1.盾構施工以其安全、快速、高效的特點，越來越廣泛地應用於城市基礎設施中，如城市地鐵、市政公用管道、地下輸油管道等。
而盾構機上承擔掘進功能的刀具是易損件，尤其是在成都砂卵石地層掘進時，刀具磨損尤為嚴重。因此，在施工過程中要經常檢查、維護和更換刀具。
2005年9月9日至6月11，國家發展改革委委托北京城建設計研究院有限公司對成都地鐵1號線壹期工程可行性研究報告進行了專家評審，根據土建集團專家評審結果之壹，第2.3條:根據不同路段的具體情況，報告對區間隧道的施工方法進行了分析比較，總體方案基本可行。報告中建議在市區采用盾構施工，在高新區采用明挖蓋挖施工是合理的。但該線路地質條件復雜，盾構法施工在技術、工期、投資等方面存在壹定風險，必須引起足夠重視。建議盡快推出2006年2月14日至2月17日成都地鐵1號線壹期工程(土建組)盾構法工程試驗評估意見和中國交通運輸協會城市軌道交通專業委員會初步設計評估意見。在綜合評述中，國內權威專家分析了成都富水砂卵石地層的特殊地質條件和成都首次采用盾構法修建地下隧道的實際情況。我們充分考慮了盾構法在成都地層施工中存在的風險，並及時與承包商和盾構機設備制造商充分溝通這些情況。經過廣泛的討論和論證，最終采用了小開口、以滾刀為主體結構並配以部分齒刀和刮刀的赫裏克盾構機。從目前的超前斷面來看，這種盾構機配置有利於維持開挖面的穩定，有利於破碎大粒徑的砂卵石，有利於防止開挖過程中湧水的發生，開挖的整體進度基本在我們的規劃範圍內。但由於地層中砂卵石太多，在開挖過程中，各種配置的工具磨損很大。據我們統計，必須在140米左右的距離更換工具，否則無法繼續挖掘。目前國內外采用的換刀方式主要有常壓開倉和帶壓換刀兩種方式:
土壓平衡盾構機主要是利用土倉內的壓載土來維持工作面上的土壓平衡。但在檢查和更換刀具時，需要清理挖好的筒倉內的碴土以提供工作空間，原有的土壓平衡被打破。因此，如何保持換刀時土壓力的平衡，保持工作面土體的穩定，是壹個亟待解決的問題。
為了保持隧道掌子面土體的穩定性，常用的方法有降水加固、註漿加固、圍護樁(如人工挖孔樁)加固和壓力加固。由於各種加固方法各有優缺點，因此需要根據不同的施工條件選擇合理的換刀方式。
2.國內常用的換刀方式國內上海、廣州、北京等地有大量的盾構隧道建設工程。根據不同地方的不同地質條件，采用不同的換刀方式。
上海是軟土地層，土壤強度低，盾構刀具磨損小，通常不需要更換刀具。廣州地質條件復雜，被稱為地質博物館，既有自穩度高的花崗巖層，也有自穩度低的泥質粉砂巖層。所以換刀方式多種多樣，直接開倉、地基加固、帶壓、豎井開挖等。
直接開筒倉換刀，是在地基承載力高、洞面穩定性好的情況下，不采用任何加固方法，直接將筒倉內的土排空，進入筒倉換刀。這種方法適用於工作面穩定性好的情況。
降水加固是從地面構築降水井，通過降水實現土體固結，從而提高工作面土體的穩定性。
地表註漿加固是將水泥漿(或其他加固漿液)從地表註入地基，加固土體，提高工作面土體的穩定性。
圍護樁加固是在工作面周圍構築圍護樁，直接保證工作面的穩定性。
帶壓加固是通過向土倉內註入壓縮空氣，用氣壓平衡代替土壓平衡來穩定工作面。
3.壓力換刀原理及其在國內外的應用
3.1帶壓工作原理檢查、維修和更換刀具和刀盤的工作原理是:盾構機刀盤前方地層改善或加固後，在保證刀盤前方周圍地層和土倉滿足氣密性要求的情況下，通過空氣壓縮機將空氣加壓註入土倉，用空氣壓力代替土壓力， 從而通過在土倉內建立合理的氣壓來平衡刀盤前方的水土壓力，實現掌子面的穩定。 操作人員在氣壓下進入地球艙，進行檢查、維修、工具更換等工藝操作。
壓縮空氣對開挖面的穩定作用大致可分為以下三種類型:
1)可以防止開挖面湧水，防止開挖面坍塌；
2)由於風壓作用在掌子面上，可以直接加強掌子面的穩定性；
3)由於壓縮空氣將水從圍巖裂隙中推出，粉砂、粘土層或含粉質粘土的砂土強度增加。
因為氣動換刀全部在孔內進行，不會幹擾地面交通。
3.2縱觀國內外類似工程的盾構施工發展歷史，全敞開式盾構適用於切割自承地層，擠壓式盾構容易引起地層隆起或沈降，僅適用於軟土地層，而封閉式盾構即泥水平衡盾構和土壓平衡盾構能克服上述缺點，越來越被選用。
1)就我國而言，目前泥水盾構和土壓平衡盾構多用於城市地鐵隧道、鐵路和公路越江隧道以及油(氣)和各種市政管線的開挖。目前，在泥水平衡盾構施工實踐中，通常有三種方法對工具入庫進行檢查和處理:
(1)加壓進入土艙進行檢查；
(2)前方土體加固後，常壓下進艙檢查；
(3)從地面下到刀盤前方，實現盾構刀盤的檢查和維護。在我國地鐵盾構施工中，由於尚未掌握盾構裝載作業的關鍵技術或盾構機配置不足，多數施工單位采用了後兩種方法。只有少數施工單位采用帶壓入庫的方式進行檢查、維修和工具更換。例如:
2005年6月，廣州地鐵4號線小谷圍至新莊左線水下盾構帶壓更換。
2006年6月5438+2006年2月開工的宜昌長江過江隧道工程(川氣東送)，采用德國Herrick泥水加壓盾構機施工，裝載入倉修復磨損刀盤，更換刀盤主軸承密封。
2003年底，廣州地鐵3號線天河客運站至花市站區間，在1.6-1.8bar的壓力下，對卡在刀盤上的巨石進行破倉。
在武漢長江隧道盾構施工中，中鐵隧道集團首次自主實現了高水壓帶壓作業技術(4.5bar壓力帶壓作業)。
總之，國內盾構施工單位和地鐵施工單位都在積極探索和研究不同地層條件下的帶壓換刀技術。雖然取得了壹些成果，但還需要進壹步總結和推廣。
2)就國外而言，帶壓檢查、維修、更換刀盤的工程實例較多[4](表1)。帶壓換刀作為壹種常規操作，在土壓平衡盾構機和泥水盾構機中得到了廣泛應用，特別是在越江、跨海隧道不具備常壓換刀條件的情況下。
德國Elbe4號隧道采用泥水平衡盾構機在砂、泥灰巖、漂石組成的第四系冰磧層中施工。開挖直徑14.2m，水深(最大水頭4.2bar)淺埋(最淺7m)。在河底最深處，需要進倉更換中心刀進行修復。工人在4-4.5bar的壓力下最多能工作80分鐘，出庫後的減壓必須在氧艙中進行，耗時2小時。全線帶壓運行2738小時，其中237小時壓力大於3.6bar，有21次減壓病報告，均發生在壓力小於3.6 bar時。
德國Weser隧道采用泥水盾構(直徑:11.71m)在冰川沈積物中施工。隧道頂拱離海40米。破碎機和刀盤保持在最大壓力5巴和4.5巴，潛水員也在最大壓力5巴的膨潤土漿中工作。總的帶壓工作時間為1400小時，其中600小時壓力超過3.6巴，只有15次報告減壓病，壓力小於3.6巴。
俄羅斯聖彼得堡紅線地鐵在松軟低塑粘土、粉砂、細砂中施工時，隧道頂拱距地面65m，清水壓力5.6bar，土倉氣壓5.5bar時，人戴呼吸面罩入倉，工作1.5小時，減壓時間約5小時。倉庫壹天只有4.5小時的工作時間。
英國隧道工程協會、健康與安全管理局(HSE)和健康研究協會抗高血壓小組起草的壹些在壓縮空氣下工作的特殊規定。
上述工程實例以及國外在開挖隧道時使用泥水或土壓平衡盾構進行帶壓維修作業的相關規範和研究成果表明，國外公司不僅可以實現氣壓在3.6bar以下的帶壓維修作業，還可以在高達6.0bar的氣壓下作業，壹方面說明帶壓作業，尤其是高壓作業在國外工程中已經相當普遍，另壹方面， 同時也說明，要掌握我國盾構帶壓作業技術，還需要更多的嘗試和研究。
3.3氣壓平衡穩定性保證
3.3.1氣壓值的確定為了保證工作面，必須提供足夠的氣壓來平衡工作面的水土壓力。因此，需要根據盾構隧道埋深、水位條件和地層物理力學參數計算氣壓。當土壓力安全時，氣壓值根據靜態土壓力計算。
3.3.2瓦斯壓力的穩定保證開挖倉內瓦斯壓力的穩定，需要從巖土(漏風)和機電(進風)兩個主要方面來保證。
(1)巖土系統
在帶壓換刀作業前，為了評價天然土壤的空氣損失程度和添加劑對地層氣體滲透率的影響，需要在預計的關井地點附近進行地層空氣壓縮現場試驗。根據試驗數據，計算了向開挖面施加壹定壓力的壓縮空氣時的瓦斯損失及其變化，評價了開挖倉為半渣土或空倉時添加添加劑後地層的瓦斯防滲效果。
制定完整可靠的挖掘程序。挖掘程序應在工具在壓力下打開和維修的預計裏程之前的5-10個循環中進行。保證土倉和防護罩的氣密性，防止漏氣。
在氣體充裝過程中，派人檢查工程或市政管道井等地面是否有可能發生氣體泄漏的邊界，評估氣體泄漏的可能性和影響，及時采取有效措施。如果無法采取措施，需要避開該區域進行氣動換刀操作。
(2)機電系統
在開始作業程序前，應對盾構機及其備用套筒系統進行詳細檢查，以確保機器的安全運行，及時發現問題並及時解決。
開始操作程序前，詳細檢查壓縮空氣系統。
檢查空氣壓縮機，避免高於或低於土倉中的設定壓力值。必須指定專人看管空壓機，發現問題立即匯報。
3.3.3風壓穩定和異常情況下隧道掌子面穩定性的評價。挖掘倉內氣壓代替土壓，排渣到設定水平後，需要等待觀察壹段時間，看土倉內氣壓是否穩定。
當風壓穩定，振幅不超過0.02bar時，需要組織有經驗的巖土工程師帶壓進入開挖倉，評估掌子面的穩定性。
當開挖倉內氣壓變化較大且不穩定時，說明掌子面或盾構周圍的泥膜形成不良，需要重新開挖，離開已有的擾動區域後再進行試驗。
4.換刀方式的比較
4.1換刀加固要求為滿足成都地鐵高效、安全、順利施工，換刀加固方式必須滿足以下條件。
①成本低；
②加固有效可靠；
(3)效率高，能在短時間內達到加固效果；
(4)鋼筋不會使刀頭和刀具凝固；
⑤盡量不占面；
在成都市中心修建地鐵，首先要盡量減少對城市交通的影響。所以在選擇換刀方式時，也充分考慮了如何減少對地面環境的影響，避免擾民。
4.2換刀方式對比根據成都地區富水砂卵石地層的特點，結合四個區塊的預開挖情況，我們有以下換刀方式:
(1)直接開倉換刀模式
由於成都砂卵石地層自身穩定性低，地下水位比盾構隧道高，無法直接進入土倉，此方法不可行。
(2)降水加固方式
降水方法簡單可行，但面臨地層失穩的風險。由於成都砂卵石地層自穩性低，短時間內可以自穩，壹旦時間過長，地層就有坍塌的危險。實踐證明，在城市建設中僅靠降水來換工具是行不通的。
(3)表面灌漿加固
地表註漿可以在壹定程度上加固地層，加固效果比降水要好，但是需要在地表操作，所以壹方面受到地表條件的限制。另壹方面，地層致密，註漿效果不好。許多實踐證明，加固後表面仍可能塌陷，這種方法不能保證更換工具的安全性和表面要求。
(4)圍護樁的加固
成都地區通常采用人工挖孔樁作為圍護樁。人工挖孔樁加固可以保證換刀的安全性和穩定性。然而，存在以下缺點:
(1)樁的裏程容易確定。如果加固位置確定稍有不當，在盾構到達樁的裏程之前，工具就會磨損，無法掘進。這種情況下強行行駛，或者打磨刀頭，或者多渣，也會造成表面塌陷。
②成本高，建設周期長。人工挖孔樁施工成本相對較高，工期較長。
③涉及部門廣。人工從地表挖涉及交通、市政管道、房屋、地表恢復等。，而排渣和給料都和環保部門有關。
④對周圍環境影響較大。根據目前情況，換刀距離壹般在150m以內。在這麽短的距離內進行挖樁施工，無疑是在開膛破肚，對市民生活的影響不亞於地表塌陷。
⑤地表條件有限。由於地鐵盾構隧道線路多在鬧市區，不具備人工挖孔樁的條件。
⑥留在地下的樁基會對未來的市政工程造成不可預知的危害和風險。
⑦未能體現盾構的先進性，對環境影響不大。
(5)氣壓增強
氣壓加固不占面，具有成本低、效率高的特點。但由於施工技術要求相對較高，且成都地層的特殊性，風險較大，因此需要繼續加強探索和嘗試。
4.3分析和比較
5.結論和對策
帶壓換刀是其他類似盾構掘進的主要換刀方式，尤其是穿越溝渠、河流、海底等特殊地理環境時。但由於成都地層砂、卵石滲透性高，地鐵線路埋深工況淺，帶壓換具非常困難，不確定因素多，尤其是在城市主幹道上，風險極大，壹旦失敗將帶來災難性後果。鑒於此，前期我們都是采用常壓開倉的方式，以降水和地基加固為主。通過壹段時間的實踐，該方法在操作安全性和換刀效率方面非常適合成都的地層特點。但這種換刀方式的壹個主要缺點是給地面環境帶來了影響，幹擾了地面交通。目前我們在盾構3標段(中鐵二局施工)嘗試探索成都地層帶壓換刀的可行性，取得了12的成功，可以說是基本成功。下壹階段，我們會繼續探索。在換刀過程中，我們計劃采取部分封閉部分交通等安全防護措施，在措施和應急處理上做到萬無壹失。下壹階段，我們將努力把機器開口、刀具配置、螺旋輸送機類型與工程的安全、質量、進度、投資有機統壹起來，逐步減少換刀次數。
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