)生大的波動時(壓力變化值0. 05bar),則表明土艙壓氣試驗合格。 (2)土艙滲水量測定 注漿封水只能封堵盾殼周圍巖層、管片
9、背后巖層中的裂隙水,對于掌子面上較大的裂隙水在壓氣情況下仍會不斷地進入土艙。根據現場經驗,測定的滲水量若大于0.5m3/h,則不能安全地實施帶壓進倉作業(yè),必須采取安全穩(wěn)妥的排水措施。 (3)人員艙氣密性試驗 人員艙是人員出入土艙進行維修和檢查的轉換通道,出入土艙的工具和材料也由此通過,通常情況下人員艙處于無壓模式,帶壓作業(yè)時處于加壓模式,而氣密性試驗是通過升壓、降壓試驗來檢查人艙門、土艙門、艙壁上各種管路是否漏氣。根據現場經驗,從0升壓(不裝消音器)至設計值不超過10min即為合格;降壓操作過程中通常會出現土艙門漏氣現象,造成氣壓降不到0,現場實踐得出若降壓后氣壓能小于0.3bar則為安全,若
10、氣壓降不到0.3bar以下,則需要帶壓進行土艙門密封的處理。 3、帶壓進倉檢查 為了進一步判斷掌子面的地質情況和刀盤刀具磨損情況,首先要由專業(yè)工程技術人員帶壓進倉對掌子面的地質情況和穩(wěn)定性進行檢查、確認,同時對刀盤、刀具磨損情況進行檢查,確定換刀方案和各種帶壓換刀前的各項準備工作。 地質檢查的工作內容有:掌子面地質情況素描、地層加固效果驗證、掌子面出露水情況、地層取樣,并綜合以上因素對掌子面穩(wěn)定性進行判定,同時拍攝工程照片。 刀盤、刀肯檢查的工作內容有:測各種刀具的磨損量、測刀盤面板的磨損量,拍攝細部照片等,并根據檢查結果制定下一步工作方案。 4、帶壓進倉作業(yè) 根據技術部門制定的工作方案,施工
11、人員在專業(yè)操倉和救生人員的配合下進行換刀、處理斷螺栓、鑿刀槽等工作。 (1)減壓方案的確定 工程技術人員首先根據進倉檢查情況和當前位置處的水土壓力確定工作氣壓值,專業(yè)醫(yī)務人員根據工作氣壓值、工作量大小、人員身體素質確定安全、穩(wěn)妥的減壓方案。 (2)更換刀具 刀具更換的原則是先易后難,螺栓拆除采用風動扳手,螺栓緊固采用省力扳手,確保刀具安裝質量。 換刀過程中當遇到斷螺栓時,一般采用以下兩種處理方案:若斷口在螺孔之外,則直接拆除;若斷口在螺孔里面,則要用風動手鉆打孔,用取絲器取出斷螺栓,嚴禁采用電動工具。 當刀具發(fā)生偏磨后,在硬巖段掘進時就會在掌子面形成突出掌子面的巖石,為了使新安裝的刀具在開始轉
12、動時以較小的貫入度切削巖石,同時避免新裝刀具先接觸巖面而出現局部偏載現象,因此必須將突出的巖石按技術要求鑿除,否則就會很容易損壞新裝刀具,將嚴重影響施工效率,甚至造成其它嚴重后果。(3) 減壓出倉 一般情況下,每組有效帶壓作業(yè)時間為3h左右(在帶壓情況下作業(yè)人體很容易疲勞),工作結束后按既定的減壓方案進行減壓、出倉,下一組人員進倉。 5、完成收尾工作恢復推進 換刀工作完成后,作業(yè)人員要將土艙內所有的鐵制工具拿出倉外,機電技術人員要對所有的刀具安裝質量進行檢查,確認無誤后關閉土艙門恢復推進。 六、設備配套及管理 因帶壓作業(yè)屬特種作業(yè),設備配置原則以首先保證人員安全為目的。設備機具配備詳見表1:
13、說明: 1、10m3 內燃空壓機是在當供風量不足、帶壓條件下須使用風動機具、突然停電須供風等情況時啟用。 2、10m3 電動空壓機是在供風量不足、盾構機自帶空壓機發(fā)生故障時啟用。 3、減壓醫(yī)療倉(含供氧裝置),自帶人員倉減壓發(fā)生故障時,進倉施工人員應迅速進入醫(yī)療倉減壓。 表1 帶壓作業(yè)設備機具配備表七、勞動力組織根據減壓方案確定每天的進倉班次,每組作業(yè)時間約4h,每天進倉作業(yè)人員安排34個組進倉,共6個組,每組進倉安排4人,保證進倉作業(yè)人員24h內只進一次倉。人員組織詳見表2:八、質量控制及技術要求 1 、各種準備工作 由于帶壓進倉作業(yè)的特殊性,要求施工前的各種準備工作必須做充分,并經過技術部
14、門的嚴格檢查、確認。 (1)各種設備的試運行 技術人員及操作工人對盾構機上的自帶設備進行檢查、試運行;備用設備采用一列機車編組運至盾構機拖車附近,正確連接后進行試運行。 (2)作業(yè)人員的身體檢查、培訓 該項工作應委托有經驗的專業(yè)單位完成:按照規(guī)范嚴格對進倉人員進行篩選;并對進倉人員進行帶壓作業(yè)注意事項的交底培訓。 (3)河床聲納探測 對河床進行聲納探測,其主要目的是為了探測河床有無塌陷,確認帶壓進倉的邊界條件有無發(fā)生變化,為下一步的注漿封水、注漿加固方案確定提供依據。 2、注漿封水、加固 在帶壓作業(yè)前,首先要在盾構掘進過程中通過試驗測定預定停機位置處地層的涌水量大小,并據此判斷土艙與盾殼周圍巖
15、層、管片背后巖層的連通程度,從而確定注漿封水的工作量。注漿封水一般在兩個部位進行,均采用水泥漿+水玻璃雙液漿。 (1)管片背后封水 對鄰近盾尾的13環(huán)管片,利用吊裝螺栓孔進行周圈定壓定量注漿,以封堵管片背后巖層中的裂隙水。(2)切口環(huán)部位封水 利用盾構機前體上的超前注漿孔進行注漿,以封堵盾殼周圍巖層中的水,必要時在拱頂部位的孔中打入注漿芯管,同時對地層進行加固,具體步驟如下: 利用鉸接油缸向前掘進,行程達到80110mm即停止,收縮鉸接油缸使刀盤離開掌子面5080mm,以便帶壓換刀。 注漿前必須利用加泥系統(tǒng)將土艙內充滿泥漿,泥漿量依據土艙壓力來控制。 自下而上利用超前注漿孔注漿,漿液采用定壓不
16、定量,凝結時間一般控制為1min。注漿過程中容易出現漿液流入土艙,凝結后造成刀盤無法轉動,這時應采取保壓注漿,即利用自動保壓系統(tǒng)向土艙加入一定氣壓,氣壓值應選小于刀盤主軸承密封的承壓值,略大于注漿設定的孔口壓力值,防止?jié){液流入土艙,同時要不停地低轉速轉動刀盤。 拱頂超前注漿孔注漿時要盡可能地將注漿芯管打入巖層,封堵切口環(huán)的同時對地層進行加固。 (3)漿液等強 注漿完成后等待齡期一般為8h,這時也要不停地轉動刀盤,防止刀盤凝結無法轉動。 九、施工安全措施 因帶壓作業(yè)屬特種作業(yè),在每次帶壓作業(yè)實施前所有進倉人員必須經過有豐富專業(yè)經驗的單位嚴格的體檢,只有體檢合格的人員方可進行帶壓作業(yè)。同時在帶壓作
17、業(yè)實施過程中,尚需注意以下事項: 1、升壓和帶壓作業(yè)過程中的安全注意事項 (1)患有感冒或流感的人不能進入空氣艙,否則可能有耳膜破裂的危險;進倉時帶要些干燥的衣物,以備減壓時穿,防止感冒。 (2)不要將可能膨脹的飲品或食物帶入空氣艙。 (3)當人員艙室在壓力下工作時由于安全原因準備艙一般是沒有壓力的,準備艙的兩個門都是關閉的;為了空氣艙內人員的健康必須逐漸升高空氣艙的壓力,將壓力緩慢上升到操作壓力值。 (4)定期檢查流速計以確保人員艙通風;隨時監(jiān)測空氣艙人員的健康狀況;一旦空氣艙人員出現任何不適現象時,要立即中斷壓縮空氣并降壓讓不適人員離開空氣艙。(5)因在升壓和帶壓作業(yè)過程中,壓力倉/土艙內
18、溫度較高,因此在此期間要多飲水;否則,脫水會立即導致壓縮空氣病癥,但加壓前/加壓期間禁止飲用二氧化碳飲料。 (6)艙內禁止存放可燃氣體和氧氣瓶。 (7)由于壓力越高人體吸入的氣體越多,尤其是氮氣首先就會在人體液體內溶解,然后溶解在人體組織中,其飽和程度取決于壓力維持的時間以及人體組織吸收氮氣的能力,胖的人體組織特別容易吸收,因此,肥胖人員一般不允許在有壓下進倉。 (8)在帶壓作業(yè)過程中,為確保作業(yè)人員安全,艙內壓力要隨時保持基本恒定,其波動值要控制在0.05bar以內。 (9)在帶壓作業(yè)過程中,體能消耗要遠遠高于常壓下作業(yè),因此用力要適度,并注意做好自身的身體防護,盡量避免碰傷皮膚或發(fā)生身體扭
19、傷現象。 (10)由于在需帶壓作業(yè)地段,地層穩(wěn)定性較差,雖然采取了一系列封堵加固措施和通過壓縮空氣來平衡掌子面的水土壓力,但仍存在許多不定因素,當界面條件發(fā)生變化時,掌子面仍存在有部分失穩(wěn)或出現涌、漏水的可能,所以在檢查刀盤和帶壓作業(yè)時仍具有一定的危險性,因此在這一過程中必須一直密切關注掌子面的穩(wěn)定情況和涌水量的變化;出現異常情況時,應立即停止帶壓作業(yè)。 2、減壓過程中的防病措施 減壓期間必須釋放溶解在體內的氣體。減壓期間必須按照減壓方案減壓,這樣體內的氣體就會通過血液循環(huán)和肺排出來。如果壓力降低太快,會在人體液體和組織內形成氣泡(二氧化碳水反應),氣體栓塞就是帶壓作業(yè)后最容易出現的組織病癥根
20、源。另外,釋放的氣體會造成暫時性或者永久性組織損傷。從壓力狀態(tài)下到常壓下的轉變周期過短,就會造成嚴重的壓縮空氣病癥,經常會在減壓期間或者幾小時后出現。壓縮空氣病癥主要體現為:肌肉和/或關節(jié)痛;皮膚騷癢和/或紅藍顏色;中央神經系統(tǒng)紊亂:眩暈耳鳴聽力僵硬呼吸困難視力和語言紊亂中風/麻痹痙攣;手指和腳趾麻木等。因此在減壓過程中,應注意以下事項: (1)人員艙管理員必須認真履行帶壓作業(yè)人員的減壓程序,并做好時間記錄,堅決杜絕減少減壓時間的現象與跳期減壓的現象。 (2)為保證艙內作業(yè)人員的安全,減壓過程中確保艙內通風量。 (3)減壓期間注意事項:在減壓期間艙內工作人員必須穿上干燥衣服,避免因冷感冒或者發(fā)
21、抖,避免淺/輕呼吸,禁止非自然姿勢;定期站立,移動胳膊/腿關節(jié);如果有人出現壓縮空氣病癥,或其它病癥,必須立即停止減壓,維持目前的壓力狀況,直到病癥消失。幾分鐘以后,如果病癥沒有消失,就要將艙內壓力升至原來的位置,同時人艙管理員必須立即通知值班醫(yī)生,并仔細對病人減壓。 (4)出倉后注意事項: 工作人員減壓后應禁止劇烈運動,注意多休息;禁止長時間熱水??;多飲水;加壓后至少24小時后(完全沒有壓力了)才能乘坐飛機;帶壓作業(yè)后應隨身攜帶應急工作卡,如果出現關節(jié)痛以及其它突發(fā)病癥時要及時按照應急卡片聯系負責醫(yī)生,及時醫(yī)治。 十、技術經濟分析 應用本工法,在盾構施工過程中,尤其是在復合地層中,具有顯著的
22、經濟效益和社會效益: 1、減少工程投資: 應用本工法,在進行選線設計時,可減少線路的平縱面設計受特殊地層因素的限制,可大大減少工程投資,經濟效益和社會效益顯著; 2、為盾構施工在復雜環(huán)境條件下的應用難題提供了成功、有效的解決途徑: 在盾構施工過程中,應用本工法可成功處理施工過程中當遇到無法采用常規(guī)方式進行刀盤檢查或需進行刀具更換等作業(yè)時的施工難題,提高了盾構機對復雜地層的適應性。 3、本工法安全性高。 采用本工法,在盾構機進行穿江過?;蛟趶碗s地表環(huán)境條件下施工中,可有效規(guī)避當采用常規(guī)方法施工時或采用常規(guī)方法處理盾構施工問題時易發(fā)生涌泥、突水、冒頂等施工風險,人、機施工安全有保障。 4、對環(huán)境和
23、外界干擾小,有利于環(huán)境保護。十一、工程實例 廣州市軌道交通四號線大學城專線【小谷圍新造盾構區(qū)間】全長1718米,其中盾構隧道全長3015.6米 (其中右線盾構隧道長1417.3米,左線盾構隧道長1598.3米)。線路從新造站北端的明挖始發(fā)井向北經過曾邊村、新廣公路、下穿510m寬新造海到達小谷圍島。本工程左右線盾構隧道分別采用不同廠家的兩臺土壓平衡盾構機施工。其中右線德國海瑞克盾構機人倉設計為雙倉,且各系統(tǒng)功能配備完善;左線日本小松盾構機人倉設計為單倉,系統(tǒng)功能設計配備不齊全(如未配備保壓控制系統(tǒng)、倉內外通訊系統(tǒng))。 工程地質情況:本區(qū)間所處地貌單元總體屬珠江三角洲河網交錯的沖積平原區(qū),就其微地貌單元而言則屬低臺地地區(qū),其間夾有新造海
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