压气作业在地铁盾构施工中的应用
在盾构工法施工中,进舱对刀具进行检查处理大致有三种方法:1)加压进入土舱进行检查;2)对前方土体进行加固后在常压情况下进舱检查;3)从地面向下做竖井到刀盘前方从而实现对盾构刀具的检查和维修。
广州地铁盾构施工主要采用的是土压平衡式盾构机,在盾构时利用土舱内流动的土体来维持工作面上的土压平衡。在施工中,碰到上软下硬不稳定地层或者隧道上方有建筑物是常见的,刀具的检查更换作业十分困难,直接开舱可能造成开挖面坍塌甚至引起地面的沉陷,风险很大;对前方土体进行加固,要耗费较长的时间;从地面向下做竖井到刀盘前方,地面根本没有条件处理。在此条件下,使用人闸进行压气环境下刀具检查和更换作业无疑是最佳的选择。广州市轨道交通三号线[天—华]区间于2004年2月成功实施了国内地铁施工的首次压气作业,开舱检查刀具或者更换刀具,取得了良好的效果。压气作业施工方法在广州地铁三号线得到积极地推广,并使这一工法在国内逐渐走向成熟。
1 压气作业的原理
压气工法的原理是利用压缩空气注入隧道,万一隧道周围的改良土发生微小裂隙,可藉压缩空气的压力抑制地下水压,阻止地下水渗入开挖面,维持开挖面的稳定,给作业人员安全进入盾构机土舱提供条件。
压气对开挖面的稳定作用,可大致分为下述三种:1)可阻止来自开挖面的涌水,防止开挖面坍塌;2)由于气压作用于掌子面,能够加强掌子面的稳定;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。
2 压气作业的地质条件
压气施工也并非任何地质条件都适用,由于覆土厚度、土质、地下水等条件的不同,有时压气施工法收不到预期的效果,采用压气施工法前必须仔细研究。
根据地铁隧道的埋深,以下几种地层比较适合压气作业:
1)粉砂质地基:透水性差,压气效果好,是适合压气施工的地基。只要注意覆土与压气气压的关系就不会发生喷涌现象,基本可以防止涌水。压气气压本身的支护作用,围岩的脱水作用产生的强度也会大大增强。
2)粘土质地基:土质软弱,开挖面不稳定时,可依靠压气气压本身的挡土作用和脱水作用使地基得到加固,故多采用压气法。
3)互层地基:一般的围岩都是由各种土质的互层构成,比较复杂,地下水压也往往被不透水层隔断。例如,即使是砂砾或砂质层,如果开挖面的上部有粉砂或粘土等透气性差的地层时,也是较为理想的压气施工地层。
3 人闸
3.1 综述
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舱中,并使之处在受压状态下。
以德国海瑞克盾构机为例,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舱; 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)。
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舱中的压力,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。
3.2 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。
3.3 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 压气作业
4.1 进入土舱
作业人员通过人闸进入土舱检查刀盘和刀具,同时检查传感器和隧道的开挖面。开挖舱被定为危险区域,作业时必须做好如下安全措施。
土舱中的作业人员应该注意岩土坍塌和地下水突涌。因此,根据地质状况(砾石和砂质地基、地下水),停止掘进后,使用加入了膨润土的泥浆并用刀盘搅匀,来稳定和密封隧道开挖面是非常必要的。
使用膨润土悬浮液能起到支撑和提高土壤渗透压力的作用,开挖面的这种密封形式称之为“泥饼”,“泥饼”与压缩空气系统保持平衡,起到薄膜的作用,保证隧道开挖面的密封。
4.2 更换刀具
4.2.1 更换刀具的准备工作
1)根据地质情况和操作模式(开放模式/土压平衡模式)将所需的物资运进土舱。
2)使用吊车或者运输平台将工具运进主舱(工作舱)。
3)通过控制板控制刀盘旋转到需要的位置。
4)升降平台、格栅平台和起重设备的固定点均设置在盾壳上。
4.2.2 刀具的更换
为了更换刀具必须通过控制板将刀盘旋转数次。
拧开各自的螺栓后所有刀具均能拆卸。每一次换刀后必须将螺栓再次拧紧到指定的预紧扭矩。
为了吊起并调整刀具,需要使用吊机。特别是更换滚刀时,会用到带夹持器的起吊设备。刮刀和边缘刮刀更换时,不需要特殊的工具。
5 压气作业注意事项
1)加压操作采用分阶段排土、分阶段加压的方式进行;2)工作面最终压力要求比设定土压力高0.1bar~0.2bar左右;
3)在开舱作业过程中,应尽量维持此压力,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;
4)必须确认安全后,方可进土舱工作;当开挖面有异常情况时,应立即组织工作人员退出土舱,关好舱门;
5)应设置两条以上通讯线路,保持压力舱内舱外、地面及外界相关单位、部门联系畅通,如有异常,及时联系;
6)设专人对地面房屋及地下管线进行监控和巡视;
7)在第一个作业人员进入土舱前,应持续充气10min,以确保土舱空间内空气新鲜;
8)作业人员必须经|考试考试网|过培训,身体检查健康,作业前不许饮酒,作业过程中不许吸烟,不许喝含酒精的饮料;
9)作业后的6h内,作业人员不应承担较大强度的体力运动。作业后的24h内,不许飞行和潜水,必须留在(现场)附近;
10)必须认真填写压气作业时间记录表。
6 常见问题及处理办法
1)若换刀时刀具不慎掉入土舱内,而土舱内泥碴较多很难定位刀具及打捞时,则换刀人员进舱作业时带上铁锹和编织袋,将土舱内的碴土装袋即可。
2)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。
3)要做好各项人员安全措施及灾害防治措施。对工作人员要进行全面体检,体检不合格的人员禁止入内。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。各种应急设备如高压氧舱、单架等应处于准备状态。
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