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摘要：随着全国经济的快速发展，大直径盾构机在城市隧道建设中得到了越来越多的应用，盾构始发掘进是整个盾构隧道工程的最关键工序之一，也是盾构施工中最容易发生事故的环节，在北方寒冷的冬季大盾构始发期间循环水系统、泡沫系统和注浆系统中的水冻凝可导致系统管路堵塞、仪表失灵等情况，从而发生安全事故，对大直径盾构安全始发提出严峻考验。本文以太原铁路枢纽西南环线XNHS-1标段Ф12.14m大直径土压平衡盾构冬季始发为工程实例，介绍了大直径盾构在冬季组装、始发过程中增加保温棉、伴热带以及添加外加剂等等一系列保温措施，确保所需材料质量，并在掘进过程中选取合理的施工参数及精细化管理等针对性措施，按期、保质、保量、快速地完成大直径盾构冬季始发施工。
关键词：大直径土压平衡盾构机，冬季施工，组装、始发，保温措施
0 前言
盾构始发掘进是整个盾构隧道工程的最关键工序之一，也是盾构施工中最容易发生事故的环节，直接关系到盾构隧道能否顺利施工和及时贯通。近几年来，在城市隧道建设中大直径盾构始发案例越来越多，但在施工过程中也遭遇了新的课题，比如在寒冷的北方城市太原、北京和沈阳，尤其是在冬季，大盾构始发期间循环水系统、泡沫系统、和注浆系统中的水冻凝可导致系统管路堵塞、仪表失灵等情况，从而发生安全事故。
本文基于太原铁路枢纽西南环线XNHS-1标段工程，讲述了本台盾构机在10月—1月份盾构组装、始发施工期间，通过加工制作防护棚确保刀盘焊接施工质量、引入电伴热带技术对盾构机各系统进行保温、以及添加外加剂等措施确保所需材料的质量，并做好大盾构始发过程各项参数的控制，按期、保质、保量、快速地完成大直径盾构冬季始发施工。
1 工程概况
太原枢纽西南环线改线段起讫里程为DK0+400～DK13+100，全长约12.77km，主要通过太原晋中盆地。太原铁路枢纽西南环线XNHS-1标段全长4981m，其中盾构段全长4850m，盾构隧道采用Ф12.14m土压平衡盾构机掘进施工。
盾构进洞处主要穿越新黄土、粉质粘土、砾沙，该层土体呈褐色，饱和，松散～稍密，局部夹粉质黏土、粉土薄层及中粗砂透镜体。承载力标准值最大fak=215Kp，压缩模量Es=19MPa。地下水类型为第四系孔隙潜水，主要赋存于第四系粉土、砂土及碎石土地层中。下水位位于地面以下9～17m，水位均位于隧道结构顶以上，地下水位变化幅度2～4m，地下水位高程总的趋势为小里程高大里程低，且小里程地段地下水位具上升趋势。接受大气降水、洪积平原上游侧向地下水及地表水体入渗补给。
太原地区12月—次年2月平均气温零下5℃~零下9℃，寒冷期为60天左右，其中1月为全年最冷月份，气温零下8℃。整个冬季土壤完全封冻，冻土深度达60厘米~106厘米。
2 盾构机组装与调试
2.1盾构机冬季吊装控制措施
盾构机吊装作业时应对吊装机械进行全面检查。为避免在吊装过程中出现机械故障，所使用的机械润滑油、防冻液、防滑链需可靠有效。同时在盾构机主机翻身下井的过程中应避免雨雪天气，尽量不要选在夜间施工。盾构始发托架在焊接的时候需先进行预热处理，保证始发托架焊接牢固。同是作业表面应保持清洁，无冰雪覆盖，保证吊装人员在井下作业的安全。
2.2盾构机焊接控制措施
为保证刀盘焊接所需环境温度，在现场提前加工制作保温棚。为减轻保温棚重量以及便于安装，材质主要采用角钢、槽钢、保温篷布等材料，结构四周采用角钢∠50×5和[80×5槽钢作为骨架，防火布保温布作为防风保温棚围护，保温棚内部设置1台10KW的热风机。保温棚的顶部开设一个排烟孔，用于焊接时烟尘的排出。内部加设温度计，当环境温度低于焊接所需温度时，可加设电暖器。保温棚顶部设置两道吊装孔，刀盘焊接正面完成时，保温棚需用吊机挪动至其他位置，刀盘在原地进行反转，再将保温棚覆盖至其上进行刀盘反面焊接。
图1 刀盘焊接保温棚示意图
2.3盾构机调试保温措施
为保证盾构机在高寒地区始发时的顺利运转，需对盾构机各系统进行加热保温处理，保证机器可正常工作。
盾构机械系统主要是空压机的风系统与水循环的泵系统，空压机主要因寒冷造成压缩机润滑油性能下降导致负载增大，进而造成电机的电流增大，容易烧坏电机，所以为保证空压机的正常启动，采用伴热带与保温棉包裹。
在加防冻液前用压缩空气将水循环管路内吹净，防止有渣滓堵塞管路，清理完后对内循环水系统加注-35#防冻液，运转内循环泵检查各管路开关是否有冻死的现场，保证循环水的流通，防止循环水流冻死破坏管路。对外循环水流系统中，需着重保温的是皮带清洗的一路，如果皮带清洗不畅会对出土造成不利影响，所以将内外两路循环水都采用伴热带包裹水管后，用保温棉裹紧进行加热保温。
油脂系统主要是EP2、HBW、盾尾油脂。采用气动林肯泵进行泵送，在高寒条件下，HBW与盾尾油脂会变硬，导致泵送性能变差，甚至不能泵送的情况。针对这种情况，HBW与盾尾油脂存放在暖棚当中，在使用的时候再吊装到盾构台车上。在台车泵送台上采用电热毯将铁桶完全包裹，并在电热毯外侧包裹1层保温棉，减少热量散失。
泡沫是始发掘进过程中土体改良成败与否的关键，所以泡沫系统对盾构始发掘进更是重中之重。然而泡沫系统又相对复杂，需要泡沫混合液，压缩空气、水同时进入泡沫发生系统，制备好的泡沫还需通过管路打到刀盘前方，这就需要对大量泡沫管路进行加热与保温工作。在盾构始发调试过程中就经常出现水管路结冰堵死，泡沫原液管路结冰堵死，泡沫泵管路结冰堵死等多个子系统冻害问题，为彻底解决次问题，经方案比选，采用伴热带对泡沫系统的管线进行缠绕，再使用保温棉进行包裹，用扎带绑扎牢固，这种方法有效地防止了管路结冰冻害的现象。
液压系统由于高寒影响，即使采用了负温液压油，但液压油粘度也非常大，造成液压泵站空吸打不出油的情况，所以在每次开机之前建议采用热风炮对液压油箱进行鼓吹热风，因油箱内部有橡胶垫，传感器等构件，不可采用明火直接对油箱加热通过油箱内的油温传感器显示，当油温达到9℃以上时开启泵站，让液压泵空转，观察是否有液压油流量，如果空转有流量后，使用管片拼装机遥控器对推进泵与拼装泵进行加载，通过旋转装拼装机与伸缩油缸逐步进行各液压系统的预热，当液压油温度达到20℃左右，即可进行正常的掘进作业。液压系统也可采用伴热带与保温棉包裹技术进行持续保温。
3.盾构始发所需材料保温措施
为防止雨雪的破坏，材料到场后分类放置相应库房。以确保质量，防止材料受冻、受潮。
3.1同步砂浆温度保证措施
通过向管片背后进行同步注浆，避免地面发生沉降造成建筑物倾斜等安全事故的发生，其施工的的质量直接关系到盾构始发的成败，为加强拌浆站的保温工作，搅拌站采用型钢及钢板进行全封闭搭设，对搅拌站屋顶及屋面较大缝隙进行缝补，提高站内温度。当拌浆站温度低于5度时，可开启暖风机提高施工温度。
砂浆所需的原材料加热优先采用加热水的方法，当加热水仍不能满足要求时，再对骨料进行加热。若达到规定温度后仍不能满足要求时，水的加热温度将提高到100℃，但水泥不得与80℃以上热水直接接触，水泥使用前运入暖棚内存放。投料时应先投入骨料和水，最后才投入水泥。水加热采用蒸汽加热、电加热、汽水热交换罐或其他加热方法。水箱或水池容积及水温能满足连续施工的要求。
3.2管片防水材料保温保证措施
对施工场地堆放的管片采用帆布进行覆盖，防止受冻、受潮，影响管片和防水质量。管片的防水材料、管片螺栓、管片胶水等放置于仓库存储，仓库内配置暖风机。施工现场的机械按其特点配备防冻液和润滑油，同时对设备进行检查，保证机械的正常使用。
管片防水材料、胶水均放在库房保存，随用随取。防水粘贴需在中午或气温较高时，粘贴后及时覆盖。潮湿时加温除湿方可使用。在运输中，如果有止水条脱落，必须及时重新粘贴，并做好保温覆盖工作。存放的管片，最顶层一片的吊装孔需做好覆盖，避免进水、进雪堵塞
4大直径盾构冬季始发施工技术
4.1始发掘进施工
始发掘进前对盾构机进行全面检查，各系统运转良好的情况下，缓慢将机头顶至掌子面，刀盘在旋转的同时，对土体切削面打入泡沫改良土体，始发时掘进速度不宜过快，掘进速度保持在10～20mm/min，操作手需时刻关注土仓内压力变化，保证上土压维持在0.21Mpa～0.32Mpa之间，始发时扭矩不宜过大。
因受寒冷的天气影响，应时刻关注泡沫系统是否通畅，如发现泡沫泵无流量时，应缓慢停机，打气保压，尽快拆卸管路排除故障。防止泡沫管路结冰造成堵塞后还继续掘进，导致未改良黏土结块堵塞螺旋机或糊住皮带机的现象。
砂浆在进入盾构机砂浆罐前不能遭受冻害，同步注浆根据注浆速率进行调整，保证同步注浆的密实，对于多余浆液需在管路清洗后打入出渣车内，防止因砂浆冻结在注浆弯头的地方堵塞注浆管路与注浆泵。
4.2管片拼装施工
如发现管片吊装孔或螺栓孔内有冰雪情况需立即用热水注入，待冰雪融化后方可进行管片抓取头的安装，如抓取头安装过程中不能顺利拧入吊装孔，需取出抓取头再次清理吊装孔，坚决不能强拧硬上，因寒冷造成的吊装孔变形的管片需吊回地面返厂处理，不能抱有侥幸心理使用，防止因抓取头未完全拧入吊装孔造成管片拼装时管片掉落伤人事件的发生。管片拼装时要特别留意止水条拼装面一侧是否有冰，因天气严寒，隧道内污水溅到管片表面会立马结冰，导致拼装面不平整，如果不清理干净强行拼装会造成管片拼装错台。所以管片拼装前的除冰工作尤为重要，在除冰过程中不能强刮硬铲，注意保护止水片、止水条的完整。
5.结束语
通过优化施工方案，精心组织施工，太原铁路枢纽西南环线大直径土压平衡盾构以及顺利始发完成，在施工过程中克服了寒流等困难、节约了冬季施工成本，保证了安全质量。本工程的顺利始发，主要确保了以下几方面：
⑴保温棚的制作以及采用加热器使用，刀盘刀具焊缝顺利通过检测，确保了刀盘刀具的焊接质量。
⑵通过选择合适的防冻液，盾构机组装设备运行正常，按期完成了盾构机的组装施工。
⑶在盾构机调试期间，对盾构机各个系统采用有针对性地引入电伴热加热保温系统以及加热保温处理，盾构机系统运行正常，经受住了严寒低温的考验，实践证明是可行的。
⑷盾构所需材料采用合理的保温措施，确保了管片衬砌以及同步砂浆的施工质量，地面沉降在可控范围内，避免了发生建筑物倾斜等安全风险。
⑸盾构机主机及配套台车全部掘进至隧道内，顺利完成了在高寒地区盾构冬季始发任务。从盾构机及其施工配套设施的保温措施，到施工场地的布置规划，为在高寒地区冬季盾构始发施工积累了宝贵经验。
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论文作者:蔡红彪
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第22期
论文发表时间:2019/5/29
标签：盾构论文; 管片论文; 管路论文; 泡沫论文; 系统论文; 冬季论文; 太原论文; 《建筑细部》2018年第22期论文;