5鉴定技术五：砂卵石地层带压换刀技术研究

鉴定技术文件之五砂卵石地层带压换刀技术研究鉴定技术文件之五砂卵石地层带压换刀技术研究砂卵石地层带压换刀技术研究1研究背景成都地铁1号线的掘进情况表明，在砂卵石地层中开挖刀具的磨耗问题是困扰掘进的一大难题。一般而言，盾构平均掘进150m左右就需更换一次刀具，土压盾构的磨损情况比泥水盾构更加严重。当盾构刀具出现严重磨损后，必须对其进行更换，而且应尽量在滚刀只磨损在刀圈的时候进行主动换刀，避免对滚刀刀鼓及盾构刀盘造成破坏，造成更大的损失。因此，换刀也成为盾构施工过程中必不可缺少的一项工作，这项工作的关键并不在换刀本身，而是换刀环境的可实施性。成都地铁施工因其独特的高富水砂卵地层，由于开挖面的不稳定及存在大量地下水涌入盾构机的可能性，使换刀这一程序更复杂化，换刀施工的难度也变得非常大。如采取措施不当，在更换刀具时地表极易发生不同程度的坍塌和沉陷，给城市交通、市政造成了很大的影响。也严重的影响了地铁工程在市民中形象。2换刀问题的提出2.1砂卵石地层坍塌机理 2.1.1砂卵石地层特点砂卵石是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间的孔隙大，几乎没有粘聚力；砂卵石地层在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，刀盘旋转切削时，地层很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大的围岩扰动，使开挖面和洞壁失去约束而产生不稳定。根据详堪资料，成都的砂卵石地层有以下几个特点：(1)地层受外界的扰动敏感。原状围岩在不扰动的情况下能保持较好的稳定状态，特别是在无水的情况下，这一点在成都的基坑开挖工程中已经得到很好的验证。但一经扰动，极易坍塌。(2)单个岩块强度高。试验数据表明，单个卵石块单轴抗压强度可高达150～170MPa。(3)围岩的内摩擦角Ф大。据《详勘》数据，内摩擦角在不改良的情况下在40°左右。2.1.2掌子面坍塌机理及过程分析刀盘的转动，对地层有一定扰动作用，将会在刀盘的前方、上方形成一松散带。因此坍塌过程为如下几步：（1）刀盘前上方围岩松散（如图2.1）。（2）换刀过程中松散渣土进入土仓，在刀盘前上方造成地层损失δ（如图2.2）；（3）由于该地层的内摩擦角Ф较大，因此，有一定的拱效应。（4）在拱效应的作用下，该地层损失δ进一步向地表转移（如图2.3）。（5）最终反映到地表，造成地表坍塌（如图2.4）。在更换刀具时，上部松散范围内的砂卵石就会进入土仓，如图2.1所示。此时上部的围岩就会失去支撑，从而一步步坍塌到地表，如下图所示。图2.1开挖面前上方围岩状态图2.2刀盘前上方松散渣土落入土仓造成地层损失图2.3地层损失进一步向上发展图2.4最终造成地表塌陷在施工时遇到的渣土从土仓涌入而造成的刀盘上方形成空洞，最终导致地层沉降的情况如图2.5-2.7所示。图2.5松散带的渣土从刀盘开口涌入土仓照片图2.6前方松散带坍塌之后开挖面前上方的空洞照片图2.7地表坍塌照片2.2常用换刀模式及比较成都地铁施工中主要使用的是德国海瑞克公司生产的土压平衡盾构，施工时主要是通过利用土仓内的碴土来维持工作面上的土压平衡。在检查、更换刀具的时候，需清理出土仓内的碴土以提供工作空间，原有的土压平衡被打破，这就必须通过一种合适的方法，来保持开挖面土体稳定，这也是换刀作业中最为关键、也最容易出现工程事故环节。为维持盾构停机时开挖面土体稳定，常有的方法有降水加固法、注浆加固法、围护桩（如人工挖孔桩）加固法、气压加固法等。由于各种加固方法具有各自优缺点，因此，需要根据不同的施工条件选用合理的换刀模式，在选用时要综合考虑以下几方面要求：（1）费用低：由于砂卵石掘进中，刀具磨损严重，必须频繁的检查和更换刀具。这就要求加固成本较为经济。（2）加固效果良好：加固既要保证土仓内作业工人的安全，又要控制地表变形。因此，必须要有良好的效果，保证开挖面土体的稳定性，防止其坍塌。（3）效率高，施工周期短：加固方法必须高效，以减少对盾构施工进度的影响。（4）尽量不占用地表：减少对市民生活的影响，争取做到不扰民施工。在实际操作中，各施工单位会根据各地不同的地质条件及所处环境要求，采用不同换刀模式，现简要介绍如下：（1）直接开仓换刀：在地基承载力较高、掌子面稳定性比较好的条件下，不采取任何加固方法，直接排空土仓内土体，进入土仓更换刀具。这种方法适用于掌子面稳定性较好的情况。（2）降水加固：从地面施工降水井，通过降水使土体固结，从而提高掌子面土体稳定性。（3）地表注浆加固：从地表向地基注入水泥浆液（或其它加固浆液）加固土体，提高掌子面土体稳定性。（4）围护桩加固：在掌子面周围施做围护桩，直接保证掌子面稳定。气压加固：通过向土仓注入压缩空气，以气压平衡代替土压平衡稳定掌子面。针对成都地区富水砂卵石地层的特点，结合本标段前期施工时换刀的实际情况，对上述几种换刀模式在成都的适应性进行总结分析：（1）直接开仓换刀模式：由于成都为砂卵石地层，自稳定性较低，且地下水位较盾构隧道高，不可能直接进入土仓，该方法经分析认为不可行。（2）降水加固模式：降水方法较为简单，但面临的是地层不稳定的风险。由于成都砂卵石地层自稳定性差，短时间内可以自稳，一旦时间过长，地层失稳就面临坍塌的危险。实践已经证明，仅靠降水加固换刀在市区施工时是不可行。（3）地表注浆加固：地表注浆一定程度上可以加固地层，加固效果较降水加固好，但需要在地表操作，因此，一方面，受地表条件的限制。另一方面，该地层密实，注浆效果不佳，多次实践证明，加固之后地表仍可能出现坍塌，此法不能保证更换刀具的安全及地表要求。（4）围护桩加固：成都地区通常采用人工挖孔桩作为围护桩。人工挖孔桩加固能保证换刀的安全稳定。但是通过工程实践及综合分析，发现存在以下缺点：①桩的里程不好确定若加固位置确定的稍有不适，盾构还没到桩的里程的情况下刀具就已经磨损的无法掘进，在这种情况下，强制进行掘进，或者将刀盘磨坏（隧道局泥水的先例），或者多出渣，同样也造成地表坍塌。②成本高、涉及部门广从地表挖孔的方式涉及到市政的管线、房屋、民居、地表恢复等，并且出渣、进料又关系到环保等部门。③影响地铁工程的形象按目前的情况，换刀的距离一般都在150m之内。对于四公里多的区间标段来说，至少要进行30次的占道进行挖孔桩的施工。在道路中间占道进行“开膛破肚”的作业，无异于目前的换刀造成的地表坍塌。④地表条件限制由于地铁线路大部分都是在市区人多地段大多数地方不具备人工挖孔桩的条件。⑤一号线的试验功能未能体现地铁1号线建设的目的之一就是对成都地铁建设的各种工法进行试验、摸索。如果目前地下的加固方式还没摸索好就直接从地表进行挖孔处理，也就失去了试验线的意义，不能为后续线路作为做技术储备。⑥留在地下的桩基给以后的市政工程造成不可预料的危害与风险。⑦未能体现盾构的先进性地铁沿线每一百多米就要进行两次地表的开挖作业，给市民生活带来严重不便，未能实现地铁工程的不扰民。⑧给城市交通带来问题本来成都的城市交通就够拥堵，如果成都地铁全面开建，试想：在城市的主干道上每隔一百多米就要有两次的占道开挖施工，对整个成都的交通将带来不同程度的影响。（5）气压加固气压加固不占用地表，而且具有费用较低、效率较高的特点。但是由于该施工工艺要求相对较高，且由于成都地层的特殊性，风险极大。但经过中铁十三局成都地铁一号线项目部的多次试验和实践，在砂卵石地层成功的解决了带压换刀的技术难题，并在目前成功使用多次。本报告将主要对带压换刀的相关理论和实践进行研究和分析。对上述适应性进行整理见表2.1。表2.1换刀模式分析比较序号换刀模式加固效果对地面直接影响成本工期技术难度及风险1直接开仓换刀最差较小较低较短不可行2降水加固模式差大低短低3地表注浆加固较差大较高较长低4围护桩加固较好大高长低5气压加固较好较小较低较短高3.带压换刀基本原理及国内外应用3.1带压换刀原理在盾构机内对刀盘前方地层改良或加固处理后，在保证刀盘前方周围地层和土仓满足气密性要求的条件下，利用空气压缩机将空气加压，并注入土仓，以气压代替土压，通过在土仓内建立合理的气压来平衡刀盘前方水、土压力，达到稳定掌子面和防止地下水渗入。作业人员在气压条件下进入土仓，进行检查、维修保养和刀具更换等过程作业。简单而言，压气对开挖面的稳定作用，可分为下述三种：（1）可阻止来自开挖面的涌水，防止开挖面坍塌。（2）因压气压力本身的挡土作用使开挖面稳定。（3）由于压气对围岩缝隙起到排挤水的作用，增加了粉砂、粘土层或含有粉砂粘土成分的砂质土的强度，从而增加了开挖面的稳定性。这其中，以高压空气防止开挖面坍塌的作用是气压法的最显著的作用，但是其挡土作用依围岩的性质不同而有所区别。透气性小的粘性土或粉砂质土地层中这种效果比较明显；而在透气性大的砂质土和砂砾层中，即使采用与地下水压相适应的气压力，也多出现漏气现象，而且往往阻止不了开挖面下部的涌水及上部的坍塌，因此需对刀盘前方的地层进行适当的改良和加固。3.2气压与地下水压的关系对均匀分布的同一种土质的开挖面而言，气压与地下水压的关系如图3.1所示。随着深度的增加，地下水压呈线性增加，即图中三角形的斜边，而气压在整个开挖面上呈均等分布。因两者的变化规律不同，故在开挖面上只存在一个交点（即两者相等的点），也就是说，只有在该交点处气压才与地下水压相等（即平衡），该点上、下部均为不平衡部位。上部为气压过剩部位，下部为水压过剩部位。另外，因地下水压与地层的性质（渗水性等）、覆盖土的厚度等因素为隧道直径）处的地下有关，所以气压的设计标准（交点气压），通常按离开隧道顶端水压确定（适用于中、大口径隧道），也可按隧道中心处的地下水压确定（适用于小口径隧道）。图3.1空气压力和地下水压的关系标准气压值虽然取决于地层条件、隧道直径及覆盖土的厚度等因素，但在实际施工中多控制在0.05-0.2MPa范围内。3.3气压与土层的关系3.3.1粘性土（粘土、淤泥）地层（1）就一般粘性土而言，因其透气系数小，当盾构停机换刀致使工作面不稳定时，可依靠气压的支护作用和脱水使地层得到加固；（2）对软弱且具塑流性的粘土地层而言，停机换刀时容易产生开挖面土体坍塌及尾隙土体坍塌，即开挖面不稳定。若对图3.2示出的存在局部易坍塌（h>4D）的塑流性地层压气加压，则开挖面可能趋于稳定。图3.2滑动破坏形态判断压气加压后是否稳定的估算方法如下：(3.1)式中：—作用于盾构中心的竖直土压(γ1h)(kN/m2)，其中γ1为土体重度；P—气压(kN/m2)；—土体非排水抗剪强度（内聚力）(kN/m2)；—系数，无量纲通过研究发现，≥5时掘削地层土体仍呈塑流态（即掘削面不稳定）；若<5，则说明掘削面呈稳态。显然，加大P值，可使减小，即即提高气压可使开挖面稳定。不过P不能过大，过大致使环境恶化。在粘性土地层中使用压气工法时，因透气系数小，故不必担心漏气。另外，由于粘土的毛细管张力大，故气压往往小于理论值。3.3.2砂性土（砂、砂砾）地层如前所述，开挖面上部因受过剩气压作用，涌水被止住，地层的含水率降低，故内聚力和抗剪强度增大，开挖面趋于稳定。但对砂地层而言，若掘削面的暴露时间长在气压的作用下，砂土脱水干燥致使内聚性丧失，故仍然存在坍塌的危险。如果气压增大过剩，则漏气量增加或出现空气向地面喷发的危险,如图3.3所示。图3.3漏气现象在开挖面的下部，过剩水压的渗流作用有时会致使饱和砂失重，出现流砂现象（饱和砂的流动现象，称为流砂现象）。出现流砂时的动水梯度称为临界动水梯度，可用下式表示：=（G-1)/(1+e)(3.2)式中：G—砂粒重度（kN/m3);e—空隙比。因此气压须控制在不发生气体向地表喷发的临界气压以下及不产生流砂的范围内。当在渗水系数大的砂性地层中压气加压时，气压越大，漏气量越大。这种场合下，光靠压气止水很难实现。遇到这种情形还遇到这种情形还必须同时辅以注浆、排水降低地下水压等辅助工措施。3.3.3互交层通常地层是由多种不同的土层交叠而成。地层的构成和状态不同，压气方法也不同。因此现场勘察地层构成和状态极为重要。例如：开挖面上部是砂土，下部为粘性土时，须注意由过剩气压造成的漏气和喷发。遇到这种情形时，还须考虑增加其它辅助措施。相反，开挖面上部是粘性土，而下部是砂土时，因粘性土的透气系数小，可以适当加大气压，提高止水、挡土效果。不过此时还应该考虑压缩空气可能会穿过砂层在远处漏出。当不渗水层下存在着因地下水位下降而完全疏干的砂层或砂砾层时，地层中会滞留缺氧空气。这种场合下，进行压气施工时，存在加压空气从大型建筑物的地下室或枯井中喷出的危险。为防止此类事故的发生，事先须在一定的范围（盾构周围约100m）进行勘察，并且施工时需要严密监视。3.4土仓封闭措施及机理成都以砂卵石地层为主，卵石间颗粒之间的孔隙大，透气性强。在带压换刀时，必须对土仓进行封闭处理，防止漏气而引起开挖面坍塌。目前普遍采用的方法是向开挖面及盾构周围注入膨润土，同时转动刀盘使舱内砂土内与膨润土能较好的混合并较深地渗入地层中，利用膨润土的吸水膨胀作用，对盾构周围的地层进行封堵，使气压有效的形成支护，在此对膨润土的膨胀及防渗机理进行说明。3.4.1膨润土的结构及性能盾构掘进中所使用的膨润土是粘土的一种，其主要成分为蒙脱石，蒙脱石是2∶1型层状铝硅酸盐，其四面体中的硅可被铝随机置换，八面体中的铝可被同价或低价离子如Ca2+、Na+、Mg2+等类质同象置换，这种类质同象置换过程使蒙脱石晶层面有过剩的负电荷，在层间产生一静电场，因此蒙脱石层间可吸附Ca2+、Na+、Mg2+等阳离子和水(H3O+)、氨(NH+4)等极性分子。正是蒙脱石这种特有的吸附功能使得膨润土具有很强的膨胀能力。膨润土一般分为钠基和钙基膨润土，在工程中多使用钠基膨润土，其颗粒的单位晶层中存在极弱的键，钠离子本身半径小，离子价低，水很容易进入单位晶层间，引起晶格膨胀，颗粒的体积膨胀为原来颗粒体积的10~40倍，吸水后形成一道不透水的防渗层。若再经过一段较长时间，则膨润土颗粒会变成膏脂状，渗透系数可以降到1×10-7m膨润土泥膜膨润土泥膜（a）分散结构（b）絮凝结构（c）胶结结构图3.4膨润土水化后与土体作用形成不透水层的过程从微观结构来看，膨润土颗粒是粒径小于2μm的无机质，主要结构体系为Si—Al—Si，是由云母状薄片堆垒而形成的单个颗粒。这些薄片层的上下表面带负电，因而膨润土的构成单位是互相排斥的。膨润土在水化时，水分子沿着Si—Al—Si结构单位的硅层表面被吸附，使得相邻的结构单位层之间的距离加大。钠基膨润土单位结构层间能吸附大量的水，层间距离大，膨胀率高，钠离子连接各层薄片。膨润土水化后，形成不透水的可塑性胶体，同时挤占与之接触的土颗粒之间的孔隙，形成致密的不透水的防水层，从而达到防水的目的。膨润土泥浆和土体相互作用后形成的混合结构,如图3.5所示。图3.5膨润土泥浆与土体作用形成混合土体的结构3.4.2膨润土的盾构施工中的应用膨润土由于具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能，国外从20世纪60年代就已经开始将膨润土用作防渗材料。土压平衡式盾构施工对加入的膨润土泥浆的一个基本要求就是它能够形成“滤饼”，可以形成于土粒内部和土粒之间，由胶结和固结的膨润土组成。这个“滤饼”可以演变为一个低渗透性的薄膜，从而可以将过量的地下水压力中的液体压力转化为土颗粒和土颗粒之间的有效应力，这对稳定地层，防止停机换刀时的地面塌陷至关重要。不同压实密度的膨润土的主要差别在于其土体颗粒间孔隙的大小，当密度大时，单位空间中的土体颗粒及吸附水层所占的体积就大，渗流液体通道就窄。由于膨润土的高吸湿膨胀性和自封闭性，遇水时极度膨胀，其密度越大，膨胀倍数越大，同样的渗流空间留给过流液体的通道就越窄，其渗流系数也就降低了。3.5国内外类似工程3.5.1国内带压换刀的工程实例在我国地铁盾构施工中，大部分施工单位由于尚未掌握盾构带压进仓作业关键技术或盾构机配置不足，而采用常压换刀方法。但也有少部分施工单位在工程中采用带压进仓模式来进行检查、维修保养和刀具更换等作业。例如：广州地铁四号线小谷围至新造区间左线江底盾构于2005年6月实施带压换刀操作；2006年12月开工的宜昌长江穿越隧道工程（川气东送）使用德国海瑞克泥水加压盾构机施工，带压进舱修复磨损刀盘和更换刀盘主轴承密封。2003年底广州地铁三号线天河客运站至华师站区间，在1.6-1.8bar压力下进仓破除卡住刀盘的孤石。中铁隧道集团在武汉长江隧道盾构施工中，首次自主实现高水压带压作业技术（4.5bar压力下带压作业）。总之，国内各盾构施工单位和地铁建设单位都在积极探索和研究不同地层条件下的带压换刀技术，虽然已经取得了一定的成果，但需要进一步总结推广。3.5.2国外带压换刀的工程实例就国外而言，有更多的带压进仓检查、维护和更换刀盘刀具的工程实例见表3.1，带压换刀已经作为常规操作，广泛应用于土压平衡盾构机和泥水盾构机，尤其是在越江跨海隧道等不具备常压换刀的条件时，多采用气压换刀。表3.1国外部分气压换刀工程实例工程名称SouthBayOceanOutfallSanDiegoStorebaeltTunnel，Denmark4thElbeTunnel，GermanyWeserTunnel，GermanyWesterscheldeTunnel，Netherlands盾构类型土压平衡盾构土压平衡盾构泥水盾构泥水盾构泥水盾构最大埋深58m45m35m20m35m最大气压1.8bar2.7bar4.5bar5.0bar6.9bar2000-2003，葡萄牙波尔图地铁S线和C线盾构区间施工中，由于刀具磨损严重，几乎每班都需要带压进仓对刀盘进行维护操作，其带压工作压力为1.5-2.0bar；西班牙巴塞罗那地铁9号线，带压工作压力为0.5-2.5bar；德国Elbe4号隧道在由砂、泥灰岩和漂石组成的第四系冰碛层中使用泥水平衡盾构机施工，开挖直径14.2m，浅埋（最浅7m）深水（水头最大达4.2bar）。在河底最深处需要进仓更换中心刀进行修复，工人在4-4.5bar压力下最多工作80分钟，出仓减压必须在氧舱中进行，需要2个小时。全线总计进行2738小时带压操作，其中237小时压力大于3.6bar。21次有人员报告出现减压病症状，都是压力小于3.6bar情况下出现的。德国Weser隧道使用泥水盾构（直径11.71m）在冰川沉积物中施工，隧道顶拱距海最深40m.在最大5bar和4.5bar压力下进仓维护破碎机和刀盘，此外还雇用潜水员在最大5bar压力下的膨润土浆液中工作。全线带压工作共计1400小时，其中600小时压力超过3.6bar，仅有15次报告出现减压病，且压力都小于3.6bar.俄罗斯圣彼得堡红线地铁在松软低塑性的粘土、粉砂土和细砂土中施工时，隧道顶拱距离地面65m，净水压力5.6bar.在土仓空气压力为5.5bar情况下，人员穿戴呼吸面具进仓作业，工作1.5小时，减压时间5小时左右。一天只有4.5小时的仓内工作时间。许多欧洲国家也出台了一些关于隧道等带压进仓作业的标准，例如：澳大利亚国家标准（编号：4774.1－2003）：隧道、竖井和沉箱中带压作业标准（AS4774.1－2003，AustralianStandardTMWorkincompressedairandhyperbaricfacilities－Workintunnels，shaftsandcaissons）英国隧道工程协会，健康安全行政部门（HSE）以及卫生研究协会降压病小组起草的一些压气下作业的专门章程。上述有关国外使用泥水或土压平衡盾构开挖隧道时带压进仓进行维护作业的工程实例及相关规范和研究成果说明：国外公司不但能在3.6bar以下的空气压力中实现带压维护作业，而且能在高达6.0bar的空气压力下作业。一方面表明带压特别是高压下作业在国外工程中已经相当普遍，另一方面也说明要掌握盾构带压作业技术，我国还需要更多的尝试和研究。4带压换刀施工技术4.1带压换刀设备4.1.1带压换刀所需的主要设备带压换刀需要以下设备：（1）完好的可密封人闸及内部部件。（2）使用医用氧气及氧气面罩。（3）土仓的空气平衡注入系统。（4）高压空气供给设备，满足土仓及人闸的压力补给与通风使用。（5）压力记录仪器等。（6）需要使用第二能源的空气供给系统,柴油发电机。（7）有必要使用高压医用氧仓。4.1.2空气压缩设备在进行加压作业时，除需设置计划空气压力、送气容量的高压空压机，还应备有驱动电力设备、冷却设备、储气罐、送配风管等，必须供给清洁、温度及湿度合适的空气。(1)设备容量空压机必须能供给所需的最高压力及风量。对于最低压力，必须能用压力调节阀门或辅助阀门进行调节。只要定出最高压力和所需送风量，在考虑预备机的条件下，即可确定设备容量和机械台数，但根据用地面积和其他条件，设备台数越少越好，故必须根据安全性、经济性、增设时期等，决定单位容量、台数及设置时期。(2)冷却水当保持冷却水出入口处的温差为5℃以上时，空压机或鼓风机所需冷却水约为1.8~2.0L(3)采用压气施工法时送入的空气状态由于洞内空气的温度及湿度教高，故应使送入洞内空气的干球温度约为30℃，湿球温度为25℃，洞内实际风速在（4)附属设备采用空压机时，储气罐应具有能消除压缩空气压力的脉动、分馏水、油质，且具有散热作用，故必须保有足够的容量。对于吸入的空气，应使其通过过滤器。对于过滤用部件应定期清扫或更换。需装设自动警报装置，以便在排出气体温度异常增高时能迅速地台知作业人员，而且应装设平时可掌握温度变化的温度计。对地下室等密封式结构，必须根据温度变化的情况进行通风。(5)配管铺设管道时，除应使送出的空气不受大气温度的影响之外，还应将配管安装在不易受到接触破损之处。必要时应采取防护措施。管及管接头应具有足够的强度，其结构应是安全的。4.1.3人闸（1）基本构造在维护和检查工作中，利用人闸将有关的人员和他们所需要的材料运送到土仓中，并使之处在受压状态下。以本项目中使用的海瑞克盾构机为例，其人闸由一个主舱室和一个副舱室组成，两个舱室用压力舱门隔开。主舱室依靠法兰与直接焊接在前体舱壁板上的过渡室连接，通过舱壁上的门可以进入土仓。副舱室连接在主舱室的侧面。因此，进入主舱室必须先经过副舱室，副舱室用于在压气作业时的升压和减压过程以及紧急情况(紧急救助)。图4.1人闸主舱室根据舱室的容积，主舱室最多可以容纳3个人，副舱室容纳2个人。两个舱室均可独立工作，内部都装备有如下仪器：通讯系统、排气阀和进气阀、计时器、压力计、温度计、加热器。为了便于人闸管理员的操作，安装有下列仪器:通向两个舱室的排气阀和进气阀，通讯系统，带式记录系统，用于记录人闸舱室和土仓中的压力，人闸进气用的流量计。排气阀和进气阀仅能由舱内人员在异常情况下使用。升压和减压过程通常由人闸管理员执行。（2）维护/控制每次关门之前检查门封，如有必要予以清理或更换，每月润滑门的连接机构一次。在人闸使用之前，检查是否所有的压力计正常工作，检查连接机构是否状态良好；按照规范检查带式记录器的功能。（3）安全装置每个舱室都有一个安全阀，用以限制最大压力不超过3bar；还有电话和紧急电话。（4）海瑞克盾构的人闸结构以下是海瑞克EPB盾构机人闸设备；对所有组件（显示设备、记录仪、自动卸压器、加热系统、时钟、温度计、密封件以及闸阀等）的性能必须定期检查，带压作业前复查，保证设备完好；人闸系统图如图4.1所示。图4.2人闸系统图纸（5）人闸的密封性试验的要求试验压力为3bar，要求在一个小时的时间内，压力下降的范围为0.1bar～0.2bar。使用前检查并确认人闸门的密封及密封面洁净、无损坏，必要时予以更换；应对人闸进行气密性实验，人闸操作人员试加压操作。在工作仓，人员和材料气闸，气闸陪护员，工地办公室，医生办公室和机械室之间的电话系统必须一直可用。确保人闸内刀盘点动控制面板能进行操作。4.1.4自动压力调节装置4.1.5压气设备的使用管理、维修检查需将与运转。操作压气设备有关的联络．信号的使用方法及指定的运转者、操作者姓名详告有关作业人员。绝不允许被指定以外的人员触动迭、排气阀门及调节阀。对于主要设备的维修及检查，需定出标准并指定负责人，必须依据标准进行维修．检查，而且必须将检查结果予以记录并保存。主要设备的修检周期解释见表4.1。表4.1高气压作业用主要设备修检周期设备检修周期设备检修周期送气管、排气管、联络设备1次/日以上待避用具等1次/日以上送气调节阀及阀门1次/日以上自动报警装置（送气温度异常）1次/周以上排气调节阀及阀门1次/日以上压力表1次/月以上空气压缩机1次/周以上空气过滤装置1次/月以上空压机附属的冷却装置1次/日以上电路1次/月以上4.2压气压力和耗气量4.2.1压气压力的设定通常，压气压力以开挖面的地下水压力为基准，再考虑隧道埋深来确定。但是，压气压力对开挖面的任一部分都作用同一压力，而对于隧道顶部与底部的水压和土压大小是不同的，因此，对所有的位置都给予最适合的条件，也是比较困难的。选择压气压力的方法，因覆土厚度、地质、隧道直径而异，一般多取压气压力等于从盾构顶部算起D/2~D/3位置的地下水压力。小直径隧道，一般多取D/2。但是在粘性土围岩、透气性小的条件下，可采用较上述数值略小的压力进行施工。4.2.2耗气量的计算压气施工中存在以下几项气体泄漏损耗：从开挖面向周围地层的漏气；从盾尾及管片的漏气；开关闸门时的气体损耗。这些气体损耗的总和，即为压气过程中的气体损耗量。显然气体损耗量（Q）与周围地层的透气性、盾构机的外径、气压、覆盖土的厚薄、尾隙大小、管片接头密封材料性能及密封的好坏、背后注浆填充性能的好坏、盾构机的推进速度等多种因素有关。（1）Hewett-Johansen估算法：Q=D2(4.1)式中：Q—空气消耗量（m3/min)(吸入侧)；D—盾构机外径（m）；—与土质有关的系数（m/min）,的值因土质的不同而不同，一般取值为3.65m/min；对砂层或砂砾层取值为17.3m/min。这两个数值在计算设备容量时采用，实际空气消耗量通常仅为上述值的一半左右。（2）饭吉估算法：饭吉给出的空气耗量的估算公式如下：(4.2)式中：Q—空气总耗量（m3/min)；Q1—气闸空气耗量（m3/min)；Q2—隧道漏气量（m3/min)；Q3—掘削面漏气量（m3/min)；H0—水头；R—气闸容积（m3)；N—单位时间内气闸的开关次数；S—盾构外周长（m)；L—隧道漏气部分的长度（m)；D—盾构外径（m）；m—气压系数；α—隧道的漏气系数；β—掘削面的漏气系数。三参数可据土质状况按表4.2选取。表4.2耗气量计算参数选取表土质βmα粗粒土0.11.04细粒土0.080.8~0.93粘性土0.050.6~0.92塑性土0.0250.2~0.614.3加压和减压过程4.3.1加压过程压力越高，吸入体内的气体越多，尤其是氮气，首先溶解在身体血液里，然后进入组织里。其饱和度取决于压力，持续时间以及组织吸收氮气的能力。脂肪组织尤其能吸收。从正常压力到高压的沉淀物转变，会产生强烈的症状，如头痛、平衡性减弱和牙痛。如空旷部分（如鼻窦、耳膜、肠管、无效填充物）的空气补偿受阻，可能导致紊乱。(1)加压注意事项①患有伤风感冒或流感的人员严禁进入人闸进行换刀作业，在患有内耳问题或感冒（中耳炎、上颌窦炎）时，不得在压缩空气下工作。②人员多喝水，否则，脱水将会很快导致压缩空气病症状，在加压前和加压过程中，不得饮用充碳酸气的饮料。③进出人闸时必须穿干燥整洁的服装。④工作中若出现任何不适，包括全身任何部位的疼痛、皮肤瘙痒、耳鸣、咳嗽、胸骨疼痛、胸部压迫感、呼吸困难、恶心、呕吐、头晕、虚脱、昏迷等各种情况，及时联系高压医生并治疗。⑤进行压气作业人员在作业前8小时内不许饮酒，烟、酒都不允许带入人闸及土仓。⑥土仓不允许使用高压水灭火。⑦不能使用导致排气的食物。⑧在压力仓改变压力时不允许睡觉。⑨工作仓内的空气温度不能低于10℃，不能高于25℃；人员气闸内的空气温度不能低于15℃⑩在作业中发现人闸设备的损坏，及时向班长反映，及时处理。（2）加压操作程序①显示设备，记录仪、加热系统、时钟、温度计、紧急电话、门阀、等设备的清洁。②操作人员进入主室。③开始双面记录仪，并检查功能和供纸。④关闭主室和入口室之间的气闸门，确保正确锁定。⑤确保电话联系。⑥缓慢打开球阀“fillprochamber”，根据减压表确定的速率进行，直到主室内压力达到操作压力。⑦如果主室和工作室压力达到一致，位于工作室和主室之间的球阀可小心开启，完成工作室和主室之间的压力均衡后，球阀必须关闭。⑧打开通向工作室的闸门，持续向工作室通气10分钟，以保证工作室内空气新鲜。⑨在工作室作业，必须保证工作室闸门处于开启状态，以供人员撤离。（3）加压过程图①土仓以保压至目标压力P1（地层支撑压力），人闸主副室均为P0（大气压）；P1>P0,如图4.3所示。图4.3土仓加压②土仓以保压至目标压力P1（地层支撑压力），P2为过渡压力，人闸副室均为P0（大气压）；P1>P2>P0，如图4.4所示。图4.4人闸主室加压③土仓以保压至目标压力P1（地层支撑压力），主室与土仓达到压力平衡，人闸副室均为P0（大气压）；P1>P0，如图4.5所示。图4.5人闸主室与土仓达到平衡(4)额外人员加压流程图在额外人员进入加压的人闸主室或土仓进行作业时，需首先进入人闸副室，对副室加压直至与主室压力平衡，然后即可将主室与副室之间的舱门打开，人员从副室进入主室作业。具体过程如图4.6和图4.7所示。图4.6对人闸副室加压图4.7人闸主室与副室压力达到平衡4.3.2减压过程在减压过程中，溶解在血液和组织力的气体必须释放。如果减压过程中减压速度慢，释放的气体可能通过血液循环和肺“排出”。如果减压过快，就会在体内血液和组织内形成气泡（碳酸水反应）。在压缩空气环境下作业后，持续性出现气栓是最常见身体损害源。而且，气体的释放会导致暂时性或永久性组织损害。从高压环境转到正常压力环境，会或多或少导致严重的气压疾病症状。症状可能会在减压过程中就出现，也可能几小时后出现。压缩空气疾病症状及注意事项疾病症状：①肌肉和关节疼痛。②皮肤发痒和皮肤微红-发蓝。③中枢神经系统紊乱：头晕眼花、耳鸣、听力困难、呼吸困难、视力和讲话混乱、瘫痪、抽痉。④手脚趾麻木。注意事项：①穿干燥衣服。②避免着凉或受冷而颤抖。③避免呼吸急促。④避免姿势不自然。⑤定期活动手脚。（2）减压程序①关闭主室与前室之间的中间气闸门。②启动记录仪（人闸管理员）。③进入主气闸并向工作室方向关闭气闸门。④与人闸管理员进行电话联系。⑤通过球阀1V006缓慢降低主室内的压力。同时监视主室压力。⑥通过球阀1V018对气闸进行通风，通风的额定值是按照国家的有关规定确定的，在气闸通风的同时，应避免造成压力再次增加。⑦只要压力在持续缓慢的下降，就可以通过球阀“主室去通风”（1V018）和“主室通风”（1V006）进行再调整，同时，气闸通风必须符合有关法规。流量计（主室通风）的值必须符合国家有关规定。⑧如果达到了第一个压力级，则通过重新调整闸阀，使主室压力在规定的时间内得到保持。气闸管理员应定期检查流量计上气闸的通风情况。⑨必须重复上一步骤，直至达到正常的环境压力，同时，遵守相应的保持时间。主室内的加热系统必须按照国家有关规定进行调整。⑩开启主室与通道室之间的中间气闸门，然后离开人闸。eq\o\ac(○,11)人闸管理员关停记录仪，并在加压和卸压的表格内记录加压和卸压的详细情况（日期、时间、压力、人数等）。（3）减压时间减压过程需根据我国隧道高气压作业减压表见表4.3，查出降压步骤及每步骤所需时间，各站停留时间和总时间，然后编制出详细的减压方案。表4.3我国0.6-4.0kgf/cm2隧道高气压作业减压表压力(kgf/cm2)高压下暴露时间(h)上升到第1站停留时间(min)各停留站时间(kgf/cm2)停留时间(min)减压总间(min)高压暴露总时间h:min2.42.11.81.51.20.90.60.30.6-1.2656-1266-121.2-1.5112-15112-152410172173415223224310102942953101534534631020396391.5-1.815101811824510252253410153533543101020524525310152562621.8-2.11615241242451020482483351015257031043101520309043053101530401106502.1-2.41610153713725102025693933510152540113453435152530451386182.4-2.716510154514525510152530104244331015203545144524432.7-3.0175152561212551020304513041034515203040601926123.0-3.31751015257421425510152535501634433.3-3.6185152025852252551015203040501965163.6-4.01810152025301233325510152030405060259619注:各停留站间的移行时间为3min,已计入减压总时间内,如无第1停留站时的上升速率为每分钟0.1kgf/cm2例如：在工作压力为1.0bar时，减压时间如下：工作压力1.0bar，工作时间6小时；移行时间3分钟1.0bar—————————﹥0.6bar本站停留时间5分钟移行时间3分钟0.6bar—————————﹥0.3bar本站停留时间5分钟移行时间5分钟0.3bar—————————﹥0bar减压总时间15分钟（4）减压流程图减压过程与加压过程相似，但过程相反,减压流程如图4.8，4.9，4.10所示。图4.8人闸副室减压图4.9人闸主室减压图4.10人闸主室与副室压力均减至常压（5）减压病及预防减压病是由于高压环境作业后减压不当，体内原已溶解的气体超过了过饱和界限，在血管内外及组织中形成气泡所致的全身性疾病。我国卫生部将急性减压病分为轻、中、重三级：①轻度表现为皮肤症状，如瘙痒、丘疹、大理石样斑纹、皮下出血，浮肿等；②中度主要发生于四肢大关节及其附近的肌肉关节痛。③重度凡出现神经系统、循环系统、呼吸系统和消化系统障碍之一者。临床：绝大多数患者症状发生在减压后1～2小时内。在减压过程中发病者占总发病数9.1％，减压结束后30分钟内占50％，1小时占85％，3小时占95％，6小时占99％，6小时到36小时仅占1％。减压愈快，症状出现愈早，病情也愈重。严格遵守减压规则，可以不发病。4.3.3高气压环境作业人员的营养保健及预防（1）养成良好卫生习惯，建立合理生活制度。工作前应充分休息，防止过度疲劳，不饮酒。工作时应预防受寒和受潮；工作后应立即脱下潮湿的工作服，饮热茶，洗热水浴，在温暖的室内休息半小时以上，以促进血液循环，使体内多余的氮加速排出。（2）每日应保证高热量（一般每日约15072～16747KJ）、高蛋白、中等脂肪饮食，并适当增加各种维生素。可选些高蛋白的食品，油脂应控制在100克左右。可选择营养丰富又不含兴奋剂的饮料，如牛奶、豆浆、麦乳精等。4.4气压平衡稳定性保障4.4.1气压力值设定气压力值确定为了保证掌子面，必须提供足够的气压来平衡掌子面水土压力。因此需要盾构隧道埋深、水位条件、地层物理力学参数，计算气压值。气压值按照静止土压力计算，这时土压力偏于安全。4.4.2土工及机电系统保障气体压力稳定性保障开挖仓内气压稳定，需要从土工（漏气）和机电（进气）等两个主要方面来保障。（1）土工系统方面在进行带压换刀作业前，为评价天然土体的空气散失程度以及加入添加剂对地层气体渗透性的影响，需要在预计停机地点附近进行地层压气现场试验。根据试验数据，计算出在开挖掌子面上施加某压力的压缩空气时的气体损失量及其变化，并评价开挖仓为半仓渣土或空仓情况下加入添加剂后地层的气体防渗效果。制定一套完整可靠的开挖程序。该开挖程序需在预计带压开仓检修刀具里程之前5-10环执行。确保土仓及盾尾气密性能，防止漏气。加气过程中派人检查地面有无漏气的工程或市政管井等可能存在的漏气边界，并评价气体泄漏的可能性及其影响，及时采取有效措施。对不能采取措施的，要求避开此区域进行气压换刀操作。（2）机电系统方面启动操作程序前详细检查盾构机及其后备套系统，确保机器的安全运作，及时发现问题并及时解决。启动操作程序前详细检查压缩空气系统。检查空气压缩机器避免出现过高或过低于土仓内设定压力值。需派专人值守空气压缩机，发现问题立即报告。4.4.3开挖面稳定性评估气压稳定和气压异常情况下掌子面稳定性评估开挖仓内气压置换土压并出渣至设定水平之后，需要等待并观察一段时间，看土仓内气压是否稳定。当气压稳定且变幅不超过0.02bar时，需要先组织有经验的岩土工程师带压进入土仓，对开挖面的稳定性进行评估。当开挖仓内气压变幅较大，不很稳定时，说明开挖面或盾体周边泥膜没有很好形成，需要重新掘进离开现有扰动区后再进行试验。4.5换刀施工内容及要求4.5.1换刀作业的内容（1）检查刀具是否损坏及刀具的磨损情况。（2）搅拌棒耐磨层的完好情况。（3）刀盘耐磨层的磨损情况。（4）刀盘大臂各部分焊缝是否完好，如有裂缝则及时补焊，防止刀盘臂断裂；（5）刀具安装部件如楔块、安装块、螺栓保护帽是否松脱或损坏。（6）更换已经磨损的刀具。（7）根据盾构机将要掘进通过的地层更换刀具形式，检查刀盘是否粘结泥饼、并清除；对于盾构机刀盘无法破除的粒径较大的卵石，开仓后人工用液压锤进行破除。4.5.2带压换刀中材料的运输（1）使用起重设备把材料送入人闸主室，然后关闭人闸主室密封门。（2）向主室逐渐增压使主室压力达到规定值后工作人员进入人闸前室。（3）人闸管理员打开前室进气阀门，使人闸前室的压力缓慢增加，在前室和主室压力相等时，工作人员打开主室和前室之间的隔离门进入主室。（4）打开压力舱壁上的闸门，将刀具送入土仓。4.5.3刀具检查（1）刀具外观检查检查刀盘上所有刀具螺栓是否有脱落现象；刀圈是否完好，有无断裂及弦磨现象；刀体是否有漏油现象；挡圈是否断裂或脱落，着挡圈脱落，还应检查刀圈是否发生移位。（2）刀具螺栓的检查查用手锤敲击螺栓垫，听其声音来辨别螺栓的紧固程度，或一边敲击一边用手感觉其振动情况来辨别螺栓的紧固程度。（3）刀具检查过程中，应对加压的全过程压力进行记录；刀具检查的同时，对每刀具进行编号，记录刀具的磨损量，并提供刀具检查报告。4.5.4刀具更换的标准及更换操作根据相关介绍，盾构刀具磨损的建议标准是：周边刀磨损量为5~10mm，齿刀磨损量为8mm左右时就必须进行更换。这个指标的确定和刀具耐磨层厚度有很大关系。更换刀具步骤如下。（1）每次更换时，作业人员先将刀具周围的泥土清掉，保证留有一定的工作空间。（2）由刀盘外侧向内逐个检查刀具的磨损情况，确定需要更换时，用相应标号的刀具进行替换。（3）用套筒及加力杆卸下固定螺栓，将拆下的螺栓及附件放入随身携带的工具袋内，以防丢失。（4）将换下的刀具递到人闸内，同时将固定螺栓和固定座用水清洗干净，并检查一下是否有裂纹，如有裂纹必须更换新螺栓，以确保新装刀具有足够的固定强度；（5）将新的刀具按原来的位置安装好，并将固定螺栓拧紧。（6）每次带一批刀具和螺栓进舱，每批刀具换完后，把废刀具和没有安装的新刀放进料闸内。（7）同时操作手转动刀盘。工作人员通过料闸把下一批刀具送入土仓内，再继续更换下一组刀具。（8）每换完一批刀具后，由值班机械工程师检查一遍安装质量，并检查是否有漏掉的或者没有固定好的。机械工程师确认无误后方可继续作业。（9）更换速度按实际情况定，必须以保证安装质量为前提。更换速度：齿刀基本上为每个30~40mm周边刀则依据换刀人员的具体情况来定。在刀具更换完成后，可清理土仓，关闭舱门。人员退出后试转刀盘若干圈后，再安排人员进入土仓复紧刀具，确认上紧后，退出土仓，关闭舱门。4.5.5各种刀具的最佳换刀位置（1）正面滚刀的最佳更换位置在9点方向，故需将待换刀具转至此位置，使单刃滚刀刀具转轴与水平方向成0º。当刀盘转到如图4.11可以更换图中9点位置的5把单刃滚刀。通过对刀盘的旋转，则能实现20把单刃滚刀的更换。图4.11正面滚刀更换时刀盘的较佳位置（2）正面齿刀、边刮刀最佳更换位置在3点或9点方向。当刀盘转到图4.11位置时可以更换正面6把齿刀和2把边刮刀；此位置还可以更换位于9点钟的单刃滚刀1把。图4.12正面齿刀、边刮刀更换时刀盘的较佳位置（3）更换中心双刃滚刀时，需使待更换刀具转至最上方位置，刀刃与垂直方向成90º，如图4.13所示。图4.13更换中心双刃滚刀时刀盘的较佳位置（4）更换边缘滚刀要保证刀具的安装轴与水平方向成0º，此时最易更换。4.5.6带压换刀的注意事项（1）组织机构上应备有在训练有素的班组管辖下的手动气阀，以便能够进入土仓进行修理作业，包括更换刀具和人工排除意外的困难和故障。（2）在开仓作业过程中，应尽量维持压力，并通过进气阀的操作使气压的变化值控制在可控范围之内。（3）当需要加入添加材料以保证土体气密封时，应向舱内加入膨润土浆液，转动刀盘使舱内砂土内与膨润土能较好的混合，并能较深的渗入地层中，在开挖面形成一层比较厚的泥皮，从而达到保证气密封性的效果。（4）设置两条以上的通讯线路，保持压力仓内仓外、地面及外界相关单位、部门联系畅通，如有异常，即使联系。（5）若换刀时刀具不慎掉入土仓内，而土仓内泥渣较多很难定位刀具及打捞时，则换刀人员进仓作业时带上铁锹和编织袋，将土仓内的渣土装袋即可。（6）由于换刀需要转动刀盘时，必须听从仓内人员的指挥。当仓内人员发出转动刀盘指令时外部操作手才能启动刀盘转动。刀盘转动速度控制在0.2rpm以下。（7）若作业过程中,发生气管爆裂、空压机故障等问题时，首先要冷静，想办法稳住气压，同时尽快通知作业人员进入人闸以便及早减压出来。（8）要作好各项人员安全措施及灾害防治措施；要注意压气作业过程中因焊接、漏电、打磨等作业可能引起火灾。（9）各种应急设备如高压氧舱、担架等应处于准备状态。4.6应急及撤离措施（1）若有空压机出现故障而不能正常提供过滤高压空气时，不能冒险使用一台空压机，以防止压力无法达到预定值；（2）时刻检查土仓前方掌子面的结构稳定情况，监测负责人员认为土体不稳定时（包括突然涌水，土体滑落或塌陷），等待观察结果进行下一步安排；（3）根据温度情况来决定工作的安全与否，一旦温度过高而不利于安全有效的工作时，必须中断作业。（4）如果人闸里或施工过程中一名或多名人员有感觉不适的症状，不适宜继续工作，立刻向现场医生咨询协调下一步骤。（5）在作业过程中遇到人员受伤流血，必须对其进行压迫止血，并使其处于头低脚高的姿势；与负责压缩空气问题的医生协调后，可将压力迅速降低至大气压出仓送往医院抢救；（6）在作业过程中发现盾构机意外停止高压电，启动备用发电设备（配备35kw内燃空压机）时，立刻关闭土仓闸门，回到人仓，等待降压；（7）当发现异常情况时，监测负责人立即通知换刀作业值班人，命令工作人员快速、安全的撤离土仓，关闭土仓闸门；（8）撤离时，不能慌乱，主要保护人员安全，人员在减压仓减压后退出。5砂卵石地层带压换刀的试验与实践5.1气压加压试验5.1.1建立压力实际情况（1）盾构停机前状况2008年3月16日晚，盾构机的推力逐渐增大，最大至1700吨，每环注入3方膨润土改良土体，出土夹杂较多未破损的20~30cm卵石及粘土，偶尔出现卡刀盘现象。掘进速度在掘进第二环突然从30mm（2）换刀计划及执行情况换刀计划及实现情况见表5.1。表5.1换刀计划及实现情况计划内容，参数时间及班组实际情况，处理及参数刀具检查更换地点的预测，对选定地面进行观察，确定盾构机上方的管线，地质钻探孔，降水井等泻压通道堵死3-16无停机换刀前五环每环盾尾同步注浆足量，同步注浆压力，1、4号管2.5bar,2.5方；2、3号管3.5ba，1.5方；总量9方3-16见（1）说明停机之前收拢铰接至中间参数60~70，调整姿态，向盾尾注入足量的密封脂，以保证盾尾及铰接不漏浆3-16正常，密封无泄漏停机时，利用盾尾注浆管向盾尾后注入膨润土，1、4号压力2.5bar，注入量1.5方；2、3号压力3.5bar，注入量1方；注入总量6方3-18压力分别为1.7，2.6，2.4，2.7；注入量为1.5方；用注浆泵向盾体上注入膨润土，左上及右上方注入压力2.5bar，2方；注入量左下及右下注入口注入压力3.5bar，1.5方3-19由于盾尾注入膨润土仓内的土压传感器压力上升快，说明盾尾及刀盘在顶上形成通道，放弃在盾体上注入；使用膨润土泵注入膨润土，泻压力2bar，由左右两条管向土仓前注入足量膨润土，约10~20方；使土仓1#、2#压力传感器达到1.5bar3-19压力分别为0.04（0.34），2.3（4.03），2.9（3.50），1.7(2.24),0.24(0.44)；注入量为6方；缓慢转动刀盘45度，继续注入膨润土，使次土仓1#、2#压力传感器达到1.5bar3-19刀盘卡住，土压传感器压力高停止观察土仓压力变化10分钟；压力不泻漏；泄露则补充注入膨润土；再观察3-19未实现不转刀盘，注入膨润土，缓慢出渣，使压力保持在1.5bar；出土量控至在8~10方，至仓门下；出土为沙卵石土最佳3-19不能出土，只能出水及膨润土停止出土等待10分钟，压力可保持，然后再缓慢出土，使压力下降至0.6bar3-19未实现使用平衡空气系统向土仓内注入空气，设定压力0.7bar；压力保持住观察2小时，其间20分钟慢速转动刀盘2~3转；土仓压力能否保压，压力降不会过快；若不能保住，则意味掌子面上或盾体四周尚有地方未形成泥膜；为形成泥膜，有必要往掌子面前方继续加注膨润土浆液；而后再进行观察；直到压力稳定；其间始终打开空气平衡系统3-19未实现保压出渣，分阶段间歇排土，分阶段加压的工作，缓慢出渣，刀盘不旋转；出土量为8方，可满足进仓观察；观察压力变化情况；3-19未实现观察2小时，达到的结果：

压力能保持，出土为卵石渣土；可进行刀具更换工作；

压力能保持，出土为膨润土浆液，中间结泥饼；可人工清除；

压力不能保持，出土为卵石渣土；可再注入膨润土观察；

压力不能保持，出土为膨润土浆液。3-19经水浸泡后，出土为膨润土及水，刀盘卡住，无出土；常压进仓清理。5.1.2问题处理过程及分析（1）加压后处理措施①刀盘在旋转一定量后扭矩突然增大至极限数据300bar卡住，转速至1.4；螺旋输送机旋转无出土，但能出水及膨润土，经分析可能在土仓内形成泥饼或中间卵石成拱。②收缩所有推进双缸，单缸收缩后再顶上泄压，而后旋转刀盘依然被卡住。③注入水浸泡，目的是软化泥饼后螺旋输送机及刀盘可转动。④尝试转动刀盘，但仍然被卡住，螺旋输送机仍然无法出土。⑤决定常压进仓处理。（2）开仓观察情况①地层类型为2-8-3的卵石土，土仓内观察，密布约20~30cm大型卵石，地层为较大卵石夹杂于黄色粘土层中，地层密实，膨润土渗入土体很薄，基本属于附于掌子面表面，地层在无扰动情况下稳定。②未观察到地层水。③渣土水平面超出仓门最低面5公分，渣土基本为卵石组成，蓬松，与注入的膨润土有关。④左侧10点钟有单液素浆从盾尾流动至刀盘。⑤左侧11点钟方向是刀盘开口所在位置，此处有一定塌陷，刀盘顶上有近1m3⑥右侧1点钟位置是刀盘另一开口所在，未见塌陷。（3）开仓处理①现场制定清仓计划，刀盘不动，人工清理土仓，同时准备焊接钢板以防止地层不稳定塌陷。②使用高压水向下冲，破坏卵石的直然拱结构，同时螺旋输送机出土，基本清理仓内渣土至二分之一，半掩仓内观察中启动刀盘，依然卡住，换向旋转，刀盘正常，其中造成轻微几块较大卵石从刀盘顶部掉落。③刀盘卡住后可转动的位置为60度，卡住原因为大粒径卵石卡于刀盘前及前盾与刀盘接缝处，加上满仓卵石，造成刀盘扭矩过大卡死。（4）关仓处理①关仓，注入膨润土，正常掘进不出土保压。②恢复正常掘进。5.1.3施压试验结果经过本次换刀试验，得到以下结论：（1）在较粘稠膨润土下，盾尾及铰接为发现泄漏现象。（2）盾尾及刀盘在顶上必然形成通道，基本无法完全阻隔。（3）土仓内土压传感器在无水，无气压及正面推力情况下，2号压力达到0.8~1.2bar时可以认为是基本满仓；除1号，其它传感器也基本处于此压力值左右；（4）卵石粘土在高压环境下，在成拱无扰动情况下，具有较强的自稳性。（5）土仓压力大于空气平衡系统设定压力时不能打开闸阀，会出现渣土堵塞气路通道。（6）在出土一定量后，需观察土仓隔板上的压力表，以确定测得的压力是气压而不是土压。（7）通过开仓观察，认为高压膨润土能渗入地层中的孔隙中起到补偿作用，长时间浸泡后（18小时），膨润土会随水稀释流失。（8）并未实现气压平衡，需近一步试验。5.2带压换刀实践5.2.1换刀实际情况盾构机正处于曲线段，推力较大，最大至1800吨，每环注入6-9方水改良土体，出土夹杂较多未破损的20~30cm卵石，及粘土，出土流畅连续，掘进速度仍可以保持在20-25mm/min。掘进至131环，计划常压开仓换刀，清仓18方，开仓发现地下水位高至人仓闸门，无法实施常压换刀。经研究决定，准备膨润土，及空气压缩机，通知高压医生等；准备实施带压换刀。停机时盾构相关技术参数停机里程YDK7+501.03，所处地层为3-7-3和2-8；环号132环；土压传感器为：0.29bar，0.03bar，0.59bar，0.71bar，0.39bar；推进油缸：1057mm，30bar；1091mm，64bar；1129mm铰接油缸:30，48，93，117；铰接压力：71bar。螺旋输送机闸门压力：0.02bar；VMT姿态：前点水平9，垂直38；后点水平16，垂直32。5.2.2气压加压及进仓（1）建立土压平衡①停机之前调整姿态，向盾尾注入足量的密封脂，但由于处于曲线段，收拢铰接至（30、48、93、117；压力71bar）。②停机时，利用盾尾注浆管向盾尾后注入膨润土，1、4号压力2.5bar，注入量1.5方；2、3号压力3.5bar，注入量1方；注入总量6方。③使用膨润土泵注入膨润土，由左右两条管向土仓前注入足量膨润土，约12方；使土仓1#、2#压力传感器达到1.5bar。④不转刀盘，注入膨润土，缓慢出渣，使压力保持在1.5bar；出土量在3~5方，至仓门下；出土为沙卵石土；出土后，压力下降到0.8左右。⑤缓慢转动刀盘45度，土仓压力由转动前0.73下降到0.58；继续注入膨润土，一小时后，使次土仓1#、2#压力传感器达到0.67bar；再次转动刀盘约45度，压力下降至0.58bar，一分钟后上升到0.64bar。⑥使用平衡空气系统向土仓内注入空气，设定压力1.2bar；压力稳定在1.1bar；⑦观察一小时，压力能保持则人员可进仓作业。（2）带压进仓观察情况①带压1.1bar进入土仓，打开侧面球阀无水。②打开仓门，仓内渣土覆盖闸门2/3，由于刀盘转向为向左，导致右侧渣土多。③土仓内无积水，侧壁9点位置行成约1L每秒水流。④掌子面坚实稳定。⑤可以进行换刀作业。（3）加减压操作通过医生的指导，加压时间可以略短，加压至1bar压力时间控制在5-10min，从1bar压力减压至常压时间控制在10-20min，主要控制速率的要素是加减压人员在过程中的舒适度；5.2.3带压换刀在5月30日到6月20日之间，根据实际情况分3次更换完所有滚刀及部分刮刀，为便于分析，将整个过程分为三个阶段分别进行说明。（1）第一阶段换刀情况（5.30-6.3）带压换刀过程中土仓内始终存在侧壁9点位置行成约50mL每秒水流，每日出渣2次，主要是水。换刀时首先对刀盘大臂内的泥饼进行清理，完成清理后进行换刀，刀盘的旋转对地层存在扰动，每次转动刀盘均会有渣土滑落，刀盘前与掌子面逐渐形成50cm间隙，上方形成10m高，3m直径的空洞。其间，随着可保持的压力降低，空气平衡系统注入的空气量增大，土仓内噪音增加，水位升高达到中心换刀位置后影响换刀作业，必须出渣降低水位；作业至6月2日，发现土仓内水流不大，计划使用常压换刀，但水位上升快，没过土仓闸门，常压下无法换刀，而后重新进行带压换刀。第一阶段换刀4天时间，共完成刀具更换9把。仓内情况如图5.1，5.2，5.3所示。5.1刀盘进渣开口前状况图5.2刀盘顶部与前盾接缝处图5.3刀箱形成的软泥饼加压作业的记录见表5.2。表5.2第一阶段作业记录日期时间压力（bar）进仓工作内容200810:00-11:001.1检查地层,刀盘;200812:00-16:231.08清渣200821:15-0:120.64清渣20081:02-5:300.46清仓20088:27-12:170.45清渣排水200814:37-18:300.4拆下一把先行刀200821:46-2:080.38更换21#，17#20082:55-03:060.38更换19#，23#，拆15#20088:20-12:000.37更换27#，34#20