孫善輝,陳 饋,王振飛
(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室,鄭州 450001,2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司,河南洛陽 471009)
刀盤作為盾構(gòu)的核心部件,是決定工程成敗的關(guān)鍵。由于工作環(huán)境惡劣,在掘進(jìn)中承受大扭矩、大推力和復(fù)雜沖變載荷,刀盤容易發(fā)生磨損和破壞,特別是遇到復(fù)雜地質(zhì)條件和不明障礙物時,將嚴(yán)重影響其強度、剛度、耐磨性和整體結(jié)構(gòu)安全,特別嚴(yán)重時,將導(dǎo)致刀盤無法使用,盾構(gòu)長期停機,甚至使得工程報廢。在以往的研究中,文獻(xiàn)[1]認(rèn)為帶壓換刀的技術(shù)主要有2個方面,即選擇合理換刀地點及進(jìn)艙工作壓力,保證掌子面土體的穩(wěn)定和置換開挖艙高濃度泥漿,中盾高濃度泥漿的注入,有效地防止了氣體的逃逸;文獻(xiàn)[2]總結(jié)了盾構(gòu)在不同性狀條件的復(fù)合地層中可采用帶壓進(jìn)倉、敞開式開倉、地層加固開倉、低壓限排進(jìn)倉等進(jìn)倉技術(shù),詳細(xì)介紹了各種進(jìn)倉技術(shù)方法的選擇和適應(yīng)范圍及復(fù)合地層中各種進(jìn)倉技術(shù)施工要點;文獻(xiàn)[3]通過對砂卵石地層盾構(gòu)更換刀具時地層坍塌機制的研究,提出了采用AB液填充注漿的方式。文獻(xiàn)[4]通過不同盾構(gòu)刀盤刀具配置在砂卵石下的應(yīng)用對比,重點對工程刀盤刀具改造前后對地層的適應(yīng)性進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析,提出了砂卵石條件下刀盤刀具配置應(yīng)注意的關(guān)鍵問題。目前國內(nèi)大多數(shù)盾構(gòu)都在城市中心區(qū)或者江河湖海底部進(jìn)行掘進(jìn)施工,當(dāng)?shù)侗P磨損破壞非常嚴(yán)重且需要焊接修復(fù)時,地面往往不具備地層加固或者豎井開挖條件,無法實現(xiàn)常壓條件下對刀盤的焊接修復(fù),也無法有效保證掌子面的穩(wěn)定,此時就需要考慮帶壓進(jìn)艙,在壓縮空氣條件下帶壓對盾構(gòu)刀盤進(jìn)行焊接修復(fù),同時保證修復(fù)期間掌子面的穩(wěn)定和施工安全。由于其作業(yè)困難多、風(fēng)險大的特點,目前在國內(nèi)盾構(gòu)施工領(lǐng)域的成功應(yīng)用還比較少。本文就壓縮空氣條件下盾構(gòu)刀盤特種修復(fù)原理、關(guān)鍵技術(shù)、開艙氣密性條件及掌子面穩(wěn)定措施等方面進(jìn)行分析研究。
北京某項目在城市中心區(qū)首次采用12 m級氣墊式泥水盾構(gòu)獨頭掘進(jìn)5.2 km,隧道主要穿越卵石、圓礫、中粗砂及黏土交互地層。隧道沿線建構(gòu)筑物林立,淺覆土下穿護(hù)城河,近距離穿越立交橋群、板樓群、天安門箭樓、地鐵站及平行地鐵運營線路掘進(jìn)4 km,且全線地下管線密集。隧道具有埋深大、掘進(jìn)距離長、地質(zhì)條件復(fù)雜、風(fēng)險點多、沉降控制要求嚴(yán)格、地面注漿加固困難、帶壓進(jìn)艙風(fēng)險大等特點[5]。
該工程盾構(gòu)自2008年9月始發(fā)至今,前后共進(jìn)行了3次大規(guī)模刀盤修復(fù)作業(yè),即1次常壓動火焊接作業(yè)(開挖豎井)和2次壓縮空氣條件下帶壓進(jìn)艙刀盤焊接修復(fù)作業(yè)。盾構(gòu)機在最初始發(fā)掘進(jìn)67 m時,發(fā)現(xiàn)隧道穿越的地層與原地勘資料出入較大,呈現(xiàn)為致密的卵石層,甚至板結(jié)層(如圖1所示),使得原配置刀具無法有效松動土層,無法適應(yīng)地層需要,決定在盾構(gòu)停機處開挖豎井常壓下修復(fù)改造刀盤。改造后的刀盤刀具適應(yīng)性較之前有較大改善,盾構(gòu)掘進(jìn)基本可以順利進(jìn)行,但根本性缺陷仍然存在,無法根除,如:1)滾刀刀間距過大無法有效松動土層;2)嚴(yán)重的“泥餅”及“土包石”嚴(yán)重磨損、破壞刀盤刀具;3)切、刮刀螺栓受大卵石劇烈沖擊疲勞斷裂而導(dǎo)致大批掉落,如圖2所示。針對上述缺陷,在盾構(gòu)累計掘進(jìn)1 767 m后進(jìn)行了第1次壓縮空氣下刀盤焊接修復(fù)作業(yè)。2011年,盾構(gòu)在下穿某既有運營地鐵站時(刀盤頂部距離地鐵結(jié)構(gòu)底板最近約4.2 m,施工風(fēng)險極大,要求一次性安全通過),發(fā)現(xiàn)排渣困難,隨后帶壓進(jìn)艙發(fā)現(xiàn)刀盤纏繞著大量厚度為6mm的鋼濾網(wǎng)片、部分水泵及電機轉(zhuǎn)子(歷史遺留物,10口鋼管降水井),刀盤刀具遭到嚴(yán)重破壞(如圖3所示),無法繼續(xù)掘進(jìn),必須進(jìn)行第2次壓縮空氣下刀盤焊接修復(fù)作業(yè)。
圖1 砂卵石板結(jié)地層Fig.1 Sample of sandy cobble ground
圖2 “泥餅”、“土包石”及“大卵石”Fig.2 Mud blockage,mud clouds and cobbles
目前人們普遍存在一個誤區(qū),認(rèn)為盾構(gòu)刀盤艙壓縮空氣下焊接動火會引起爆燃,不安全、不可取,實際上只要技術(shù)措施到位,過程嚴(yán)格把關(guān),該工法是安全可行的。然而也必須清醒地認(rèn)識到,刀盤艙帶壓條件下動火焊接具有困難多、風(fēng)險大的特點。在高壓環(huán)境中,雖然O2體積分?jǐn)?shù)同外界一樣保持在21%左右,但單位體積內(nèi)的O2增加了,燃燒速度加快了,如:一件物品在常壓條件下燃燒完全需要5 min,而高壓環(huán)境中僅2 min就燃燒完了,瞬間燃燒溫度能達(dá)到400℃,若O2濃度達(dá)到30%,瞬間燃燒溫度就可以達(dá)到1 000℃,同時在高壓密閉空間中動火作業(yè),會產(chǎn)生大量的有毒氣體,如不及時排出,就會對作業(yè)人員造成傷害。所以一般情況下,可以常壓條件下完成的工作,都不會考慮帶壓作業(yè)。
圖3 嚴(yán)重破壞的刀盤刀具Fig.3 Seriously-damaged cutter heads and cutting tools
刀盤艙帶壓條件下動火焊接工作原理是基于盾構(gòu)常規(guī)帶壓進(jìn)艙基礎(chǔ)之上的,即在常規(guī)帶壓作業(yè)基礎(chǔ)上,通過增設(shè)一些特殊設(shè)備設(shè)施、儀器儀表、人員防護(hù)及相應(yīng)的盾構(gòu)改裝,實現(xiàn)作業(yè)人員在刀盤艙壓力狀態(tài)下的焊接作業(yè),并保證作業(yè)人員能夠呼吸足量的新鮮空氣。焊接產(chǎn)生的廢氣能夠及時排出,同時保證刀盤艙壓力恒定、掌子面穩(wěn)定及作業(yè)人員的健康安全[6],原理如圖4所示,設(shè)備設(shè)施如圖5所示。在刀盤艙風(fēng)水電及工作室開挖等全部具備條件后,進(jìn)艙人員帶壓進(jìn)艙進(jìn)入到作業(yè)點,佩戴專用頭盔進(jìn)行焊接動火作業(yè),產(chǎn)生的廢氣及時從廢氣排放管排出;同時,壓縮機及時同步補充新鮮壓縮空氣,從而保持開挖艙壓力恒定。作業(yè)過程全程由攝影、進(jìn)排氣流量計、O2及有害氣體檢測儀和吸氧控制器等專用設(shè)備設(shè)施監(jiān)控,從而保證作業(yè)期間的安全。
圖4 工作原理圖Fig.4 Welding principle
圖5 設(shè)備設(shè)施圖Fig.5 Equipment and facilities
由于修復(fù)作業(yè)在刀盤正面進(jìn)行,需要在掌子面開挖一個工作孔,同時保證作業(yè)過程中一定時期內(nèi)的掌子面、作業(yè)孔穩(wěn)定和作業(yè)人員安全,所以需要根據(jù)盾構(gòu)停機位置、周邊環(huán)境、地質(zhì)條件等情況采取相應(yīng)的土建配合方案。
1)第1次壓縮空氣下焊接修復(fù)刀盤刀具的土建配合方案是采用鉆孔樁及注漿加固相結(jié)合的加固方式,首先施工φ2.0 m的鉆孔樁,然后填充水泥砂漿,其次采取人工挖孔施工φ1.3 m的作業(yè)井,最后將刀盤頂部封死。如圖6所示。
圖6 土建方案設(shè)計圖(單位:mm)Fig.6 Design of civil countermeasures(mm)
2)第2次的土建配合方案是直接采取帶壓進(jìn)艙人工掏挖方式進(jìn)行,即:工作人員帶壓進(jìn)艙,利用風(fēng)鎬、撬棍等工具,邊開挖工作孔邊利用艙內(nèi)既有泥漿封堵因開挖而造成的漏氣點;若地層裸漏面積過大,補氣量超過30%時,及時減壓出艙,同時進(jìn)行掌子面補漿,重新進(jìn)行加壓、保壓工作,依次反復(fù),直至作業(yè)孔完成開挖。作業(yè)孔如圖7所示。
從上述可以看出,第2次土建方案較為簡單、便捷,實施方便,節(jié)約了加固成本,縮減了工期。從實施效果看,第2次刀盤焊接修復(fù)作業(yè)歷時0.5 a,開挖面泥膜良好,補氣量均值為10%,開挖面整體穩(wěn)定性良好,作業(yè)孔無塌孔現(xiàn)象發(fā)生,從地表沉降來看,盾構(gòu)停機點最大累積沉降5.2 mm,打破了大噸位盾構(gòu)機不可長時間停機的觀點;從掌子面穩(wěn)定效果來看,只要在掌子面能夠形成高質(zhì)量泥膜,并保持良好的氣密性,長時間帶壓作業(yè)掌子面是穩(wěn)定的。
圖7 土建方案設(shè)計圖(單位:cm)Fig.7 Design of civil countermeasures(cm)
根據(jù)盾構(gòu)帶壓作業(yè)特點分析,掌子面漏氣原因主要有:掌子面地層漏氣、盾構(gòu)設(shè)備本身密封不嚴(yán)、盾尾密封漏氣、盾殼周圍地層漏氣和管片接縫處向隧道內(nèi)漏氣。綜合以上漏氣原因,并結(jié)合實際進(jìn)艙漏氣情況分析,造成漏氣的主要原因是盾殼與地層間的縫隙封堵不嚴(yán),壓縮空氣沿盾殼向盾構(gòu)后方逃逸漏氣,采取的主要措施是通過注漿管向盾殼外注入相對體積質(zhì)量為1.3左右的摻入鋸末的高濃度泥漿,以封閉壓縮氣體逃逸通道。
在新漿池完成高黏度泥漿的拌制,泥漿黏度控制為90 ~100 s,相對體積質(zhì)量為1.05 ~1.1,然后將高質(zhì)量泥漿注入刀盤進(jìn)行置換,泥漿置換完成后緩慢轉(zhuǎn)動刀盤充分?jǐn)嚢枘酀{,隨后開始保壓。保壓壓力的設(shè)定應(yīng)比進(jìn)艙壓力的設(shè)定高30~50 kPa,目的是將高黏度泥漿中的膨潤土、制漿劑壓入地層以形成泥膜,保壓應(yīng)每間隔30 min提高壓力10 kPa,直至達(dá)到保壓壓力,最后穩(wěn)定壓力2~3 h,使高黏度泥漿充分滲入到地層中,形成高質(zhì)量泥膜(如圖8所示)。
圖8 高質(zhì)量泥膜Fig.8 High-quality filter membrane
1)密切觀察O2濃度測試儀,嚴(yán)格控制濃度在21%以下。
2)密切觀察刀盤艙供氣氣體流量計,嚴(yán)格控制掌子面補氣量在30%以下,若氣體流量計讀數(shù)達(dá)到300 m3/h,說明地層漏氣嚴(yán)重,補氣量大,應(yīng)及時出艙,視情況而定補漿保壓或置換新鮮泥漿。
(2)地面硬化減低了土地蓄水能力。隨著城市的不斷發(fā)展,出于對生活環(huán)境的要求,城市地區(qū)的地面被越來越多的進(jìn)行硬化處理。致使雨水很難滲透到地下,只能隨排水系統(tǒng)流入自然水系中,這在很大程度上縮短了雨水集流的時間,使河流中的水量增加,同時使洪峰流量增加,從而加大了洪水災(zāi)害的威脅。
3)出于提高工作效率考慮,每次減壓出艙并不馬上進(jìn)行掌子面補漿保壓,泥膜長時間暴露會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,如圖9所示。為保證泥膜質(zhì)量和掌子面穩(wěn)定,每天至少進(jìn)行一次掌子面補漿潤濕泥膜及保壓,以延長泥膜使用壽命。
圖9 泥膜開裂Fig.9 Cracking of filter membrane
4)帶壓焊接作業(yè)所需的焊條及滅火器需要選擇專用的,搭鐵線要就近搭接,焊條應(yīng)在焊接前放在烘干箱內(nèi)加溫至250℃并保溫1 h,焊接面必須保持清潔干凈。焊接時先將刀座、刀箱或鋼板定位后點焊固定,最后根據(jù)坡口大小進(jìn)行分層堆焊,每次堆焊后用小錘子清理焊渣,待焊縫冷卻后再堆焊,以防止焊縫變形過大,焊接完成后自然冷卻1.5~2.0 h,嚴(yán)禁用水冷卻焊縫,最后進(jìn)行耐磨處理。
由于帶壓進(jìn)艙動火作業(yè)的特殊性,作業(yè)人員要求必須身體健康,且經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)并具有相關(guān)資質(zhì)的人員方可進(jìn)艙作業(yè)[7-9],該項目聘請具有豐富經(jīng)驗和資深資質(zhì)的德國北海潛水專業(yè)公司來實施,整個作業(yè)流程見圖10。
圖10 作業(yè)流程Fig.10 Welding process
帶壓工作時間確定為3 h(減壓3 h,4艙/d),達(dá)到工作時間后,作業(yè)人員嚴(yán)格按照減壓方案進(jìn)行減壓出艙,進(jìn)艙人員必須根據(jù)要求吸氧。補漿時要控制好補漿速度,防止開挖艙壓力波動過大,損壞泥膜。
5.3.1 切、刮修復(fù)
針對切刀螺栓頻繁斷裂無法取出的現(xiàn)象,其修復(fù)方法是將原刀座進(jìn)行打磨、平整,焊接新型軸銷式切刀刀座;再安裝新刀,軸銷式切刀最大的優(yōu)點是刀具更換比較方便、快捷,舊切刀一般每艙可以更換2~4把,而新切刀則可以更換20把,大大提高了工作效率,節(jié)約了刀具更換時間和減少了開艙次數(shù);刮刀修復(fù)是將原刮刀刀座打磨、平整,再焊接新刀座,刀座形式不變。如圖11所示。
將損壞嚴(yán)重?zé)o法繼續(xù)使用的滾刀刀箱碳弧氣刨掉,打磨、平整,重新定位焊接新滾刀刀箱。
5.3.3 刀盤本體修復(fù)
采用薄鐵皮貼附刀盤鋼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行拓片,然后在艙外根據(jù)拓片下料并打坡口,再送入刀盤艙,并根據(jù)修補位置實際情況進(jìn)行微調(diào)修正,最后定位焊接。
該工程盾構(gòu)在下穿既有運營地鐵站期間,由于鋼濾網(wǎng)降水井,使得刀盤破壞十分嚴(yán)重。此次刀盤修復(fù)情況復(fù)雜、工作量大、時間長,所以下面主要介紹此次刀盤焊接修復(fù)實際情況。
1)刀盤本體發(fā)生較大磨損,主要是:①刀盤半徑5.336 m的環(huán)形區(qū)域,輻板磨損深7 cm,寬17 cm;②刀盤半徑3.35 m的環(huán)形區(qū)域,刀盤磨損深16 cm,寬20 cm;③刀盤半徑1.406~2.203 m的環(huán)形區(qū)域,刀盤磨損深42 cm,寬65 cm。如圖12所示。
圖11 刀具修復(fù)效果圖Fig.11 Repaired cutting tools
2)刀盤中心區(qū)滾刀刀箱磨損破壞嚴(yán)重(約13把滾刀道箱需要更換),已無法安裝滾刀,損壞滾刀情況如圖13所示。
3)周邊刮刀、切刀崩齒、掉落破壞嚴(yán)重。
圖12 刀盤本體磨損實際情況Fig.12 Worn cutter head
圖13 滾刀損壞實際情況Fig.13 Worn disc cutters
修復(fù)滾刀刀箱13個、中心刀刀箱5個、輻條8根;新焊切刀刀座129把、新型撕裂刀38把、耐磨鋼板326塊、合金刀3把。如圖14—16所示。
第2次壓縮空氣下焊接修復(fù)刀盤歷時0.5 a,未發(fā)生任何危險,目前盾構(gòu)已恢復(fù)掘進(jìn)。可以看出:只要技術(shù)措施到位和過程嚴(yán)格把關(guān),壓縮空氣下刀盤艙動火焊接作業(yè)是安全可行的,掌子面及焊接作業(yè)孔是可以長時間保持穩(wěn)定的。建議以后遇見類似工程情況:1)選擇專業(yè)帶壓進(jìn)艙焊接隊伍;2)制定詳細(xì)的技術(shù)方案及專家審查制度;3)制定嚴(yán)格的過程控制措施,密切注意帶壓進(jìn)艙補氣量、泥膜質(zhì)量、掌子面及作業(yè)孔穩(wěn)定情況等;4)制定嚴(yán)格的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)值班制度。
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