摘要：目前我国的城市轨道交通建设取得了飞速发展，施工项目越来越多，地铁区间多为盾构施工，盾构带压进仓换刀施工安全风险因素很多。本文就济南地铁轨道交通建设为背景，讨论地铁盾构施工为何要带压进仓换刀、带压进仓换刀存在的风险及如何进行风险控制，可供今后类似工程参考借鉴。
关键词：盾构；带压进仓；风险控制
盾构施工带压进仓是指操作人员在高于常压的环节中进行工作，完成指定的工作内容。在盾构机工作仓内要进行刀具的检查及更换，必须在工作仓内建立适当的压力支撑掌子面，保持掌子面的稳定，及工作人员的安全。作业人员进仓前仓内进行加压，完成加压后打进仓门进入工作仓，完成本仓的刀具检查及更换任务，当达到预定在压下工作时间后返回人员仓进行吸氧减压、出仓。作为安全管理人员，如何落实风险控制措施，保证施工人员人身安全，做到防患于未然，是本文探讨的关键问题。
一、项目简介
济南轨道交通R2线一期工程，全长36.4公里，共设19个站，总投资229亿元。我单位承建长途汽车站站、生产路站、长途汽车站站～生产路区间、生产路站～历黄路站（不含）区间，其中长生区间全长1725.789米，生历区间全长1379.6米，均采用盾构法施工。地铁盾构区间由于一次掘进距离长，盾构机刀盘磨损量超过临界值时，需要进仓换刀。
二、换刀方案比选
方案总体有两种，一种为常压进仓换刀，另一种为带压进仓换刀：
常压进仓换刀：周期短，操作简便且较为安全，适用于地质条件好的封闭地层，或进行加固的软弱地层换刀段。
带压进仓换刀：周期长，程序繁琐且机械设备保压性能要求高，适用于地基软弱的封闭地层。
由于本标段沿北园大街布置，地面交通流量大，区间沿线离北园高架桥较近，且侧穿众多的建构筑物，地面管线错综复杂，对地面沉降要求高，地下水丰富，且无条件进行换刀段加固，因此考虑当前地质情况及建筑物、管线等情况。对比之下，我单位决定采用带压进仓换刀的方案。
三、带压进仓换刀风险分析
在掘进过程中，盾构带压进仓换刀主要存在以下风险：
1.坍塌事故。进仓作业时，受仓内压力损失下降，导致掌子面失稳坍塌，使地面发生沉陷；或人员在仓内作业时，如果计算水土压过低、泥膜质量不能满足要求或保压设备不稳定，导致仓内压力过低，导致掌子面发生坍塌。
2.涌水事故。掌子面裂隙水较大，在仓内压力失稳或者掌子面泥膜破坏以后，地下水大量进入土仓内，发生涌水事故，威胁仓内作业人员安全。
3.设备故障。由于盾构机故障、意外停电、空压机故障等导致仓内空气质量下降，二氧化碳浓度增高（体积大于0.5%），将危及仓内作业人员生命安全。
4.有毒有害气体中毒。随着隧道埋深增加，以及隧道周边环境的变化，开挖掘进掌子面可能会涌出有毒有害气体，包括一氧化氮、甲烷等；如果通风条件不好，工作人员长时间在此环境中作业，容易出现中毒、昏迷、晕倒、甚至有生命危险。
5.进仓作业人身伤害。在高压环境下作业，仓内人员感觉不适，且不适感持续；刀具检查、更换过程中，作业人员易滑落，受到刀具、刀盘等金属材料磕碰，造成创伤、大面积出血或骨折等；人员出仓后如因减压过程不彻底，导致手脚或胳膊红肿疼痛、呼吸困难、耳鸣等。
四、带压进仓换刀风险控制
1.加强同步注浆，密封掌子面，保证仓内压力，保持掌子面稳定。一是加大同步注浆量，确定带压进仓位置后，对停机前的2~3环加大同步注浆量，从而达到加强封堵盾尾后部、管片背后地层来水的目的。视地层稳定性和渗透性，注浆量加大至理论注浆量的2~2.5倍；同时多注意同步注浆压力，与切口环泥水压力基本匹配；其次也可适当调整砂浆的稠度、比重和凝结时间等。二是注入高粘度泥浆做泥膜由于是在不良地层中带压进仓，地层渗透性强或裂隙发育，在进仓前应向泥水仓内注高粘度特种泥浆形成有效的泥膜，从而建立起良好的气压边界，达到密封掌子面的目的。通过地层和掘进情况分析，判断掌子面的自稳性或仓内坍塌情况，并根据地表冒浆、漏气和塌陷情况，来确定高粘度泥浆配比性能和注入数量，使泥浆比重与粘度均满足护壁要求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当泥水压力大于地下水压力时，泥水渗入土壤，形成与土壤间隙一定比例的悬浮颗粒，在“阻塞”和“架桥”效应的作用下被积聚于土壤与泥水的接独表面，从而形成泥膜。随着时间的推移，泥膜的厚度不断増加，渗透抵抗力逐渐増强，掌子面达到密封效果。三是地表注浆封堵处理。如地表已出现隆起、击穿、漏气和冒浆，或地表出现塌陷、漏气和冒浆，应加强地表沉降监测和观测，有条件可通过地表灌浆、压密注浆等措施封堵漏气或冒浆通道。
2.加强监控量测，保证仓内压力稳定，消除涌水隐患。一是地表监测。确定停机进仓方案后，在停机前几环，应加强地表监测和观察，与原地表地貌相比较，主要包括标高、位置、地貌等。二是降液位。降液位就是要把仓内泥水减少，即使排浆大于进浆。原则上保证泥水仓切口压力为设定的进仓工作压力，波动范围控制在±0.1bar。随着仓内液位的下降，同时梯度降低气垫仓压力，最终气垫仓气压设定与切口压力相同。三是气压与液位观察。要加强与地表观察人员的联系，地表漏气和冒浆等情况不能有大的变化，地表监测正常观察土仓各压力与供气系统压力未出现较大的波动。
3.加强设备管理和检查，保证设备稳定，消除设备安全隐患。一是设备与材料的准备，是实现快速换刀的基本保证，从而减少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。二是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品。三是要保证盾构机各项性能完好，在日常做好盾构机日常维修保养的情况下，加强对换刀过程中需要用到的系统的维护保养，如刀盘旋转液压系统、电气系统、通风系统、循环水系统、污水排出系统、压气系统、双轨梁、管片拼装机、后配套系统，从而保证进仓工作的顺利进行。
4.注重开仓换气并检测，保证有限空间作业安全。一是开仓前，利用空压机从泡沫系统的管路向刀盘前面吹入压缩空气，土仓内原有的保压系统管路作为排气通道，排风到盾构机后配套尾部，形成循环，置换土仓内的气体；二是开仓后，土仓内的空气循环主要是通过空压机向仓内输入压缩空气，并将土仓内原有气体排出，形成循环，保证土仓内的空气质量。洞内通风主要利用洞外的压入式通风机供风，形成循环。三是工作前和工作中定时对仓内空气质量进行检测，准确测定作业环境空气中氧气浓度和有毒有害气体的含量，根据测定结果采取相应措施，并检测采取措施的效果。如检测出氧气含量不足或有毒气体超标，应及时停止气割、焊接作业，加大换气量，必要时佩戴防毒面具保证作业人员的安全。
5.加强作业人员管理，培训合格持证上岗，消除人的不安全因素。一是进仓作业人员需进行体检。人员必须身体健康，不得带病作业（如感冒人员进入空气仓，可能有耳膜破裂的危险）；不得酒后作业；加压前、加压期间禁止饮用碳酸饮料；作业前由项目部组织相关人员进行体检，主要体检项目有血压、心率、呼吸功能、听觉、视力和身体基本机能测试。二是进仓人员需要经过培训合格，进仓前按要求佩戴防护用品。
6.加强带压进仓换刀作业过程管控，制定应急预案，并严格按方案施工。一是气压作业操作人员开始对人仓加压，先将辅助仓气压从0缓慢加到0.3 bar后，以适应仓内工作人员咽鼓管的调压，暂定稳压五分钟，如无异常情况后，再在15分钟左右（增压流量控制为0.1bar/min）将气压加到设定的气压作业压力值。二是仓内人员如有耳痛等不适的感觉，应降低加压速度，甚至停止加压，待感觉好转后方可继续加压。出现上述情况，加压过程延长，可在30分钟内完成。三是作业人员在土仓工作期间由自动保压系统供气，保证土仓内气压保持在设定值，作业期间必须随时检查气体流量计以保证土仓的通风效果，将废气排出。四是带压工作过程中，要有机修人员时刻注意空压机的工作情况，观察空压机的压力变化以判断地层的保压情况，仓内空气压力损失量＞土仓体积的10%，人员需立马撤离土仓。五是为保证带压作业人员身体安全及健康，每位施工人员在仓内连续作业不得超过5个小时。当规定的工作时间到达之后，作业人员应不得逗留，立刻撤出土仓并关好仓门，出仓后小组长必须和下组组长交接好仓内的工作情况。
7.做好收尾管理，善始善终，保证全过程安全可控。一是进仓作业施工完成后，作业人员对土仓及刀盘前方进行全面的检查，避免工具、杂物遗留在土仓内。确认后关闭所有预留送风口、排气口、平衡阀及仓门，关闭情况由当班机械技术人员检查，符合要求后再进行辅助仓降压，撤离出压力仓。二是采用阶段减压法进行人员出仓减压，整个过程分为减压、稳压、减压、稳压、减压、稳压、减压过程。减压过程流量控制在0.1bar/min。工作压力在2bar左右，仓内更换单把刀具工作时长在3小时左右。减压总时间为85min。三是气压作业人员出仓后，要注意保暖、注意饮食和注意休息。
五、结束语
地铁盾构带压进仓换刀施工安全风险较大，通过风险分析，采用相关风险控制技术，我单位承建的济南轨道交通R2线一期工程盾构机带压进仓换刀施工期间，未发生任何安全事故，保证了项目安全平稳推进。为今后地铁盾构施工软弱地层进仓换刀作业提供了技术支撑，具有很好的借鉴作用及社会效益。
参考文献：
[1]程新军 盾构施工换刀风险控制技术 [J] 《铁道建筑》 -2011年18期
[2]济南轨道交通R2线5标段盾构开仓专项施工方案
论文作者:黄洪超
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/6