李東陽戴佰承劉波付春青

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2.北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100027

壓力艙是盾構(gòu)機(jī)的心臟,盾構(gòu)開艙相當(dāng)于一個(gè)心臟手術(shù),具有極高的風(fēng)險(xiǎn),稍有不慎就會引起嚴(yán)重的工程事故。2014年10月7日南寧地鐵1 號線的刀盤換刀事故、2008年04月15日廣州地鐵6號線的盾構(gòu)開艙事故都造成了數(shù)名操作人員當(dāng)場死亡。然而,在盾構(gòu)機(jī)長距離掘進(jìn)時(shí),經(jīng)常會由于遭遇障礙或者刀具過量磨損而導(dǎo)致盾構(gòu)被迫停機(jī)的問題,這是盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)的主要因素之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),隧道施工過程中因刀盤產(chǎn)生的停機(jī)率約占總停機(jī)率的50% 以上[1]。開艙維修是清理和排除故障的常用手段。然而,盾構(gòu)被迫停機(jī)的位置往往處在高水壓、淺覆土的不利環(huán)境,在地層水土壓力作用下,開艙存在極高的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此,安全開艙是城市地鐵盾構(gòu)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

盾構(gòu)開艙中最基礎(chǔ)也是最核心的問題是開挖面的穩(wěn)定性。解決盾構(gòu)開艙換刀的技術(shù)主要有帶壓開艙和常壓開艙2 種。帶壓進(jìn)艙是以壓縮氣體的壓力置換壓力艙中的泥漿壓力來臨時(shí)支護(hù)開挖面。該方法已有很多成功的應(yīng)用,如成都地鐵17號線[2]、廣州地鐵4 號線[3]、廈門海滄大道—東渡路跨海區(qū)間[4]、佛山地鐵2 號線[5]、德國易北河第4 隧道[6]、荷蘭Westerschelde 隧道[7]、南京長江隧道工程[8]均采用帶壓進(jìn)艙換刀或檢修。根據(jù)地質(zhì)條件差異,常壓開艙分為土體加固和不加固2 種。常壓開艙是通過將壓力艙的壓力釋放至常壓后,進(jìn)入壓力艙內(nèi)或者刀盤前方檢修的方式。工作人員在常壓條件下進(jìn)行刀盤檢修,不僅安全性好,施工方便,而且修復(fù)精度高。北京地鐵10 號線[9]和9號線[10]、昆明地鐵首期工程[11]、成都富水砂卵石地層[12]、徐州地鐵1 號線[13]、深圳地鐵2 號線[14]、福州地鐵6 號線[15]均有成功應(yīng)用。

隨著我國城市地下空間的進(jìn)一步開發(fā),城市地鐵施工環(huán)境愈加復(fù)雜,盾構(gòu)掘進(jìn)過程中遭遇刀具磨損、刀盤結(jié)泥餅、掘進(jìn)遇孤石等難題愈加普遍,盾構(gòu)開艙技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展也愈加緊迫。在未來30年內(nèi),隨著我國海洋戰(zhàn)略、區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化、國家大通道建設(shè)計(jì)劃的逐步實(shí)施,5 條世界級海底隧道和近百座水下隧道將開工建設(shè)。同時(shí),我國的大直徑盾構(gòu)施工技術(shù)也面臨著高水壓、長距離、強(qiáng)透水以及上軟下硬、上土下巖等復(fù)雜地層的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此,在大直徑盾構(gòu)機(jī)刀盤更換和檢修方面具有巨大的市場需求。本文對常壓開艙和帶壓開艙技術(shù)做了歸類與整理,介紹盾構(gòu)開艙的技術(shù)原理和進(jìn)展,以期為今后我國盾構(gòu)開艙技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 帶壓開艙技術(shù)

1.1 帶壓開艙技術(shù)原理

帶壓開艙技術(shù)包括常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù)和飽和氣體法開艙技術(shù)。常規(guī)壓縮空氣開倉技術(shù)的原理是,首先對工作面和盾體周邊土體進(jìn)行泥膜封堵以形成密封環(huán)境,其次通過在盾構(gòu)機(jī)土(泥水)倉內(nèi)設(shè)置合理氣壓以平衡前方水土壓力,然后操作人員進(jìn)入壓力環(huán)境下進(jìn)行檢修。其工作原理如圖1所示[16-17]。與常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù)相比,飽和氣體法開艙技術(shù)通過將高壓條件下的普通空氣換成惰性氣體與氧氣按照比例混合的氣體,操作人員可長時(shí)間在高壓條件下進(jìn)行開艙作業(yè),極大地提高了工作效率。但無論采取何種帶壓開艙技術(shù),操作人員均需在高壓環(huán)境下工作,這無疑加大了開艙的難度,施工風(fēng)險(xiǎn)也很大,例如開挖面的坍塌、泥膜擊穿造成的“冒頂”、開挖面泥膜漏氣、減壓病、溺水、氮?dú)庵卸镜萚18-20]。因此,帶壓開艙需遵循以下原則[21]:(1)開艙條件安全可靠;(2)對地上建筑影響范圍小;(3)操作人員要進(jìn)行崗前培訓(xùn);(4)開艙要有計(jì)劃地進(jìn)行。

圖1 帶壓開艙原理示意Fig.1 Schematic Diagrams of exchanging cutter under pressure

1.2 帶壓開艙技術(shù)分類

1.2.1 常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù)研究

采用常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù)時(shí),要求在工作面上形成氣密性良好的泥膜,通過泥膜層將氣壓轉(zhuǎn)化為支護(hù)應(yīng)力,以維持工作面的穩(wěn)定[22]。現(xiàn)有的泥膜材料主要有2 種:①高黏度泥漿;②衡盾泥。當(dāng)作業(yè)壓力超過0.45 MPa 時(shí),操作人員容易患上減壓病,且氮?dú)庵卸镜娘L(fēng)險(xiǎn)也會增大[23]。因此,建立氣密性良好的泥膜和選擇合適的作業(yè)壓力成為常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。

國內(nèi)采用膨潤土材料拌制的高黏度泥漿進(jìn)行封堵并在一定限度作業(yè)壓力(0.45 MPa)內(nèi)進(jìn)行開艙的工程,已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。針對盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置地處含水砂卵石地層、地上建筑物復(fù)雜的特點(diǎn),成都地鐵1 號線[24]采取了常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù),最終在0.08 MPa 作業(yè)壓力下順利開艙?；谏宪浵掠驳貙泳哂袧B透性大、穩(wěn)定性差的特點(diǎn),南昌地鐵1 號線[25]設(shè)計(jì)了一套U 型止水帷幕墻,在確保沒有地下水滲入工作面的前提下,采用常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù),并在0.17 MPa 作業(yè)壓力下順利開艙。針對跨海地鐵隧道高水壓、埋深大的特點(diǎn),廈門地鐵2 號線[26]采取了常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù),最終在0.3 MPa 作業(yè)壓力下順利開艙。佛山地鐵2 號線[27]由于左線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤磨損嚴(yán)重,對右線盾構(gòu)在指定位置進(jìn)行了開艙檢修,該位置所處地層地質(zhì)條件復(fù)雜,水土壓力較大,采取了常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù),最終在0.3 MPa 作業(yè)壓力下完成刀具更換。

作業(yè)壓力在0.45 MPa 以上的,常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用較少。作業(yè)壓力超過0.45 MPa 后,施工難度大幅提升,施工過程的危險(xiǎn)因素增多。南京長江隧道工程[28]在掘進(jìn)過程中刀具磨損嚴(yán)重,需開艙檢修,且停機(jī)位置無法進(jìn)行地層加固,因此采用常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù),經(jīng)膨潤土、制漿劑、水拌制的高黏度泥漿,對刀盤工作面及盾構(gòu)機(jī)周圍土體進(jìn)行封堵,形成密封環(huán)境?？紤]地層的滲透性高,故先用密度較小、黏度較低的泥漿封堵工作面前方土體中的孔隙,待其滲透性降低后,再采用膨潤土、制漿劑和水拌制的高黏度泥漿置換低密度泥漿,并在工作面上形成厚度較大的泥膜,如圖2所示[29]。最后,將泥水艙內(nèi)的土體置換為0.6 MPa 的壓縮空氣,操作人員在高壓氣體中完成了刀具的更換[30]。

圖2 開挖面上形成泥膜Fig.2 Filter membrane formed on the excavation face

然而,在已有的工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),采用高黏度泥漿形成泥膜護(hù)壁往往存在以下缺點(diǎn):

(1)高濃度膨潤土材料易開裂,封閉性無法保證,需要不斷修復(fù)及重做,操作人員帶壓作業(yè)時(shí)長受限。

(2)作業(yè)過程中若出現(xiàn)漏氣,將會造成工作面失穩(wěn),危及作業(yè)人員的生命安全[31]。

針對傳統(tǒng)泥膜護(hù)壁工藝的缺點(diǎn),竺維彬團(tuán)隊(duì)研制出衡盾泥材料。衡盾泥是將改性后的無機(jī)黏土與增黏劑拌制而成的一種綠色環(huán)保新型材料[32],具有成膜厚度大、耐久性好、保壓時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中[33]。其施工工藝如下:首先,在工作面和盾體外側(cè)注入衡盾泥,并在盾尾進(jìn)行止水處理,確保盾體與土體之間封堵成功,形成密封的環(huán)境。其次,用衡盾泥對土艙內(nèi)的渣土置換,同時(shí)保壓;置換結(jié)束后,縮回千斤頂使盾構(gòu)機(jī)后退,以便在刀盤與工作面之間形成一定厚度的泥膜;再次,多次少量地注入衡盾泥,進(jìn)行分級加壓,確保泥膜更加有效;最后,待達(dá)到設(shè)計(jì)壓力且氣密性良好的條件下,用高壓氣體置換衡盾泥,操作人員在高壓環(huán)境下進(jìn)行開艙檢修工作。具體工藝流程如圖3所示。

圖3 衡盾泥工法開艙流程Fig.3 The process and schematic diagrams of opening warehouse by HDN method

廣州地鐵8 號線[34]在全斷面富水砂層中2 次使用衡盾泥工法輔助帶壓開艙,開艙過程中發(fā)現(xiàn)衡盾泥材料形成的泥膜保水性能較強(qiáng),泥墻穩(wěn)定無坍塌,表明衡盾泥材料在該類地質(zhì)條件下能保持良好的氣密性。蘭州地鐵1 號線[35]在砂卵石地層采用衡盾泥工法輔助帶壓開艙,不僅順利完成了換刀工作,還驗(yàn)證了衡盾泥護(hù)壁能起到固結(jié)周邊土體,減小盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)后對周邊地層的影響。萬家麗路電力隧道[32]在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中遇地質(zhì)突變造成刀盤磨損嚴(yán)重,考慮停機(jī)位置地處富水砂卵石地層,采取了衡盾泥工法輔助帶壓開艙,成功完成刀具更換。濟(jì)南地鐵R 1 號線[36]在富水熔巖地層采用衡盾泥工法輔助帶壓開艙,工作面上形成的泥膜黏著較好且無開裂,證實(shí)衡盾泥材料良好的附著性、不易被稀釋等特點(diǎn)。廈門地鐵2 號線[31]在海底塌陷地層采用衡盾泥工法輔助帶壓開艙,表明衡盾泥材料適用于海底大水壓、地層出現(xiàn)塌方的復(fù)雜工況。深圳地鐵14 號線[37]在富水?dāng)嗔褞皫r地層采取WSS 化學(xué)注漿與衡盾泥建立泥膜工法相結(jié)合的方式,成功實(shí)現(xiàn)帶壓開艙換刀。目前,衡盾泥工法已解決了數(shù)百個(gè)盾構(gòu)開艙的難題,讓數(shù)十臺盾構(gòu)機(jī)成功脫困,拯救了數(shù)十條盾構(gòu)隧道[38]。但是,衡盾泥工法從材料配置到現(xiàn)場施工的要求較高,需要專業(yè)的班組進(jìn)行帶壓開艙作業(yè)[39]。

近年來,為使帶壓開艙過程更加經(jīng)濟(jì)、安全、便捷,一些專家學(xué)者通過對已有的泥膜護(hù)壁工藝進(jìn)行改良,對泥膜材料的性質(zhì)展開研究。閔凡路等[29]基于南京長江隧道工程,研究了泥漿中的黏粒含量對其性質(zhì)的影響,認(rèn)為可通過提高黏粒含量來提高泥膜的穩(wěn)定性。姜騰等[40]基于南京緯三路過江通道工程,通過調(diào)整泥漿中羧甲基纖維素鈉(CMC)含量開展泥膜閉氣性實(shí)驗(yàn),認(rèn)為隨著CMC 含量提高,泥膜的閉氣性能也相應(yīng)提高,但CMC 含量過高,會難以滲入刀盤前方土體。張寧等[41]研究閉氣壓力對泥漿的孔隙結(jié)構(gòu)影響,認(rèn)為閉氣時(shí)泥膜會產(chǎn)生壓縮,且隨著閉氣壓力增大,泥膜孔隙減小。陳健等[42]基于武漢地鐵8 號線展開不同配比泥漿的閉氣性實(shí)驗(yàn),提出采用密度為1.15～1.20 g/cm3的膨潤土—黏土混合泥漿并滲透成膜8 h 的方案,并在0.4 MPa 作業(yè)壓力下順利開艙。劉光等[43]依托深圳地鐵10 號線,研制了一種復(fù)合黏土混合漿液泥膜材料,該材料能在復(fù)雜地層連續(xù)帶壓開艙作業(yè),相比已有的護(hù)壁工藝,可以節(jié)省工期。

1.2.2 飽和氣體法開艙技術(shù)

對于超高水壓、大直徑的盾構(gòu)而言,常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù)難以應(yīng)用,飽和氣體法帶壓開艙技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它是一種將飽和潛水與常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù)相結(jié)合的新型開艙方式,其基本原理與飽和潛水作業(yè)相同,只是二者作業(yè)的環(huán)境有所區(qū)別[44]。飽和氣體帶壓開艙技術(shù)避免了在高壓環(huán)境下長時(shí)間吸入空氣引起的氮?dú)庵卸?而且可以長時(shí)間作業(yè),大幅提高了工作效率。

廈門地鐵2 號線在掘進(jìn)至全強(qiáng)風(fēng)化砂巖段時(shí),滾刀發(fā)生異常磨損,必須開艙檢修,由于所處位置水壓高達(dá)0.55 MPa,采用常規(guī)壓縮空氣開艙技術(shù)安全性無法保證,故采用飽和氣體法開艙[45]。南京緯三路過江通道工程在掘進(jìn)過程中遇富水砂卵石地層,刀具磨損嚴(yán)重,由于停機(jī)位置處水壓達(dá)0.74 MPa,多次出現(xiàn)泥膜漏氣,最終采用飽和潛水帶壓換刀方案,這是國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)在高水壓條件下(0.65 MPa)泥水盾構(gòu)泥漿中潛水帶壓換刀的案例[46]。

目前,采用飽和氣體法開艙的作業(yè)壓力最大已達(dá)0.85 MPa,但是飽和氣體法開艙技術(shù)在超高水壓、大直徑的城市地鐵盾構(gòu)施工中應(yīng)用仍然較少,這是因?yàn)轱柡蜐撍夹g(shù)不夠完善,系統(tǒng)維護(hù)成本太高,阻礙了技術(shù)的推廣和應(yīng)用。隨著我國隧道盾構(gòu)施工潛水技術(shù)的不斷發(fā)展和推廣,飽和氣體法開艙技術(shù)具有廣闊的前景。

2 常壓開艙技術(shù)

2.1 常壓開艙技術(shù)原理

常壓開艙技術(shù)是指將壓力艙的壓力釋放至常壓后,操作人員進(jìn)入壓力艙或者在刀盤前方作業(yè)的方式。對于穩(wěn)定地層,操作人員可直接開艙檢修。如北京某一疊落盾構(gòu)區(qū)間地處自穩(wěn)性較好的無水砂卵石地層,在沒有進(jìn)行地層加固的條件下順利完成了開艙,地表亦未出現(xiàn)明顯沉降[47]。但是,對于大多數(shù)工程而言,必須通過對盾構(gòu)機(jī)刀盤前方的土體進(jìn)行加固使開挖面穩(wěn)定,再釋放壓力艙壓力,操作人員才能進(jìn)入艙內(nèi)作業(yè)。當(dāng)?shù)孛鏃l件滿足豎井開挖時(shí),亦可開挖豎井后在豎井內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。這種方式使施工環(huán)境更加安全、便捷。常壓開艙作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)主要有:工作面失穩(wěn)、地層塌陷、地下水涌入加固后的土體、毒氣、機(jī)械事故、動火作業(yè)引起的爆炸、作業(yè)人員中暑等意外傷害、刀盤伸縮造成刀具更換無效等[48-50]。因此,在常壓開艙時(shí)需嚴(yán)格遵守以下原則:(1)安全可靠性;(2)對地上建筑、地下管道影響范圍小;(3)施工過程中必須通風(fēng);(4)快進(jìn)快出[21]。

2.2 常壓開艙技術(shù)分類

2.2.1 土體注漿加固的常壓開艙技術(shù)

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)所在地層具有很好的自穩(wěn)性、同時(shí)地下水滲透量很小、工作面能夠自立時(shí),才允許省去工作面加固和降水措施。通常情況下,常壓開艙有必要對工作面周圍的土體進(jìn)行預(yù)加固。采用地層加固的方式維持工作面的穩(wěn)定是開艙能否成功的關(guān)鍵。

長春某地鐵[51]盾構(gòu)區(qū)間在富水砂卵石地層應(yīng)用注漿與攪拌樁相結(jié)合的方式對盾體周圍及工作面進(jìn)行了加固,并在盾體四周及刀盤前方土體處分別設(shè)置2 個(gè)降水井進(jìn)行降水,為常壓進(jìn)艙提供穩(wěn)定、安全的施工環(huán)境。杭州地鐵2 號線[52]在掘進(jìn)過程中由于刀具磨損嚴(yán)重、土壓難以平衡造成地表產(chǎn)生塌陷,需開艙檢修。通過在盾構(gòu)機(jī)刀盤前方施做鋼板止水樁,刀盤與鋼板樁之間用克泥效材料止水,并在鋼板樁外側(cè)進(jìn)行分層壓密注漿,對前方土體進(jìn)行加固,最終在常壓條件下順利完成開艙。福州地鐵6 號線[15]在上軟下硬的富水砂層中,先用水泥砂漿置換渣土以穩(wěn)定工作面,再進(jìn)行WSS 地表注漿加固,然后后撤盾構(gòu)機(jī),形成換刀空間。南寧地鐵4 號線[53]盾構(gòu)區(qū)間地層強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差,采用素樁+注漿的方式對土體進(jìn)行加固,并在盾體周圍及盾尾設(shè)置降水井,成功實(shí)現(xiàn)了常壓換刀。

鑒于帶壓進(jìn)艙技術(shù)的高風(fēng)險(xiǎn)性,一般都會優(yōu)先考慮常壓開艙技術(shù)。但是,常壓開艙技術(shù)也存在諸多限制條件。首先,必須具備地層加固場地,在隧道上方存在構(gòu)筑物或者交通繁忙的道路以及江河湖海的底部時(shí),難以具備從地面加固的施工條件;其次,地層加固所需的工期較長,成本很高。

2.2.2 常壓刀盤換刀技術(shù)

近年來,越來越多穿江跨海隧道的建設(shè)提上日程,如湖南常德沅江隧道、深圳媽灣跨海通道、濟(jì)南黃河隧道等,超大直徑盾構(gòu)技術(shù)快速進(jìn)步,且正在向19 m 及以上直徑方向上發(fā)起攻堅(jiān)。然而,這類盾構(gòu)直徑大、覆土厚度大,在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常處于高水土壓力環(huán)境,因此面臨刀盤維護(hù)難度大、刀具磨損和異常損壞嚴(yán)重等問題,這使得更加安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的常壓刀盤逐漸成為必要的配置[54]。

大連地鐵5 號線跨海隧道[55]設(shè)計(jì)了一種常壓條件下全斷面滾刀與刮刀更換的復(fù)合刀盤,加強(qiáng)滾刀刀座和刀具的抗沖擊性能,適用于更復(fù)雜地層條件,為跨海隧道常壓刀盤設(shè)計(jì)提供了參考。南京長江隧道工程[56]盾構(gòu)區(qū)間通過加大刀刃硬質(zhì)合金斷面尺寸和單塊合金寬度改進(jìn)焊接工藝,不僅為常壓換刀提供有利條件,也延長了刀具使用壽命,提高了工程效益。武漢地鐵8 號線[57]地處軟土和硬巖復(fù)合地層,創(chuàng)新采用復(fù)合刀盤設(shè)計(jì)理念并開發(fā)應(yīng)用常壓條件下滾刀齒刀互換技術(shù),延長了刀具使用壽命,提高了刀具更換效率。湖南常德沅江隧道[58]地質(zhì)條件復(fù)雜,地下水豐富,水壓高,巖石磨蝕性強(qiáng),刀具磨損嚴(yán)重。通過研制耐磨性更高的大合金刀具,采用自主研發(fā)的常壓換刀技術(shù),避免了操作人員帶壓換刀的風(fēng)險(xiǎn),提高了施工效率。深圳媽灣跨海通道[59]是目前國內(nèi)最大的海底盾構(gòu)隧道,盾構(gòu)掘進(jìn)過程長距離穿越軟硬不均勻地層,盾構(gòu)刀具磨損大,施工難度大,換刀風(fēng)險(xiǎn)高,因此采用了擁有常壓換刀、刀盤伸縮等功能的常壓刀盤,極大地提高了復(fù)合地層中的施工效率。濟(jì)南黃河隧道在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中通過配置可伸縮主驅(qū)動、常壓換刀刀盤,增加沖刷設(shè)施、加大刀盤開口率,解決了刀具嚴(yán)重磨損、刀齒崩落、刀盤結(jié)泥餅嚴(yán)重、大量泥漿堵塞不易排出等工程難題。

2.2.3 土體凍結(jié)加固的常壓開艙技術(shù)

由于刀盤作業(yè)空間的限制,當(dāng)前大直徑常壓換刀技術(shù)尚不能支持全盤面刀具常壓條件下更換,因刀盤輻條開口所處位置,該處無法設(shè)計(jì)成可常壓更換的刀具[54]。因此工程中嘗試一種新的技術(shù)思路,即采用冷凍刀盤加固地層的方法加固工作面,實(shí)現(xiàn)常壓安全換刀。

凍結(jié)法作為地層臨時(shí)加固的一種方法,具有加固強(qiáng)度高、均勻性好、隔水效果好、對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),常用于地質(zhì)條件較差,地處砂層、富含地下水的情況。對于地上建筑物密集、地表有管線的工程,凍結(jié)法無須進(jìn)行基坑排水,可避免因抽水引起的基坑沉降,造成對周邊建筑物的不利影響。

廣州地鐵14 號線支線[60]周邊建筑物較多,地下管線復(fù)雜,盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中遇孤石停機(jī)被困,采用多種脫困方式均未成功,最終確定采用液氮凍結(jié)法加固開艙方案。液氮凍結(jié)通過預(yù)先鉆孔布置凍結(jié)管,在盾構(gòu)機(jī)刀盤左右兩側(cè)、上部及前方范圍內(nèi)土體凍結(jié),形成水平杯狀凍土體,起到加固周邊土體及封水的作用,如圖4所示。當(dāng)凍結(jié)效果滿足常壓開艙條件,即可進(jìn)行開艙換刀工作。在開艙換刀和檢修結(jié)束后,再對凍結(jié)土體解凍,完成后續(xù)掘進(jìn)工作。

圖4 液氮凍結(jié)示意圖Fig.4 Schematic diagram of liquid nitrogen freezing

廣州市環(huán)西電力隧道[61-62]通過對1 臺直徑4 350 mm 泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)刀盤、前盾改造,增加冷凍管路、密封裝置和集成制冷設(shè)備,使其具備凍結(jié)地層的功能,刀盤改造如圖5所示。通過冷凍刀盤在隧道內(nèi)對土艙外土層凍結(jié)加固,同時(shí)設(shè)置了加熱管道以保護(hù)后方主驅(qū)動單元不被凍壞。在實(shí)施過程中,壓力艙及工作面布設(shè)溫度傳感器,通過溫度變化推測凍土體的狀態(tài),判斷是否能夠開艙[63]。該項(xiàng)技術(shù)與傳統(tǒng)人工凍結(jié)法相比,降低了刀具維護(hù)過程中的施工風(fēng)險(xiǎn),突破了地面加固條件限制,施工時(shí)長也大幅縮短。

圖5 刀盤改造示意圖Fig.5 Schematic diagram of cutter head reconstruction

冷凍換刀技術(shù)打破了常壓盾構(gòu)換刀受場地環(huán)境的限制,開創(chuàng)了盾構(gòu)安全開艙的新途徑。但是,現(xiàn)有以CaCl2鹽水為冷卻循環(huán)介質(zhì)的凍結(jié)方法也存在一些不足[64-65]:凍結(jié)時(shí)間長,工程成本高;富水環(huán)境中凍土體積過大,需要考慮凍脹融沉對周圍環(huán)境的危害。

3 面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向

(1)盾構(gòu)開艙逐漸成為盾構(gòu)施工中最為突出的問題之一。無論是常壓開艙還是帶壓開艙,如何更好地消除和避開施工中的危險(xiǎn)因素是未來急需解決的關(guān)鍵問題。

(2)帶壓開艙時(shí),保障工作面及盾體周圍泥膜的氣密性,形成穩(wěn)定的開艙環(huán)境,是該技術(shù)成功的關(guān)鍵因素。采用衡盾泥泥膜護(hù)壁工藝和新型泥膜材料是常規(guī)壓縮空氣開艙的熱點(diǎn)研究方向。高水壓環(huán)境下的帶壓開艙研究仍處于起步階段,需進(jìn)一步發(fā)展和推廣盾構(gòu)施工潛水技術(shù),使飽和氣體法開艙技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

(3)常壓開艙時(shí),對于地面建筑復(fù)雜,地下管線過多且含水量較大的地層,地層加固方式往往存在局限性。常壓刀盤刀具的適應(yīng)性配置、全盤面刀具更換、刀具耐磨性等問題是重點(diǎn)研究方向。

(4)為建立更為全面的技術(shù)理論體系,需將盾構(gòu)開艙技術(shù)與其他學(xué)科領(lǐng)域緊密聯(lián)系起來,如材料學(xué)、醫(yī)學(xué)等。