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摘要：盾构掘进施工中换刀在所难免，其中以带压进仓换刀风险最高，特别是在泥膜护壁的情况下带压进仓更为危险。本文通过案例风险，阐述了风险控制最关键的各个步骤。在将来盾构施工管理中特别关注。
关键词：风险控制；泥膜制作；带压进仓
1工程概况
东莞轨道R2线珊美站~展览中心站区间盾构段隧道在里程ZDK29+690～ZDK29+768之间，纵向78m范围穿越东莞市厚街镇横岗水库排洪河道。盾构隧道与排洪河道平面关系如下图：
图1盾构隧道与排洪渠平面关系图
2换刀原因
珊展区间在该区域地层较为松散，左线盾构机在前期掘进过程中，地面沉降较大，造成河堤岸产生较大变形。右线盾构机掘进至河道时进一步加剧河堤岸的变形、位移、开裂，且推进参数异常，综合判断刀具已产生较大磨损，刀盘结泥饼的可能性很大。由于盾构机正上方为河道，地质条件很差，在河道换刀安全风险巨大。并且河堤附近地质条件均不具备常压开仓换刀条件，为此拟在河堤岸附近采取地面袖阀管注浆加固，对掌子面土体采取泥膜护壁辅助措施后，实行压气换刀作业。
3地质概况
如图所示，掘进参数异常区域地质条件由上至下分别是：<1-1>素填土，<3-4>全新统冲洪积淤泥质粘土，<3-1>全新统冲洪积软塑状粉质积土，<3-10>全新统冲洪积中砂，<3-11>全新统冲洪积粗砂，<7-1>全风化砂岩、含砾砂岩，<7-2>强风化砂岩、含砾砂岩，<7-3>中风化砂岩、含砾砂岩。
图2区间左线纵断面图
4换刀重点、难点分析及方案必选
4.1重点难点分析
从渣土抽样及结合地质剖面图情况分析，底部<7-2>强风化砂岩、含砾砂岩，<7-3>中风化砂岩、含砾砂岩约占隧道断面50%以上，强度高，对刀具磨损非常大。根据掘进参数、地质、地层判断，本次刀具已发生了较大磨损，必须安排人员进仓检查及更换刀具。
从前期珊展左线的气压作业情况看，本地段土层较为疏散，土仓压力建立起2.0~2.5bar气压并不能有效控制掌子面塌方，如何稳定掌子面，控制沉降是本次换刀面临的最大难题。
4.2方案比选
稳定掌子面措施有地面注浆加固、土仓回填砂浆及泥膜护壁等。各方案特点如下：
4.2.1地面加固
特点：施工工艺简单，工期短，加固效果好，对地面场地要求高，征地及修复困难。
4.2.2土仓回填
特点：加固效果较好、成本低，受地面建筑物影响小，但对施工工艺控制较强，盾构机容易被回填材料包裹，盾构脱困风险大。
土仓回填低标号砂浆或者水泥浆液，一方面对回填材料强度掌握好，回填材料强度过高，将造成土仓开挖清理难度大，影响换刀进度；若材料强度过低，加固效果又不明显，给换刀带来隐患。另一方面，注浆回填前，需充分做好盾构机刀盘开口、切口等封堵措施，防止回填时浆液串流到刀盘前方及盾尾后面，浆液包裹盾构机，提高盾构脱困难度。
4.2.3泥膜护壁
特点：工艺较简单、风险小、成本低，对膨润土膨化性能高、工序组织和过程控制强，泥膜容易失水、干缩、变形等，质量难控制。
5泥膜护壁施工工艺及流程
图3泥膜护壁施工工艺流程图
5.1洗仓
使用黏度为25±5s的高黏度泥浆（膨润土：水=1:12kg），将土仓内的渣土置换出来。直至土仓壁3、9点位放出来的基本是泥浆，且螺旋输送机所出来的渣土中大约有70%~80%为高黏度泥浆时。在置换过程中土仓压力应保持在2.4~2.5bar。
5.2分级加压
5.2.1关闭螺旋输送机，向土仓内注入黏度为35±5s的高黏度泥浆（膨润土：水：纯碱：CMC=1:12:00002:0.001kg），将土仓压力升至2.6~2.7bar。从土仓壁的3、9点位置放出泥浆，直至放出的泥浆满足35±5s的黏度，且含砂量与注入的泥浆相近。
5.2.2向土仓内注入黏度为45±5s的高黏度泥浆（膨润土：水：纯碱：CMC=1:10:00002:0.001kg），将土仓压力升至2.8~2.9bar。从土仓壁的3、9点位置放出泥浆，直至放出的泥浆满足45±5s的黏度，且含砂量与注入的泥浆相近。
5.2.3向土仓内注入黏度为55±5s以上的高黏度泥浆（膨润土（易钻）：水：添加剂（雷膨）=1:33:0.027kg），将土仓压力升至3.0~3.1bar。从土仓壁的3、9点位置放出泥浆，直至放出的泥浆的黏度与注入的泥浆黏度相同，且含砂量与注入的泥浆相近。
5.2.4继续向土仓内注入黏度为60s以上的高黏度泥浆，将仓压升至3.4bar，停止转动刀盘，静止3~4小时。在分级加压的过程中，每30分钟测一次泥浆比重，看泥浆是否被稀释，防止地层失水引起地面沉降。
5.3气体置换
从土仓壁的3、9点位置放出泥浆，回收待用，同时向土仓内注入高压气体。以0.2bar为一个单位，将土仓压力由3.4bar缓慢降至2.4bar。至此，泥浆护比施工结束，压气作业正式开始。
图4泥膜护壁效果图
5.4刀具更换施工情况
随着换刀施工的进行，共计发现单刃滚刀磨损13把，中心滚刀磨损4把。其中边缘滚刀偏磨4把，偏磨量在35~50mm，正常磨损2把，磨损量12~22mm。正面滚刀偏磨3把，偏磨量在33~42mm，正常磨损2把，磨损量在33mm左右；中心滚刀磨损4把，磨损量在25~45mm。
图6双刃刀磨损情况
6气压作业
6.1总体施工方法及步骤
压气作业是指通过对盾构机土仓内注入压缩空气，使盾构机前端土仓与外界土层形成一个密闭的压气空间，以压缩空气为压力介质保证土层稳定，并能阻止地下水流入土仓内，使得作业人员能够安全进入稳定压气空间内，进行盾构机刀具的检查及更换工作。
总体步骤如下：施工准备工作→土仓加压置换、保压→人员进入人仓，开始加压→人员进入土仓，更换刀具→人员进入人仓，开始减压→换刀结束，建立土压、恢复推进。
在压气换刀作业中，要特别注意护壁泥浆的情况，若发现护壁泥浆干裂、脱落等情况时，要及时通知、报告情况，在必要的情况下，要重新进行泥浆护壁的施工，形成新的泥膜，保证换刀工作的安全进行。
6.2气压作业准备
6.2.1检查地面加固效果
6.2.1.1地面加固完成后，在盾构机到达加固体前，在加固体上选取地点进行钻孔取样，检查袖阀管加固效果。
6.2.1.2在盾尾脱离了河堤之后，从盾尾往河堤方向注双液浆制作止水环。止水管不少于3环，尽量多地封堵后方河道的水力补充。
6.2.2选择合适的作业压力值
6.2.2.1作业压力值的选择主要取决于机头刀盘位置的埋深、机头刀盘位置地层的自稳性以及压气作业人员身体承受压力的能力等三个因素。
6.2.2.2气压作业采取双控制措施，同时满足主动土压力和地下水位压力两个的稳定。当地下水位高时，以河道的水位高度计算水压力，河道水位降低时，压气力不低于盾构机位置的主动土压力。
6.2.3作业人员的选择与培训
从事压气作业的人员必须经过身体健康检查合格，并经过专业机构的压气作业培训。
6.2.4压气作业的施工管理
压气作业是一项特殊的施工作业，具有高度的整体性、系统性，对施工过程中的设备物资准备、人员安排、作业指挥以及后勤应急救援准备等各个环节的管理都有很高的要求。
6.2.5空压机检查
为保证压气作业的安全性，应对空压机进行全方位的检查维护，确保空压机处于正常工作状态，必要时要再增加一台空压机以及发电应急设备。
6.2.6人闸检查
在大气压力下，检查以下项目，保证符合要求。
6.2.6.1气体自动平衡阀必须能正常工作；
6.2.6.2紧急照明必须能正常照明；
6.2.6.3紧急电话必须能正常通话；
6.2.6.4各个压力表必须能正常显示；
6.2.6.5主舱和前舱的溢流阀压力调为3.0bar；
6.2.6.6各个手动球阀开关必须正常；
6.2.6.7流量计工作必须正常；
6.2.6.8各个密封门开关必须正常；
6.2.6.9各个加热装置加热必须正常。
6.2.7人闸加减压试验
试验时不要求人员进入，只进行无人压力试验，以检查主舱与前舱的各功能部件在试验压力下的工作情况。
图7人闸示意图
6.2.8换刀工具准备
工具、材料准备：24V照明灯、M46梅花扳手、手电筒、风镐和换刀刀具等；压气人员准备：压气作业主管、工人带班、人闸值班员等。
保盾尾的油脂注入量和砂浆注入量足够。
6.2.9气体检测
在换刀前必须对仓内的空气质量做有毒气体的气体检测，由于本次换刀为压气换刀，监测设备无法直接进入土仓内，所以将在建立了气压之后，将监测装置至于排气孔的位置进行气体检测。经检测合格后，施工人员方可进入人舱内进行下一步的施工作业。在压气换刀期间，气体检测每3天进行一次。
6.2.10医疗救护准备。
6.2.10.1现场准备氧气袋若干；
6.2.10.2将附近武警医院等作为定点救护医院，保证24小时配合及施工完成后施工人员的身体恢复。
6.3气压作业
6.3.1主舱加压
6.3.1.1检查显示仪表、供暖装置、钟表、温度计、电话、紧急电话及阀门、舱门密封件是否干净；
6.3.1.2打开主舱的自动平衡低，检查工作是否正常，纸带是否足够；
6.3.1.3关闭主舱舱门，确保关闭正确；
6.3.1.4关闭舱壁密封门（通常在进行“土压平衡”工作时关闭），并关闭主舱与前舱之间的密封门；
6.3.1.5人孔舱管理员缓慢地打开进气阀；
6.3.1.6缓慢地升高主舱的压力，直到达到工作压力；
6.3.1.7当主舱内压力达到工作压力时，人孔舱管理员关闭带式记录器；
6.3.2主舱减压
6.3.2.1人孔舱管理员打开带式记录器；
6.3.2.2降低主舱的压力，观察主舱压力表和进气流量计；
6.3.2.3与此同时，人孔舱管理员同时打开排气阀，开始排气，无论如何此时压力不可以再次升高；
6.3.2.4调节进气阀和排气阀，直到达到排气过程所规定的缓慢而恒定的压力降低速度，进气流量计的流量值每人至少为：0.5m3/min；
6.3.2.5观察主舱压力表，当主舱内部的气压降到第一级压力值时，人孔舱管理员通过调节排气阀和进气阀，在规定的时间内保持压力恒定。人孔舱管理员应通过主舱进气流量计经常检查人孔舱的排气情况；
6.3.2.6在保压过程中重复（3）－（6）的步骤，直到舱内压力与外界的常压相同；
6.3.2.7人孔舱管理员关闭带式记录器并将减压过程（日期、时间、压力、等）记录在人孔舱记录本上。
在整个试验过程中，必须保证所有的过程都正常。
6.3.3前舱加压
6.3.3.1检查显示仪表、气体自动平衡阀、供暖装置、钟表、温度计、电话、紧急电话和阀门、舱门密封件是否干净；
6.3.3.2打开前舱的带式记录器，检查工作是否正常，纸带是否足够；
6.3.3.3关闭前舱舱门，确保关闭正确；
6.3.3.4关闭前舱与主舱之间的舱门，确保关闭正确；
6.3.3.5人孔舱管理员缓慢地打开进气阀；
6.3.3.6缓慢地升高前舱的压力，直到达到工作压力；由于主舱与前舱之间有单向阀导通，压缩空气能从前舱进入主舱，因此，加压过程较为缓慢；
6.3.3.7当前舱内压力达到工作压力时，人孔舱管理员关闭带式记录器。
6.3.4前舱减压
6.3.4.1人孔舱管理员打开带式记录器；
6.3.4.2降低前舱的压力，观察前舱压力表和前舱进气流量计；
6.3.4.3与此同时，人孔舱管理员同时打开排气阀，开始排气，无论如何此时压力不可以再次升高；
6.3.4.4调节进气阀和排气阀，直到达到排气过程所规定的缓慢而恒定的压力降低速度，前舱进气流量计的流量值每人至少为：0.5m3/min；
6.3.4.5观察前舱压力表，当前舱内部的气压降到第一级压力值时，人孔舱管理员通过调节进气阀和排气阀，在规定的时间内保持压力恒定。人孔舱管理员应通过前舱进气流量计经常检查人孔舱的排气情况；
6.3.4.6在保压过程中重复上述步骤，直到舱内压力与外界的常压相同；
6.3.4.7人孔舱管理员关闭带式记录器并将减压过程（日期、时间、压力、人数等）记录在人孔舱记录本上。
在整个试验过程中，必须保证所有的过程都正常。
6.4注意事项
6.4.1作业开始时，在第一个人进入上面土仓空间前，人闸值班员应持续充气10分钟，以确保上面土仓空间内空气新鲜。
6.4.2应采用约为2.5bar的压力为最大工作压力。
6.4.3应严格遵守压气作业工作时间以24小时为一个周期，总的工作时间不得超过6小时。
6.4.4工作人员必须是经过培训，且通过工作前身体检查的健康工作人员。
6.4.5进行压气作业的人员在作业前不许饮酒,作业过程中不许饮用含有酒精的饮料。
6.4.6在压气作业过程中不许吸烟。
6.4.7当工作舱温度超过27℃时，必须采取特殊的充气方法。如果温度不能维持在27℃以下，压气作业必须停止。高温下，必须向员工提供特殊的供水装置。根据温度情况，领班决定工作的安全与否，一旦他认为温度过高而不利于安全有效地工作，就必须中断作业。减压时，人闸内的温度不允许在5分钟内降至10℃以下或升至27℃以上。
6.4.8在压力超过14.7psi或1bar的环境下作业的人员，减压后应留在人闸附近或医疗舱内一段时间。
6.4.8.1当总减压时间小于30分时，停留1小时；
6.4.8.2当总减压时间大于30分时，停留2小时。
6.4.9作业后的6小时内，不应承担较大强度的体力运动。交接班开始时，对于即将结束压气作业的工人，可以返回到比较轻松的岗位上。作业结束后，在隧道出口处采用机械的方法，利用“人篮”沿着轴线将人工作业工人运出来。作业后的24小时内，不许飞行和潜水，必须留在（现场）附近。
6.4.10必须认真填写压气作业时间记录表。
7总结经验及教训
本次采用泥膜护壁工法辅助压气开仓，完成了13把边缘及正面滚刀的更换，有效提高了掌子面前方土层的稳定性，为换刀施工争取了宝贵的时间。由于掌子面稳定，地面沉降没有进一步扩展。
通过对本次换刀施工情况研究分析，总结出结论如下：
7.1在上软下硬复合地层中，要严格控制掘进参数，当参数出现异常时，切忌往前硬推。盾构掘进到河边时掘进参数出现异常，由于盾构机在河道旁边，承包商不敢贸然气压更换道具，而选择了盾构继续往前掘进（往前掘进100米），是造成了刀具大量非正常磨损的主要原因，本次共造成6把边缘滚刀、5把边缘滚刀及4把中心滚刀损坏。
7.2对于松散地层，在气压作业不能稳定掌子面并且地面垂直加固场地受限制的情况下，采取泥膜护壁工法在一定程度上能提高松散土层的气密性及稳定性，保证气压换刀过程的作业安全。
7.3泥膜护壁施工前，需严密计算洗仓、分级加压等各步骤的土仓压力，通常注浆回填仓压要比常规掘进高，一般在2.5~3.4bar范围内，并且要控制好洗仓、分级加压等工序施工时土压的跳跃量，这样才能使膨润土微细颗粒逐级的渗透到围岩裂隙及松散土层中。，形成较好的泥膜效果。
7.4洗仓及分级加压施工过程要密切关注土仓压力的变化情况，盾构机出土频率，防止土压过高破坏刀盘回转中心密封系统。要严格控制好注浆量及出土量，保证仓内压力稳定。
7.5膨润土材料要选用性能及膨化效果好的品牌，注射速度大，方能有效带走仓内颗粒，渗透到岩层裂隙及土层中的膨润土颗粒经过和土体膨化作用，提高土层的整体性。
7.6从洗仓、分级加压等施工情况看，出土颗粒从粗到细的变化及土仓内渣样黏度测试等，整体效果都比预期的好，人员气压进仓检查泥膜效果也较理想，是本次泥膜护壁施工较为成功的关键。
参考文献
[1]《盾构施工技术》主编：陈馈洪开荣吴学松.
[2]《盾构施工监理指南》作者：兰维彬鞠世健.