超大直徑泥水盾構帶壓進艙換刀技術研究與應用

吳忠善，楊 釗 ，楊 擎

(1．中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 4 30040;2．中交第二航務工程局有限公司技術中心，湖北 武漢 4 30040)

0 引言

自1996年世界上第一個直徑大于14 m的超大直徑盾構隧道工程——日本東京灣海底隧道工程建成至今，國內外已經陸續建成了德國易北河第四隧道、綠色心臟隧道、馬德里M30環線隧道、崇明長江隧道、南京緯七路長江隧道、上海上中路隧道和上海軍工路隧道等超大型盾構隧道，目前國內在建的超大直徑泥水盾構還有南京緯三路長江隧道和錢江隧道等。

如今，過江及海底隧道呈現出了大直徑、長距離、高水壓和開挖面上軟下硬等特點。長距離上軟下硬地層掘進對于刀具的壽命提出了更高的要求，在掘進過程中對刀具進行修復或者更換是不可避免的，但由于地質條件本身的復雜性、多變性和周邊條件的局限性，在開挖面前方進行土體加固從而實施常壓進艙作業往往難以實現［1］。帶壓進艙技術［2-3］以無需地層加固、地質適應性強、對周邊環境要求低和影響小等特點成為了目前復雜地質條件下泥水盾構進艙作業的優先選擇。

雖然國內大直徑泥水盾構施工已有了很多成功的實例［4-8］，但對超高水壓(0．68 MPa 以上)、強透水地層帶壓換刀技術的研究還處于起步階段［9］。帶壓進艙作業是泥水盾構施工的最大風險之一，安全、高效、經濟的進艙作業技術是目前盾構施工技術領域研究的熱點。

1 泥膜及建膜技術

泥水盾構帶壓進艙更換刀具，通常需要降低泥水艙液位，以方便帶壓進艙作業人員作業。此時盾構開挖面前方上部與中部土層全由氣體支撐，如圖1所示。

圖1 帶壓進艙開挖面受力示意圖Fig．1 Pressure on tunnel face during hyperbaric intervention

在不(弱)透水地層，壓縮空氣可直接支撐于開挖面，氣壓能平衡開挖面的水土壓力。在強透水地層，大量的壓縮空氣會通過地層之間的孔隙攜帶細顆粒向上逃逸，加大地層孔隙造成氣壓不穩定，無法平衡開挖面的水土壓力。為實現強透水地層開挖面穩定，需在開挖面表面建立一層氣密性泥膜。

為了得到氣密性泥膜，在實驗室內進行了泥膜滲透試驗，試驗裝備如圖2所示。試驗結果如表1所示。

圖2 泥漿滲透成膜的實驗裝置Fig．2 Filter membrane test devices

實驗結果表明:先使用高比重低黏度泥漿形成滲透帶泥膜，再使用高黏度純膨潤土漿形成致密的泥皮型泥膜，可以使泥膜能夠在壓差(氣壓與孔隙水壓之間的差值)0．2 MPa的條件下閉氣達到24 h。

2 帶壓換刀技術

2．1 帶壓作業流程

帶壓作業流程如圖3所示。

2．2 常規壓縮空氣帶壓換刀與飽合潛水帶壓換刀

常規壓縮空氣帶壓換刀人員呼吸的是壓縮空氣，作業人員直接進入盾構的壓力人閘，在人閘內加壓后進入泥水艙進行換刀作業，作業完成后，由泥水艙返回人閘逐步減壓，減壓完成后返回地面常壓狀態休息。

表1 泥膜氣密性試驗結果Table 1 Results of test on air tightness of filter membrane

飽合氣體帶壓換刀作業人員需一直生活在一定壓力的氦氧飽合氣體環境的地面生活艙內，開始作業時，由地面生活艙經穿棱艙擺渡至盾構，作業完成后，再由盾構經穿棱艙擺渡至地面生活艙，飽合氣體加壓作業人員運輸流程如圖4所示。

采用常規壓縮空氣帶壓作業時，當作業壓力超過一定限度(0．45 MPa)之后，作業人員患上減壓病及“氮麻醉”的風險將顯著增大，而且由于減壓時間會隨著作業時間及作業壓力的增加而增加，作業效率將大打折扣。

飽和氣體帶壓作業時呼吸的是由氦氣、氧氣和氮氣組成的混合氣體，避免了“氮麻醉”對身體造成的傷害，且避免了作業人員每次作業后繁瑣的減壓程序，使減壓時間并不隨著帶壓作業的延長而增加，大大提高了工作效率。

圖3 帶壓作業流程圖Fig．3 Flowchart of hyperbaric intervention

圖4 飽合潛水作業人員運輸流程Fig．4 Procedure of transporting of saturated divers

2．3 作業要點

常規壓縮空氣帶壓換刀在盾構人閘內減壓，減壓作業由專業醫生操艙，專業操艙醫生要嚴格按照相關潛水作業規范所規定的減壓方案進行減壓。通常情況下，減壓速率不能大于 0．018 MPa/min，減壓至0．12 MPa時開始吸氧。

飽合潛水帶壓換刀作業人員完成工作后，經由人閘進入穿棱艙，在穿棱艙內減壓至生活壓力(通常比作業壓力低大約0．05 MPa)后，再進入地面生活艙生活。飽和潛水作業周期一般在2～4周，完成一個作業周期后減壓出艙時間大約為3 d。

盾構配置的刀具，特別是滾刀質量較大，刀具的更換和搬運須通過專用機具和人工搬運相結合的方式來完成。考慮到帶壓環境下作業人員的體力消耗遠比常壓下同等作業要大，因此，應盡量縮短搬運路徑，減少倒運次數，特別是垂直搬運量。通常安排在時鐘的3點和9點位置拆裝刀具比較安全省力。

3 應用實例

3．1 工程概況

南京市緯三路過江通道采用2臺直徑為14．93 m的泥水盾構掘進，開挖直徑為15．01 m。隧道穿越江中段最大水壓為0．74 MPa。根據近10年河床監測數據，最薄覆土厚度僅為13．5 m。盾構隧道沿線穿越淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉細砂、中粗砂、礫砂、卵石、強風化粉砂巖和中風化粉砂巖，各地層分布圖如圖5所示。其中，中風化粉砂巖區域位于江底，長度為500 m，具有上軟下硬、上層礫砂與卵石層透水性強、巖層石英含量高和單軸抗壓強度大等特點。卵石層滲透系數高達6．8 m/d，對開挖面泥膜形成非常不利，對在此地層形成氣密性泥膜提出了嚴峻考驗。

3．2 帶壓換刀應用實例

1)緯三路過江通道N線工程掘進至513環進行了首次帶壓進艙換刀。帶壓換刀工位在盾構泥水艙內3點鐘位置，為了創造無水作業工作環境，需將泥水艙液位降低9 m，本次作業是國內首次在大斷面砂卵石地層采用壓縮空氣支護進行艙內作業，該位置開挖面地層示意圖如圖6所示。

針對該地段特殊的地質條件，采用的氣密性泥膜由滲透帶泥膜+泥皮型泥膜組成，在開挖面上形成氣密性良好的泥膜。帶壓作業過程中開挖面泥膜部分圖片如圖7所示。

2)緯三路過江通道N線工程掘進至江底段616環進行了第2次帶壓進艙換刀，本次換刀作業啟用了最高作業壓力0．65 MPa的飽和氣體帶壓進艙作業。對于常規壓縮空氣作業，1 d(4個班次)最高效時僅可以完成1把質量為277 kg的19″雙刃滾刀的拆裝工作;而啟用飽和氣體帶壓作業，1 d(2個班次)則可以實現3～5把19″雙刃滾刀的拆裝工作，其工作效率大大高于常規壓縮空氣作業。

本工程飽和潛水作業系統構成如圖8所示。

圖5 隧道軸線地質斷面圖Fig．5 Geological profile of tunnel

圖6 513環開挖面地層示意圖Fig．6 Geological profile of tunnel face at No．513 ring position

圖7 帶壓進艙作業開挖面泥膜Fig．7 Filter membrane on tunnel face during hyperbaric intervention

圖8 飽和潛水作業系統Fig．8 Saturated diving system

3．3 開挖面漏氣應急處理及分析實例

帶壓作業漏氣的原因主要有以下幾個方面:開挖面漏氣、盾殼周圍地層漏氣、盾構內部管線漏氣和盾尾漏氣等［10］。一般來講，開挖面與氣體接觸面積最大，開挖面漏氣為帶壓作業漏氣的主要原因。地層漏氣時，氣體通過破損或老化的泥膜裂隙向地層滲透，逐步形成漏氣通道。漏氣過程為氣壓作用下泥膜破損的過程，泥膜破壞將進一步增大漏氣量，形成惡性循環。

3．3．1 開挖面漏氣事例描述

2013年10月6日6點50分，完成降液位，通知帶壓進艙作業人員進艙作業。

7點10分，人員進艙后發現刀盤未轉到位，通知操作室轉刀盤。

7點20分，刀盤轉動到位。

8點15分至8點20分，空壓機出口壓力曲線驟降。

8點20分至8點35分，空壓機出口壓力降至與泥水艙壓力基本一致。

8點30分，立即通知艙內作業人員退回至盾構人閘內保壓，并啟動備用空壓機供氣。

8點35分，空壓機出口壓力值回升，但并未達到設定壓力值。

8點40分，啟動送泥泵，回升液位，空壓機出口壓力曲線恢復正常。

盾構掘進參數曲線如圖9所示。

3．3．2 開挖面漏氣判斷

8點15分至8點35分，空壓機出口壓力曲線驟降且不回升，表明開挖面已經開始嚴重漏氣，空壓機供氣量小于漏氣量，供耗失衡。啟用備用空壓機后，出口壓力值雖然回升，但仍未達到設定的安全壓力值，表明啟用備用空壓機后供氣量達不到安全儲備量，需對開挖面泥膜進行修復和重建。

圖9 盾構掘進參數曲線Fig．9 Curves of shield boring parameters

3．3．3 開挖面漏氣原因分析

本次換刀刀盤回縮5 cm，建膜后開挖面與滾刀刀刃之間的實際間距不到3 cm。而新更換的滾刀刀刃較舊滾刀刀刃(滾刀磨損)高出3 cm多，新刀刃與開挖面泥膜相接觸。刀盤旋轉時，新更換的滾刀切削開挖面泥膜，滾刀軌跡線區域的氣密性僅依靠滲透帶泥膜保持。7點20分至8點20分，空壓機出口壓力曲線正常，滲透帶泥膜氣密性可靠;8點20分，空壓機出口壓力曲線驟降，滲透帶泥膜氣密性失效，這與室內試驗滲透帶泥膜氣密性不足1 h的結論基本吻合。

3．3．4 開挖面漏氣應急處理

開挖面漏氣應急處理的最佳方案為以最快的速度回升泥水艙內液位。升液位不僅可以減少漏氣量，同時還可對受損泥膜進行修復。

4 結論與討論

1)對于無法實施常壓進艙檢查及更換刀具的盾構隧道工程，帶壓進艙作業技術可以避免進行地層加固，很大程度地節約時間成本，尤其是長距離、復雜地層的盾構施工，需要頻繁地進行進艙作業。

2)在開挖面建立泥膜是帶壓進艙作業的前提保證，試驗研究結果表明，氣密性好且穩定的泥膜由2部分組成，即開挖面上的泥皮型泥膜和地層中的滲透帶泥膜。

3)飽和氣體帶壓進艙作業的效率大大高于常規壓縮空氣帶壓進艙作業，但是飽和氣體系統的建立及日常維護成本較高，通常在高水壓以及需要長時間作業的情況下才推薦采用飽和氣體帶壓作業技術。

4)盾構帶壓進艙作業時，開挖面漏氣是最常見的問題之一，該問題的最佳解決方案是作業人員緊急撤出泥水艙后立即以最快的速度回升泥水艙液位，以減少漏氣量并修復受損泥膜。

目前，我國城市建設正在飛速發展，越來越多的越江及跨海隧道將投入建設，因此高水壓下大直徑泥水盾構的帶壓換刀技術需要進一步的深入研究。

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