佛山市铁路投资建设集团有限公司 广东佛山 528000
摘要：总结采用液氮冷冻工艺保障富水复合地层盾构常压开仓及土仓狭窄空间内采用电火花工艺更换刀盘与主驱动连接螺栓技术实践，以期提供相关参考。
关键词：冷冻；开仓；取丝
一.工程概况
该地下区间线路沿市政主干道敷设，临近道路两侧多为商用多层建筑物。线路呈“V”字节能坡，自始发站以-20‰、5‰、22.79‰、-2‰坡度到达接收站，平面最小曲线半径为1200m，埋深16.2m～22.8m，线间距13m～16m。
二.地质水文
区间场地自上而下地层分别为人工填土层、海陆交互相淤泥质土、淤泥质粉细～中粗砂、粉细～中粗砾砂层、粉质黏土及全、强风化砾岩，岩石强度2MPa～8MPa，局部穿越断裂带。地下水赋存方式分为第四系松散土层孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水，初见水位埋深为1.20～1.80m，地下水具弱承压性，具降雨季节动态变化性。
三.事件背景
1.盾构机简介
复合式土压盾构机，总长9127mm，辐条面板式复合刀盘，外径6280mm，开口率约为33%～35%，配置96把刮刀、67把加强型撕裂刀、2把超挖刀。投入本区间前已掘进2.2km，进场和始发前按规定进行了检验与验收。
2.掘进异常
盾构机始发穿越洞门地连墙和钢筋混凝土围檩时，扭矩过大造成刀盘电机频繁脱扣，过程中螺旋机排出数十根长短不一的Φ32mm主筋、大小不一的铁块。盾构连续掘进至123环开始，渣土中含砂量减少，含泥量增多，掘进至129环时，刀盘扭矩增大，渣土中出现小石块，盾构机掘进至131环时，渣土中基本全为石块，清理土斗时发现1把背装式撕裂刀，盾构机掘进至135环时，刀盘扭矩过大连续报警，被迫停机，停机位置上覆土厚度为21.6m，位于主干道机动车道及人行道下方。通过对停机位置刀盘前0.5m～50m段间隔2m进行钻孔补勘，发现掘进断面前方0.5m～17.5m主要位于顶部少量存在富水中砂层、大部分位于中风化砂岩（角砾岩）、微风化中砂岩（角砾岩），局部突起中风化灰岩。抽芯检测三组，灰岩强度分别达到78.6MPa、80.5MPa、90.2MPa。
盾构机推进123～135环期间推力变化：12500KN～16500 KN，最大扭矩变化：1200KN﹒m～5100KN﹒m，掘进速度变化：54mm/min～5mm/min。
4.刀具损坏统计分析及换刀方案
采取地表预加固上覆软弱地层措施后，带压开仓换刀。开仓后发现背装式撕裂刀掉落15把、周边16把弧形刮刀掉落，掉落刀具合金刀刃已磨损至临界点。根据补勘资料，岩层突起及分布不均性大量存在，本次带压开仓更换为全盘滚刀，采用滚刀与刮刀共同作用保径。经分析，刀具损坏主要原因有：盾构机在始发磨穿钢筋混凝土围檩及地连墙过程中钢筋与刀具互磨受损；岩层起伏较大且强度大幅提高，遇硬岩突起后未及时调整掘进参数，导致刀具磨损进一步恶化；岩层硬度大且分布不均，刀具不间断受冲撞击，是导致刀具掉落主要原因。
5.发现螺栓断裂与原因分析
带压开仓换刀完成后清仓过程中，发现刀盘与主驱动连接螺栓部分断裂，其中外周52根螺栓断裂38根，内周52根螺栓断裂1根，断裂螺栓的带丝扣段全部剩留在法兰内，现刀盘螺栓仅剩70根完整有效持力。经分析，刀具磨损及掉落后，又遇高硬度岩层突起，未及时调整掘进推力、贯入度，导致刀盘扭矩持续过大，啃岩过程造成刀盘大幅、高频震动，导致刀盘法兰连接面出现滑动摩擦后螺栓承受环向剪切力而破坏。
四.制定拯救方案
1.选择断裂螺栓取丝工艺
电火花穿孔取丝工艺是通过电火花取断丝锥在工具电极和工件之间施加脉冲电压，能量高度集中，使放电区的温度瞬时高达10000-12000℃，工件表面和工具电极表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发，局部熔化和汽化的金属在爆炸力与震动力的双重作用下抛入工作液中, 如此反复使工件表面不断被蚀除，并在工件上复制出工具电极的形状，从而达到成型加工的目的。
具备以下特点：非明火作业，不产生高温效应，减少仓内冻结体失温；48V低压作业，安全可靠；单人单机可连续作业，工艺操作简单且成熟可靠；取丝锥无连带损伤，可以保障顺利更换新螺栓；工器具尺寸符合土仓狭窄空间作业需求；取丝工艺不产生毒害气体或其他有毒物质。
2.选择常压开仓
主要考虑到电火花穿孔取丝工艺精细，由专业操作人员进行，需要提供常压作业环境，且单个螺栓穿孔取丝作业时间大于4个小时，同时地质补勘显示当前掘进断面为全断面岩层，有利于常压开仓条件。
3.选择液氮冷冻工艺辅助常压开仓
主要考虑到液氮冷冻具备以下特点：地层使用广泛，可适用于任何地层；安全可靠性好，可有效隔绝地下水并承载；工期短，冻结速度快，可快速实现常压仓内作业；占地面积小，布置方式灵活，冻结体分布可控且均匀；维持冻结可靠性高，满足仓内延期延时作业即时性。确定采用液氮冷冻地层，保障盾构常压开仓。
五.方案实施及要点
1.实施液氮冷冻地层
1.1液氮冷冻方案总体思路
采用液氮垂直冻结加固方式。即：在盾构机刀盘上部及刀盘前方利用垂直冻结孔冻结加固地层，使盾构机刀盘左右侧、上部和前方范围内土体冻结，形成“∩”状冷冻加固体。
1.2液氮冻结参数设计
考虑到盾构各部位能够承受低温的程度，在刀盘前方设置1排冻结管,盾构两边布置2排冻结孔，盾构上部位置布置1排冻结孔。按照液氮冷冻参数和地层特性进行计算，计算要求冻结壁需能承受刀盘底部上覆水土压力的作用。
液氮冻结施工设计指标（同时作为开仓检验条件）为：
（1）冻结壁厚度≥1.5m，宽度约10.232m，最深处30.28m；
（2）冻土平均温度≤-10℃；
（3）测温孔平均温度≤-5℃；
（4）液氮进口温度：-150～-170℃；出口温度：-50～-60℃；
1.3液氮冻结实施要点
（1）液氮的供应与运输。由专业的液氮生产企业供应，使用不小于20m3专用的液氮运输槽车，由生产企业的专业人员负责运输。同时为了保证液氮供应的连续性，同时配置同容积1台液氮运输槽车中继供应，作为冻结期间液氮的缓冲和储备，以防液氮供应出现中断。当现场槽车液氮用至一半时联系中继液氮槽车到达现场进行补给，过程中控制好时间，以防液氮供应出现中断。
（2）液氮输送管道分配。每个冻结管内下放Ф32的供液管。供液管下至距离冻结管底部。冻结管用不锈钢金属软管连接（其他排孔以此类推）,然后将每个冻结管的供液管连接分配器。通过分配器把液氮从罐车分配给每一个冻结管。根据实际冻结管长度及位置，采用单孔单循环方式，保证各液氮管均匀向外扩散冷量。
（3）液氮输送保温措施。管路用不锈钢软管连接，管路用低温液氮阀门控制，所有暴露冻结管路用保温泡沫板或棉花保温，厚度不小于5cm。地面以上的排气管路需要进行保温，保温采用1层橡塑保温管加2层密封薄膜处理。
（4）液氮冻结关键环节。主要为温度、压力控制，液氮储罐出口的温度控制在–150℃～–170℃，压力控制在0.1Mpa～0.15Mpa为宜；冻结管出口温度控制在–50℃～–60℃，压力控制在0.05Mpa～0.1 Mpa为宜，压力调节可使用液氮储罐上的散热板，温度调节使用每组回路中截止阀。
（5）主要流程：冻结系统预冷→试验性冻结→参数调整→积极冻结→维持冻结→分层解冻→融沉处理。
2.常压开仓作业
2.1气体置换土仓膨润土泥浆
冻结前土仓内注满膨润土泥浆，为避免最终冻结体将土仓内泥浆冻结，给后期开仓清理带来困难及造成工期延长，实现常压开仓后人员可以立即进仓作业条件，因此根据冷冻帷幕发展速度，在积极冻结第4～5天时采用向土仓加气置换出土仓内膨润土泥浆，置换时根据上覆水土压力换算得土仓压力保持2.2bar。置换实施要点：
（1）空压机检查。为保证置换过程中土仓气压的稳定性性，应对空气压缩机进行全方位的检查维护，确保设备无潜在故障。
（2）缓排置换。气浆置换时，开启自动保压系统，通过螺旋机缓慢进行排浆，过程中根据土仓面板上球阀实施关注土仓内排浆液面高度，最终使其土仓内液面达到螺旋机口上部100mm位置。
（3）关注压力变化。在气浆置换过程中，要时刻观察土仓压力变化，如有土仓压力土仓上涨或者较大波动时，立即停机排浆，必要时向土仓内重新注满膨润土泥浆以维持压力。
2.2开仓前后检查要点
（1）开仓前检查要点。经过测温孔测温，冻结板块厚度达到设计要求≥1.5m，冻结壁平均温度降至-10℃以下；采用智能化冻结温控系统，每天实时监测每根冻结管出气口的温度及各测温孔的温度≤-5℃且无涌水涌砂；在土仓内土体清理过程中，如发现有渗水点，要及时进行封堵，以防水土流失，破坏形成的冻结壁。
（2）开仓后作业要点。开仓后在开挖仓壁的隔板开口处先进行仓内气体检测，条件符合规范要求;开仓作业时的仓内气体必须持续新风循环，1h～2h检测一次；仓内作业前检查刀盘冻结体固结情况，去除浮冰或悬浮物；仓内作业时人仓与土仓之间闸门须保持敞开，设置专职观察手。
2.3电火花取丝实施要点
（1）地面模拟同条件取丝作业试验。选取盾构机检修厂模拟同条件作业空间和环境进行试验，取丝成功率达到99.9%，单孔取丝平均耗时在4.5小时。
（2）明确电火花取丝作业流程。采用电火花打孔机对断裂的刀盘连接螺栓进行内六角打孔，然后利用加工后的内六角扳手或取丝器将螺栓孔内断丝旋钮而取出，再安装新的刀盘连接螺栓并初步紧固。
（3）取丝更换顺序宜自下而上进行，更换原则是取一根换一根，优先对断裂的螺栓进行更换，最后对其它旧螺栓进行更换，直至刀盘螺栓全部更换完成，按规定对螺栓进行张拉。
（4）每班作业人员计算作业时间和劳动强度，规定时间内更换班组；遇到取丝困难或滑丝情况时打平内六角孔位并重新钻孔，须重复计算作业时间，合理安排作业班组的劳动强度。
3.恢复掘进实施要点
（1）待仓内工作事项全部完成以后清理仓内作业工具及杂物，关闭仓门，并向仓内注满膨润土泥浆，加压至上覆水土压力换算得2.2bar，同时地面停止加液氮冷冻。
（2）对土仓内泥浆进行循环解冻盾体，直至刀盘转动为止。同时对地面冷冻管采用热盐水进行强制解冻至冷冻管松动，将全部冷冻管进行拔除，随后立即采用水泥砂浆对拔除冷冻管后的孔洞进行填充。
（3）待冷冻管拔除及刀盘解冻以后（此时地层冻结体还未完全解冻），及时恢复盾构掘进通过冷冻加固区。
（4）地面冷冻管拔除后，立即对前盾、刀盘顶部2m以上的地层进行注浆加固（地层冻土以上地层），注浆范围垂直方向底部1m范围内浆液采用磷酸+水玻璃，其他注浆浆液采用水泥浆+水玻璃。盾构通过冻结加固影响区3～5环后，保持继续掘进，同时对冷冻范围进行洞内二次注浆加固工序，按照0.3Mpa压力补足注浆量。
结束语：
通过合理选取液氮冷冻辅助措施，成功实现预期常压开仓条件，体现了液氮冷冻工艺在此类复合地层下的快速、高效、稳定的优势。电火花取丝工艺保障了狭窄空间内的精准作业。两者高可靠性方案的搭配相对于地面施作竖井拯救方案，经核算降低了施工成本约2300余万元，工期节约至少6个月。
参考文献：
[1]任君.液氮冷冻加固技术的盾构法改进研究.低温建筑技术.2014年第12期.
[2]魏龙海,郭小红,乔春江,等.南京纬三路大直径越江盾构隧道冻结法出洞方案研究[J].现代隧道技术,2011,48(3):80-86.