北京铁路地下直径线气垫式泥水盾构施工风险及控制

1、1北京铁路地下直径线气垫式-泥水盾构施工风险及控制孙善辉盾构及掘进技术国家重点实验室中国.郑州中 铁 隧 道 集 团 有 限 公 司2一、泥水盾构工作原理二、基本构造三、施工风险及控制四、结束语交流目录一、泥水盾构工作原理 两种掘进模式：泥水平衡模式（直接控制）和气压平衡模式（间接控制、又叫D模式）。 泥水平衡模式：刀盘后侧设置隔板，它与刀盘之间形成泥水压力室，将加压的泥水送入并充满泥水压力室后，通过加压作用和压力保持机构，来谋求开挖面的稳定。对于不透水的粘土，使泥浆压力适当大于围岩主动水土压力来保证隧道开挖面的稳定；对于透水性大的砂性土，泥浆渗入到土层内一定深度，于很短时间内在土层表面形成泥

2、膜，改善围岩的自承能力，并使泥浆压力在开挖面上发挥有效的支护作用。 气压平衡模式：也叫间接控制模式或“D”模式，它由空气和泥水双重系统组成。在盾构的泥水室内，装有一道隔板，将泥水室分割成两部分，在隔扳的前面充满压力泥浆，隔板后面（盾构轴线以上部分）加入压缩空气，形成气压缓冲层，气压作用在隔板后面的泥浆接触面上，因此可通过泥水和空气双重系统来控制开挖面的支护压力。该过程由操作者根据液位、压力传感器信息控制，设备上还有自锁系统进行自我保护，故该模式更适合于围岩不稳定和沉降控制要求高的地质情况。优缺点对比：日系、德系。地层适应性。泥水盾构特点1. 在复杂及不稳定地层中能稳定开挖面；2. 泥水传递速度

3、快而且均匀，开挖面平衡土压力 的控制精度高，对开挖面周边土体的干扰少，地面沉降量控制精度高；3.刀盘、刀具磨损小，出土采取泥浆携带；4.刀盘所受扭矩小，更适合大直径隧道施工；5.适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层、卵石层和硬土的互层等地层。特别适用于地层含水量大、上方有水体的江河湖海隧道。6、缺点：费用高，泥水处理场占地面积大。二、基本构造及部分系统 下面以气压平衡式泥水盾构为例，介绍泥水盾构特有的系统，主要内容包括盾构构造介绍、泥水循环系统、气体保压系统等。泥水盾构构造 泥水盾构结构主要包括刀盘、盾体、主驱动、人仓、管片安装机、设备梁及吊机、推进缸、保压装置、破碎机等，拖车上布置

4、的设备主要包括主排浆泵、控制室、空压机、砂浆管、电器设备、水泵水箱、泥浆管延伸装置等。不同的盾构厂家，其布置不同。刀盘前盾中盾盾尾管片开挖仓气垫室泥水仓门管片拼装机设备桥推进油缸主驱动电机米字梁主轴承破碎机人仓门人仓进浆管排浆管减速器盾尾密封刷真空吸盘盾构后配套拖车泥水循环系统 泥浆循环的方式包括旁通模式、开挖模式、反循环模式、隔离模式和长时间停机模式。旁通模式开挖模式反循环模式隔离模式长时间停机模式气体保压系统 该系统的主要功能就是保证开挖面的压力稳定。这也是间接控制式泥水盾构的主要特点。 泥水仓的压力稳定是直接关系到掌子面稳定的重要因素，为保证工作面压力的稳定，泥水盾构提供了一套专门的压缩

5、空气系统。该系统气源由空压机提供。气体通过空压机出口上方的粗滤器，然后通过两条独立的管线分配到人闸和开挖室。该系统布置了两套独立的压力调节系统，能根据设定值，自动调节气仓内压力，使气仓内压力一直稳定在设定值。 目前是使用的一般是SAMSON公司产品。其原理为，当压力降低或升高，与设定值有偏差时，通过压力的反馈，调整进气阀或者排气阀，对气仓内进行补气或排气，使压力逐渐升高或降低到设定压力值，直至与设定值平衡。因为掘进时液位总是存在一定的波动，其压力有一定变化，SAMSON系统能根据压力的反馈，及时对气压进行调整。压力调节器进排气阀三、施工风险及控制措施 下面以北京铁路直径线12m级泥水盾构为例，

6、从盾构运输、组装调试、始发、接收、穿越风险源及盾构机主要部件及系统(刀盘刀具、主驱动、推进系统、循环系统等)等方面，介绍其技术难点、风险及对策措施。（1）工程概论隧道全长6282m，其中5175 m隧道采用盾构法施工。盾构法隧道采用一台全新的11.97m膨润土气垫式泥水加压平衡盾构机施工。盾构由天宁寺桥北4#竖井始发，沿天宁寺桥、西便门桥、宣武门西大街，前门东大街，最后到达终点祈年大街和暗挖扩大段对接后，在洞内解体拆除吊出地面。盾构隧道管片内径10.5m，管片外径11.6m，环宽1.8m。管片环采用通用楔型环，每环管片由6块标准块、2块邻接块和1块封顶块共九块组成。 （一）盾构始发 盾构隧道主

7、要穿越的地层以卵石土、圆砾、中砂、粗砂为主，向西卵石粒径逐渐加大。一般粒径2040mm，最大粒径为 550mm，大于20mm的颗粒含量约占总重的60%，亚圆形砾石，中粗砂充填。 盾构隧道所在地层主要为空隙潜水和孔隙承压水，地层最大渗透系数K=150 m/d潜水，最大水土压力为3bar。地下水位埋深为23.1324.31。（2）盾构始发1）端头加固效果检查 端头加固土体强度检查； 地下水位检查。2）洞门凿除 为了防止洞门破除后发生涌水涌砂现象，先将1m厚的地下连续墙凿除0.6m,剩余0.4m的保护厚度，洞门中心鱼尾刀部位1.4m范围内多凿除0.2m，并将外露的玻璃纤维筋全部割除取出，余下连续墙由

8、刀盘直接破除。3）始发件安装 设计：强度、刚度、精度要求； 安装：精度、安装顺序、安装质量； 始发件相对位置、模拟掘进。（3）盾构组装调试1）编制相关专项方案，组织召开专家论证会；2）大件吊装、翻身安全（规范、试吊、溜钩）；3）大件运输进场顺序应与下井组装顺序相协调；4）盾构组装调试过程严格管控，防止关键遗漏、错装；5）刀盘主驱动的连接、液压管路的连接、主驱动油脂管路的连接、盾体的连接及焊接等；6）相关验收工作（盾构组装调试验收、始发条件的验收、配套系统的验收等）。（4）试掘进1）风险：始发基座、反力架变形；洞门密封外翻、喷涌；掌子面坍塌；盾构姿态差等。2）始发注意事项 第一环负环管片拼装质量

9、（焊接临时反力装置、与反力架垂直密贴、防椭圆变形措施等）； 第一环负环缓慢平稳推出盾尾，及时支撑稳定；防扭块的作用及割除刀盘初始贯入洞门注意事项（润滑油脂、刀盘初始转动等）初始泥浆循环及贯入连续墙注意事项（无需减压，仅保持泥浆循环维持盾构掘进即可）掌子面压力建立（在盾构主机进入洞门前，压力从小到大逐渐建立），泥浆循环不可长时间不掘进状态下进行掘进模式循环；及时封闭至关重要。粉质粘土地层砂砾石/砂卵石地层砂砾石、砂与粘土交互地层典型地层 （二）盾构地质适应性1、刀盘刀具改造与地层适应性第一次刀盘改造对比图砂卵石板结地层抗压强度23MPa原切、刮刀原切、刮刀新切、刮刀保护刀刀具名称原有数量改造后数

10、量切刀296把296+48+16=360把重型撕裂刀320周边刮刀1632中心刀12把切刀鱼尾状5把双联滚刀双刃滚刀034单刃滚刀08焊接合金刀096刀盘外周和过渡区撕裂刀052其中26把焊接可更换，26把不可更换改造情况表第二次刀盘改造（带压动火）改造原因：滚刀刀间距过大无法有效松动土层；严重的“泥饼”及“土包石”严重磨损、破坏刀盘刀具；切、刮刀螺栓受大卵石剧烈冲击疲劳断裂，导致大批掉落；刀打刀。刀座改造第三次刀座改造（带压动火） 刀盘刀具主要磨损、破坏情况刀盘本体发生较大磨损，主要是M28刀轨迹对应的刀盘半径5.336米周圈；M14、M15号刀对应的3.14m半径周圈； M4、M8刀箱对应

11、的1.59-2.19m半径周圈； M9刀箱对应的半径为2.19-2.51m周圈；其中1.81m半径周圈磨损最为严重，经测量磨损深度最大达到35cm；刀盘中心区滚刀刀箱磨损破坏严重（M1、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M11、M13、M14、M15），已无法安装滚刀；周边刮刀、切刀崩齿、掉落破坏严重。主要完成情况修复滚刀刀箱13个、中心刀刀箱5个、辐条8根；新焊切刀刀座129把、新型撕裂刀38把、耐磨钢板326块、合金刀3把。 刀箱已损坏已更换刀具需更换刀具待确认刀具下页图片备注90度辐条0度辐条270度辐条180度辐条08#15#04#09#5#中心刀2#06#14#13#28#26#2

12、8A刮刮刮刮35#16#29#10#01#24#29A#34#30#25#27#31#18#17#23#22#21#20#12#19#11#07#03#33#38#39#36#32#37#刮00#270度辐条修复前后对照图 2、带压进仓刀具更换及动火焊接带压进仓准备工作：高质量泥浆制备刀盘舱泥浆置换旋转刀盘封堵漏气点保压人、材、料、机到位降低液位液位、压力、补气量稳定后准备进仓。带压进仓程序：专业操舱人员到位合格进仓人员到位交清工作内容和注意事项进仓加压气垫仓通水、电、风工作时间达到规定要求通知出舱人员关闭仓门确认安全后掌子面补浆并开始减压出仓交清工作所完成情况。刀盘舱带压条件下动火焊接工作原

13、理：在常规带压作业基础上，通过增设一些特殊设备设施、仪器仪表、人员防护及相应盾构改装，实现作业人员在刀盘舱压力状态下的焊接作业，并保证作业人员能够呼吸足量的新鲜空气，焊接产生的废气能够及时排出，同时保证刀盘舱压力恒定、掌子面稳定及作业人员的健康安全。作业过程中，全程由摄影、进排气流量计、氧气及有害气体浓度检测仪和吸氧控制器等专用设备设施监控，从而保证作业期间的安全 高质量泥膜泥膜开裂概念：饱和潜水、盾构饱和气体带压进仓 程序：首先作业人员进入高压居住舱，按照加压表缓慢加压至预定压力，然后全天侯高压环境下观察其作业人员身体、心理及生活状态，确认安全后，然后将中转舱与生活舱对接，进舱换刀作业人员进

14、入转运舱，然后将中转舱转移到盾构人舱进行对接，作业人员进入盾构人舱，然后到达刀盘舱开始工作，每次单舱作业完成后，人员再经转运舱进入高压生活舱继续生活，直至所有换刀作业完成后，最后一次性减压。 3、饱和气体带压进仓法国701m，中国480m，俄罗斯发现2000m深海生物。中国海军480米饱和潜水实验 减压病气压伤缺氧症及氧中毒二氧化碳中毒及氮麻醉 带压作业病理知识4、刀盘刀具优化设计伸缩刀具（常压换刀装置）替补刀具紧急救援刀具互换性刀具设计5、刀具磨损检测装置液压检测刀蓝牙装置检测刀电极装置检测刀示踪技术内窥镜技术带压油路主轴承：密封（油脂注入）；保险轴断裂； （三）各主要构件及系统破碎机：安全防护及维修安全，气垫舱常压幻灯片 11泥浆（舱）门:安全防护；变频电机：冷却（循环水道清洁）推进系统：油缸冲缸、密封泄压及液压油检测、过滤。刀盘、盾壳：卡机处理，盾构后退。SAMSON 系统检修尾刷更换管片拼装机、管片吊机、卸载机 （四）后配套拖车系统主控室空压机及气罐注浆系统应急发电机电气防护流量计及密度仪进排浆泵主机排浆管爆管、磨损泥浆比重压滤、离心为主，絮凝沉淀为辅。 （四）泥水环流系统风险源及控制措施始发、到达、风险源掌子面稳定、地表沉降控制带压进舱及动火水平、垂直运输（刹车）机械、电气伤害反力架总装