王峰
中铁二十二局集团轨道工程有限公司 北京 100040
摘 要 结合已施工完成长春地铁2号线南烟区间段的应用实例，施工中发现区间盾构机在掘进过程中需要穿越软硬不均地层且夹杂多层较高强度砂岩，受地层条件和刀具耐磨的影响，盾构在掘进施工到一定工程量后会造成刀具磨损严重，为保证盾构正常掘进速度和盾构机的寿命需进行施工中开舱换刀工作。本工程开仓换刀施工不仅表明换刀对区间掘进进度保证的必要性而且为今后盾构穿越不均匀地层开仓换刀提供施工技术支持
关键词：盾构区间 软硬不均 开仓换刀
1．工程概况
长春地铁2号线一期工程南关站～烟厂站区间，设计范围为K33+838.083～K35+97.756，盾构区间长约914m，暗挖长340m。区间西接南关站，向东终于烟厂站，隧道覆土13～21m。区间采用盾构法和矿山法施工。
区间穿越的地层主要为强风化泥岩，地质勘查报告显示强风化泥岩③2层以泥岩为主，夹泥质粉砂岩，局部夹钙质胶结砂岩层,坚硬致密,根据暗挖隧道施工过程中揭示的地层中，部分抗压强度可达到72.9Mpa 。
工程采用土压平衡式盾构机，盾构机外径6.28m，总 推 力：400bar，最大掘进速度： ≥ 8cm/min；盾构管片外径6.2m，内径350mm,厚度350mm，管片环宽1.2m,衬砌块分为6块，环向、纵向采用螺栓连接。
2.换刀点设置
南烟区间地层夹杂多层砂岩且强度达72.9Mpa，对刀具磨损更为严重，预计换刀长度约为300m/次，全线单线预计设置3个换刀点，掘进过程中根据刀具磨损情况具体确定换刀事宜。 换刀地点见下图：
2.1构换刀位置示意图
表2-1计划刀具更换位置列表
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3.换刀施工前准备
3.1组织准备
开舱施工准备：成立指挥组1个、协调组1个、技术顾问组1个、舱内作业小组2个、地面监控量测组1个及应急组1个。
3.2人员准备
人员配置表见表3.2-1：
表3.2-1人员配置表
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3.3设备、材料准备
设备与材料的准备，是实现快速换刀的基本保证，从而保证土体开挖面在外暴露的时间。在确保常用设备（机具）、材料到位的情况下，优先使用更为先进的工具，同时对可能在使用过程中损坏的设备、工具要确保损坏后立即有备用的。
3.4土体加固
为了保证换刀盾构换刀时的安全顺利的进行，需对换刀处地层进行注浆加固，加固方式采用袖阀管注浆，间距为500mm×500mm，扩散直径不小于600mm，注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆，注浆范围为6m×12m×12m 。
图3.2.1 袖阀管注浆加固范围平面、剖面布置图
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图3.2.2 袖阀管注浆加固施工图
注浆完成后对，对加固区域进行取芯检测，要求加固后的地基应有良好的均匀性和自立性，其无侧限抗压强度不小于0.8MPa，渗透系数≤1.0x10-7/cm/s，保证在换刀过程中刀盘处围岩具有良好的自稳能力。
3.5开仓准备工作
开仓前必须准备充分，尤其是开仓前的检查工作，同时准备充足的应急物资确保开仓安全。
(1)开仓前须观察渣土，根据渣土分析目前土仓开挖面水文地质情况，并对照地质勘查报告是否有较大出入，确定开挖面土质良好后，逐渐出土降低土压，清空上部土仓内渣土；
(2)根据出土方量计算土仓渣土清空情况后，进入人闸通过土仓壁上的球阀观察孔观察土仓开挖面稳定性情况，在打开球阀时若土仓压力显示很小，则基本没有气体流动，若发现打开球阀后长时间气体流动，则说明开挖面不稳定，有泥水涌入土仓；
(3)通过观察孔确定土仓开挖面安全情况下，准备空压机通风，选定已交底人员做准备，并分工明确，开仓作业机具及应急物资准备到位后开仓作业。
4.开仓换刀施工
4.1进仓作业程序
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图 4.1.1人员、材料经过准备仓进入土仓流程
4.2入闸步骤
检查所有显示设备和纸带记录器，加热、时钟、温度计、电话、应急电话和阀门等，检查闸门密封件的清洁。
（1）入闸人员进入主仓。
1）在主仓内打开双层带状纸记录器，并检查其功能完好以及纸量供应；
2）关闭主仓和前仓之间的闸门，并确保其正确关闭；
3）确保闸操作员和闸内人员之间的电话联系；
4）缓慢打开“向主仓通风”球阀。向主仓内的增压直到达到操作压力。
5）当主舱同作业舱内压力平衡时（通过“主舱压力表”及“作业舱压力 表”读数），可以小心打开主舱和作业舱之间的“作业舱压力补偿”球阀。一旦主舱同作业舱压力补偿完成，必须关闭球阀。
（2）打开通向作业仓的闸门。
在作业仓内作业时，通向作业仓的闸门必须保持打开状态。
在入闸过程中，在逃生门内的球阀或逃生门本身必须打开，入闸过程图示如下：
P0：大气压； P1：表面支撑压 ； P2：P1及P0之间的压力
1）开始状态：P1>P0
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[1]挖掘舱 [2]作业舱 [3]主舱 [4]前舱
在开始状态，只有挖掘仓是加压的。所有正确入闸的条件都满足后，入闸过程方可开始。
2）主舱加压：P1>P2>P0
[1]挖掘舱 [2]作业舱 [3]主舱 [4]前舱 压力补偿完成后，进入挖掘舱：
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3） 压力补偿完成后，进入挖掘舱：P1>P0
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[1]挖掘舱 [2]作业舱 [3]主舱 [4]前舱
入闸开始总是通过主舱实现的，而前舱则始终不加压的。
（3）通过前舱入闸（后续入闸）
通过前舱入闸（后续入闸） 通过前舱入闸的过程与主舱操作类似。唯一不同点在于所使用的阀和显示设备： 前舱通风阀门 、前舱放气阀门 、前舱排气流量计 、前舱压力表。
如果另有一个人要进入主舱，便要进行后续入闸。后续入闸由前舱来实现。后续入闸的人员要调整至主舱的压力。每次后续入闸过程完成之后，前舱必须减压，以允许再后续入闸过程。挖掘舱/作业舱内总共只许有 4 个人。
4.3出闸步骤
施工人员在出仓时，溶解到血液和组织里的气体必须释放出来。出闸时压力慢慢降低，要释放的气体可以通过循环系统和肺排出体外，出仓时需严格按照下图中流程进行
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图 4.3.1人员离开土仓流程
5.开仓换刀作业施工质量保证措施
5.1刀具更换标准
（1）逐把检查刀具情况，以避免遗漏，换刀时刀具的螺栓必须认真复紧；
判断道具是否需要更换标准如下：
表5.1-1计划刀具更换位置列表
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图 5.1.1滚刀示意图
（2）边缘刮刀及齿刀
边缘刮刀及齿刀出现较严重崩齿或刀具上的合金堆焊层磨损较严重时须进行更换。
5.2刀具更换原则
应遵守“拆一装一”的换刀原则，换刀时各组人员应统一采用“逐臂更换”或“由外到内”或“由内到外”等换刀顺序；认真执行交接班制度，应清晰地反映所换刀具编号，螺栓拆除、紧固情况。
换刀过程中需遵循以下原则：
1）刀具更换班组在接受换刀工作后，必须明确所需更换刀具的编号及换刀步骤。一般情况下，换刀时须拆一把装一把，且须由外往内更换，特殊情况时听从现场工程师安排。
2）为了安全以及作业方便，首先将换刀用的站人平台运进土仓并安装在仓壁上，然后在3点钟位置进行滚刀的拆卸和安装；在3点和9点钟上方位置进行刮刀的拆卸和安装。
3）为了刀具安装工作的顺利进行，拆下的螺栓、垫圈、螺母、压块等必须集中放置在
铁皮工具箱里。
4）滚刀的挡圈必须朝向刀盘圆心；刀具安装好后必须确保锁紧螺栓。
6.开仓换刀作业施工安全保证措施
（1）加强对开仓换刀人员安全及技术交底，异常情况施工需进行安全培训。
（2）做好安全通道，确保通道的畅通；
（3）开仓后先观察掌子面的稳定情况，经判断稳定后，再进入土仓作业。
（4）由气体检测人员利用气体检测仪器检测施工环境气体质量，如果空气质量不达标，应暂缓进入工作面，继续通入空气，直至环境气体质量达到安全要求。
（5）在作业过程中必须有一名土木值班人员对掌子面稳定情况经常进行观察，如有异常应及时通知并要求人员撤至安全地点，采取处理措施。
（6）系紧安全绳，安全绳的另一端须牢系在入仓通道内，并安排专人监护；
（7）盾构机内如需进行动火作业，必须由气体检测人员先对动火区域内的气体进行检测，安全合格且得到安全员动火批准后，方可进行。
（8）在刀具更换过程中要持续通入空气。
（9）测量队加强换刀期间地面沉降监测，并及时反馈监测情况。
（10）刀具检查更换结束后，操作手及机电工程师要对发泡剂的注入情况再次进行检查及确认，管路畅通方可封仓。
（11）严格制定安全应急救援措施及应急预案。
7.施工效果分析
本工程施工单线各进行3次开仓换刀，左线累计更换中心滚刀7把，边缘滚刀15把，正面滚刀11把，共计33把；右线线累计更换中心滚刀9把，边缘滚刀21把，正面滚刀10把，共计40把；经检测，换下刀具磨损量均在15-25mm之间。本次施工有效的提高了盾构掘进效率，区间提前35天双线贯通，圆满的完成了进度计划要求。
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表6.1左线换刀数量统计表
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7.结语
长春地铁2号线一期工程南关站~烟厂站区间目前已顺利贯通，正式运营。根据换刀段的选择和换刀流程的严格控制，圆满完成了开仓换刀任务，有效的保障施工盾构机的使用寿命和进度计划要求。此次施工为地铁盾构穿越软硬不均地层刀具检查、更换提供有力的技术支持，同时也使地铁隧道盾构施工的技术不断完善，通过探索与积累，使得盾构法施工质量有了新的提高。
参考文献
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