隧道盾構帶壓進艙作業的潛水技術問題

薛利群， 張國光

(上海交通大學海洋水下工程科學研究院， 上海　200231)

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隧道盾構帶壓進艙作業的潛水技術問題

薛利群， 張國光

(上海交通大學海洋水下工程科學研究院， 上海200231)

摘要：從潛水技術的專業視角探討潛水技術與盾構施工的應用問題，通過研究隧道盾構帶壓作業的主要難點和技術條件、所需潛水技術及特征、主要潛水設備、潛水技術應用的一般準則等，以解決隧道盾構帶壓進艙作業的潛水技術應用問題。主要結論如下：1)潛水技術適用于隧道盾構施工作業； 2)潛水技術用于隧道盾構作業，除需解決裝備、規程及減壓表等軟硬件外，潛水人員及作業管理也是其成敗之關鍵； 3)與隧道盾構作業所需潛水作業相比，海上潛水面對的環境更嚴酷，更復雜，人員裝備的要求更高； 4)我國隧道盾構帶壓作業潛水，目前需要優先關注的是如何將海洋工程潛水技術科學有效地移植于隧道盾構施工帶壓作業領域。

關鍵詞：盾構施工； 帶壓進艙； 潛水技術； 飽和潛水

0引言

盾構是一種機械化和自動化程度較高的隧道掘進施工方法。這項已有190年歷史的隧道施工技術，始于英國，興于日本、德國，如今在我國越來越成為各種地層或繁忙鬧市區域地下工程施工的重要手段。隨著水下及地下高水位隧道建設需求的增加，盾構帶壓進艙及帶壓潛水換刀等新技術的應用，已越來越引起業界的關注。近年完成的典型工作有： 楊文武[1]根據世界上已建成的幾大標志性盾構法水下隧道工程，討論水下隧道盾構工法的技術發展；孫謀等[2]結合武漢長江隧道等水下盾構隧道工程，對水下盾構施工合理覆蓋層厚度、盾構類型及關鍵參數確定進行了分析；孫善輝等[3]就盾構飽和氣體帶壓進艙的方法、設備、設施的配套等方面進行可行性分析；陳饋[4]從換刀裝置、換刀模式等方面介紹盾構帶壓進艙換刀及帶壓潛水換刀等超高水壓換刀新技術；吳忠善等[5]研究超大直徑泥水盾構帶壓進艙換刀技術在南京緯三路過江通道工程中的應用。以上主要集中于從隧道工程建設的角度進行技術總結和研究，很少對潛水技術與盾構施工應用的系統研究或闡述。

本文結合近來參與完成的若干相關項目，嘗試以潛水技術及裝備應用的專業視角，分析我國盾構帶壓進艙作業面臨的困難及技術需求，介紹現有成熟常用潛水技術及其特征，研究盾構帶壓進艙∕換刀作業必需配置的主要潛水技術裝備，同時提出不同盾構施工條件下潛水技術的應用原則，探討我國盾構施工帶壓作業潛水技術的發展。

1盾構帶壓作業及技術條件

1.1盾構帶壓作業

水底隧道盾構法不僅適用于軟土地質的隧道開挖，近年來也已應用于巖石和復合地層的隧道建設。受復雜地質條件的影響，隧道盾構施工通常會造成盾構機頭部挖掘刀具的嚴重磨損，需要進行刀盤刀具的檢查、更換、維修，以及工作面清障等工作。因此帶壓進艙作業是盾構掘進過程中一項不可或缺的重要工作。具體而言，隧道盾構“帶壓進艙”(也稱氣壓進艙，或超壓進艙)是通過對盾構開挖艙用空氣加壓建立平衡氣壓，將艙內的部分泥水排除，騰出上部空間；然后，工作人員進入設在盾構端頭的人閘艙(包括主艙和副艙)，利用空氣對人閘艙加壓(人艙加壓環境)；待人閘艙的壓力與開挖艙內的壓力平衡后，打開人閘艙內門，進入開挖艙的上部空間作業；任務完畢后，作業人員由開挖艙返回人閘艙(或轉運艙)；通過相應的減壓程序，最后返回常壓環境。位于盾構機前端中上部的人閘艙位置見圖1。

圖1　位于盾構機前端中上部的人閘艙位置

1.2作業難點

與常壓進艙作業技術相比，盾構帶壓進艙作業的主要困難點在于(并不僅限于)：

1)需要有人在壓力下進入盾構開挖艙內部(干式或濕式環境)，其高氣壓作業環境類似于水下施工作業。對于工作壓力高于0.6 MPa，且作業周期時間較長的帶壓開艙工作，需要采用飽和潛水技術。

2)情況復雜(如泥漿、水壓、塌方、有害氣體等)，易發意外事件，可能危及進入盾構壓力區作業人員的安全。

3)需要對盾構開挖面進行壓力平衡。水土壓力將視盾構所處工程地質及水文條件而不同。平衡氣壓值的確定計算示意見圖2。

圖2　平衡氣壓值的確定

4)加壓及保持壓力平衡過程中的施工安全。比如易液化土層的流砂、管涌，含水砂卵礫石層自穩性差、易塌陷，以及淺覆土容易引發冒頂、通透水流等。

5)由于盾構直徑較大(可達10～15 m)，存在較大的過剩壓力區，會加大空氣消耗量，使得壓縮空氣的單位時間總耗量難以確定。

6)泥水加壓平衡(泥水盾構)狀況下，泥漿對作業者(潛水員)的呼吸、視覺影響較大，需采取相應防護措施。

7)帶壓進艙作業可能影響操作人員的健康，易發生減壓病。如：香港九龍海底鐵路隧道(1976—1979)，減壓病1 534例，發病率萬分之53%[6]； 丹麥大貝爾特海峽(Great Belt)鐵路隧道(1992—1996)，減壓病13例，發病率萬分之0.14%。其中2例永久殘留癥狀[7]。 我國南京長江隧道(2008—2009)減壓病7例，發病率萬分之0.18%[8]。

1.3技術條件

在水下及地下高水位條件下實施盾構帶壓進艙作業(潛水作業)，通常應具備的基本條件如下。

1)盾構頭部(開挖艙)具備帶壓進艙的設備條件，能夠配置盾構人閘艙(人員平衡艙)。

2)潛水設備，即與潛水作業相關的設備。如適合相應潛水作業方式需要的潛水裝備系統，人閘艙、人員轉運艙、醫療減壓艙，以及在隧道內運輸、吊裝、轉接等設施的配置。

3)合格操作人員。掌握潛水技術，能夠運用所配置的潛水裝備系統的相關人員，包括：

①潛水綜合指揮協調人員。應對盾構內刀具更換情況、對潛水作業技術、對各類潛水裝備裝具、對潛水醫學均有一定的了解，可通盤指揮整個帶壓進艙的作業過程。

②潛水或高氣壓作業人員。應具有潛水作業技能，同時掌握盾構刀具更換以及相應檢修任務的專業技能。

③潛水醫學保障人員。能夠根據實際作業情況，選擇潛水方案、減壓方案及應急減壓病治療方案的制定。

④設備的操作人員。飽和艙，轉運艙及平衡艙的操作、維護保養人員；使用飽和艙潛水，通常需24 h連續運轉。

4)合理的潛水作業方案。根據不同水壓(深度)、不同作業要求，采用合理的潛水作業方式。比如在24 m以淺干式環境，可采用經培訓合格的隧道工人作業方式，而濕式及水下環境，應采用空氣潛水作業；在

50 m以淺，可以選擇空氣潛水作業方式；在50 m以深，可以采用飽和潛水作業方式等。

5)應急處理能力及預案。實施盾構氣壓進艙作業，應具備潛水意外事件的應急處置能力，并編制相應的應急處置預案。

2潛水作業技術及特征

可用于隧道盾構施工的潛水作業技術，按潛水員呼吸氣體的組成，分為空氣潛水與混合氣潛水；按潛水的實施程序，有常規潛水與飽和潛水之分。常規潛水又分為空氣常規潛水、氮氧常規潛水和氦氧常規潛水；飽和潛水又分為空氣飽和潛水、氮氧飽和潛水、氦氧飽和潛水和氦氮氧飽和潛水等。典型潛水技術的應用性分析比較見表1。

表1　典型潛水技術的應用性分析比較

2.1空氣常規潛水技術

空氣常規潛水(常稱空氣潛水)是水下工程技術領域應用最廣的潛水技術，潛水員以壓縮空氣作為呼吸介質進行潛水作業。其特點是設備簡單，要求低，呼吸介質易于獲得。

受氮麻醉和氧中毒的制約，我國和前蘇聯均規定空氣潛水的最大安全深度為60 m，英國等規定為50 m。我國規定，使用自攜式水下呼吸器進行空氣潛水的最大安全深度為40 m；使用水面供氣式空氣潛水(包括輕裝、重裝)的最大安全深度為60 m。同時規定，當潛水深度大于24 m，或減壓時間超過20 min，或在水下不能安全減壓時，潛水現場應配備可使用的水面減壓艙及用于減壓和治療的氧氣。潛水減壓時，減壓艙內靜息狀態下呼吸氧氣的最大安全深度為18 m[9]。

2.2氦氧常規潛水技術

氦氧混合氣常規潛水(Heliox diving)指使用人工配制的氦氧混合氣(比如21%氧氣和79%氦氣，或其他比例組合的混合氣)作為呼吸介質的水面供氣式混合氣潛水，但不包括氦氧飽和潛水，所以也稱為“氦氧常規潛水”。其對于短時間、大深度潛水，不失為一項最常用的現代深潛水技術手段。

氦氧常規潛水的一般適用范圍不超過120 m。按照我國相關規定： 氦氧常規潛水的最大安全深度為120 m。采用自攜式混合氣潛水裝具(SCUBA)的潛水深度一般不超過80 m；采用開式鐘潛水所能到達的最大深度為90 m，水底作業時間在淺水中不超過3 h，在90 m時為1 h；采用閉式鐘潛水的工作深度為120 m，水底停留時間為1.5 h。潛水深度大于150 m時，必須配備熱水服及呼吸氣加熱設備[10]。

2.3飽和潛水技術

根據潛水員的呼吸氣體，飽和潛水分為空氣飽和、氮氧飽和、氦氧飽和、氫氧飽和，以及氦氮氧飽和、氫氦氧飽和等多種飽和潛水技術。潛水員在完全飽和的深度下，即使延長暴露時間，其飽和度也不再增加，所需減壓時間與初飽和時的時間相同。受制于高分壓氧的毒性作用(肺型氧中毒)和高分壓氮的麻醉作用(氮麻醉)，空氣飽和潛水的深度不應超過18 m(最大安全深度為15 m)；氮氧飽和潛水的安全深度為 36.5 m，若采用氮氧飽和-空氣巡回潛水則深度限制在76.5 m以淺，工作時間可達45 min；氦氧飽和潛水的作業深度一般在200～300 m。海上作業的最大深度已超過500 m(1988年法國COMEX，地中海，534 m氦氧飽和潛水)。

作為實施深水、大規模、長時間水下作業的重要手段，飽和潛水是一項復雜的系統工程，對設備系統、作業人員及醫務保障都有較高的要求[11]。 在海洋水下工程實踐中，潛水員飽和環境下的持續停留時間一般不超過28 d(包括減壓)。通常情況下，潛水作業深度超過120 m、作業時間超過1 h，宜采用飽和潛水作業。目前，飽和潛水技術已廣泛應用于海洋石油、天然氣勘探和開發領域的潛水服務。

2.4飽和-巡回潛水技術

潛水技術及潛水作業方案的應用，不僅涉及作業水深(壓力)、勞動強度，還與水下停留的持續時間有關。飽和-巡回潛水(Saturation-excursion diving)是指在飽和潛水過程中，處于飽和狀態的潛水員從飽和深度外出，在水中向下、向上或水平進行一定深度的潛水，無需減壓即可安全返回原來的飽和深度。按飽和與巡潛的狀態及呼吸介質，可以有空氣飽和-氮氧巡潛，氮氧飽和-空氣巡潛，氮氧飽和-氦氧巡潛，氦氧飽和-氦氧巡潛等不同組合方式。采用飽和-巡潛作業，有利于根據不同的作業水深，以相對安全、簡單、經濟的方式完成作業任務。其中，氮氧飽和潛水是用氮氣作為平衡氣，其氧分壓控制在25.0～35.0 kPa。其優勢在于氮氣的價格遠低于氦氣，具有較好的經濟性。比如：

1)氮氧飽和-空氣巡潛。利用氮氧30.5～36.5 m飽和及空氣巡回潛水，作業水深大于60 m時，巡潛深度60、65、70、75 m的工作時間，分別為6、5.5、4、1 h，且不會發生氧中毒和氮麻醉現象。

2)氮氧飽和-氦氧巡潛。一門新的潛水作業技術，既解決了大深度空氣巡潛時可能的氮麻醉問題，且作業深度更大，時間也較長。國內多次成功進行的25 m氮氧飽和80 m氦氧巡潛實驗表明，氦氧巡潛深度80 m時，水下作業時間可達70 min；巡潛深度60～70 m時，可在150 min之內。

典型潛水技術的裝備需求比較見表2。

表2　典型潛水技術的設備需求比較

3帶壓進艙作業的主要潛水裝備

3.1人閘艙

人閘艙全稱“隧道盾構機人閘艙系統”(也稱人艙或平衡艙)，用于承壓、塌方等復雜地下盾構施工中的帶壓開艙，通過與掘進操作系統(土艙)連接，保障操作人員維護與保養時的人身安全(見圖3)。

圖3　盾構開艙作業的人閘艙

目前國內通用的隧道盾構用人閘艙，多是按照空氣潛水作業要求進行設計制造的，使用工作壓力一般不超過0.30 MPa。對于最大工作壓力達0.60～0.70 MPa(比如南京長江隧道)或更大壓力的飽和人閘艙，設計制造應滿足氦氧混合氣潛水作業的要求。比如提供氦氧混合呼吸氣的供排氣裝置(包括面罩呼吸及潛水裝具呼吸接口)，以及氦氧環境下的通訊聯絡裝置等。

3.2醫療減壓艙

醫療減壓艙(也稱甲板減壓艙)，是在潛水現場供潛水員進行減壓或治療的一種圓柱形鋼制壓力容器，最大工作壓力一般為1.0 MPa。根據不同的使用目的，醫療減壓艙的艙室結構有單艙、雙艙和三艙多種。常規空氣潛水使用的多為臥式雙艙三門，或雙艙四門結構減壓艙。一種常見的小型潛水減壓艙如圖4所示。

3.3飽和潛水設備

在海洋水下工程領域，實施飽和潛水的設備系統一般包括甲板加壓艙組(含主艙、過渡艙、居住艙)、潛水鐘(人員轉運艙，PTC)、生命維持系統、環境控制系統、通訊系統、衛生系統、吊放裝置和氣瓶組，以及高壓逃生系統(HES)等。對于隧道盾構帶壓進艙作業，人員轉運艙及飽和潛水艙則是必備的基本設備系統。

圖4　典型的小型潛水減壓艙

3.3.1轉運艙

人員轉運艙是利用飽和潛水技術實施隧道盾構帶壓進艙作業的關鍵設備，其作用與海上飽和潛水作業使用的潛水鐘(或可潛式潛水艙，SDC)一樣，是潛水員從作業區至飽和潛水艙之間的轉送工具(見圖5)。可在飽和潛水狀態下將工作人員轉運至隧道外的飽和潛水艙內，同時也可將飽和艙內的工作人員轉運至盾構機上的人閘艙。轉運艙本身也是一個移動的小型飽和艙，一般額定載員3至4人。

圖5　盾構進艙作業人員轉運艙

不同的是，潛水鐘內需要的各類氣體、保暖用水、電器設施供電等生命保障設施，是通過與母船連接的臍帶供給；設在潛水鐘外的各類氣源鋼瓶，僅在應急條件下使用，且鐘外一般不設應急電源，僅設應急信標。而隧道盾構用的人員轉運艙，不便用臍帶方式對艙內進行各類生命保障，因此轉運艙必須在一定的時間內，依靠自身攜帶的各類生命保障設施維持艙內工作人員的生命安全。轉運艙在氦氧飽和潛水時為氦氧混合氣環境，其余工況按實際情況可為空氣或氮氧飽和環境，最低自持力時間為4 h。

3.3.2飽和潛水艙

飽和潛水艙(也稱為飽和潛水系統)是飽和潛水作業必需的關鍵設備之一，主要用于人在飽和狀態的生活和工作。國內最早建造的300 m飽和潛水艙群如圖6所示。

圖6　300 m飽和潛水艙

綜合型飽和潛水系統(ISDS)，一般按9、12、16、18或24人配置。標準設計作業水深，多為300～500 m。模塊化飽和潛水系統(MSDS)，一般按6、9、12或16人設計，以標準集裝箱為尺度配置，便于快捷、遠距離調遣部署。還有按4/6人設計的微型便攜式∕模塊式飽和潛水系統，以2人潛水鐘，壓力轉運艙(TUP)和4/6潛水員的單閘飽和艙室為基礎配置，作業水深100 m，也稱為“飽和飛行潛水系統”(SAT FADS)。

與海上作業的飽和潛水一樣，盾構內實施飽和潛水作業，也必須配備飽和潛水艙，只是其飽和潛水艙可安置在隧道外的陸地上。根據盾構帶壓進艙作業，一般選用6或9人的飽和潛水艙。作業人員可3班倒作業，效率更高。與海上飽和潛水作業不同的是，隧道盾構作業不需要設置潛水鐘而以轉運艙替代；也無需設置潛水鐘液壓吊放裝置及恒張力系統，而以簡單的液壓升降平臺或普通行車吊替代。因此盾構使用的飽和潛水艙相對簡單，遠沒有海上飽和潛水系統復雜。但必須設置轉運艙與人閘艙(平衡艙)、飽和艙的對接裝置；尤其應特別重視轉運艙與人閘艙(平衡艙)的對接，以保障作業人員在高壓下的正常轉運。盾構作業飽和潛水艙的整套系統設計通常為機動式，由若干個模塊組成，在施工現場經過各類管道連接，并接上電源后即可開展工作。海上飽和潛水系統與盾構飽和系統關鍵設備配置比較見表3。

3.4高氣壓潛水頭盔

對于大深度盾構進艙作業，采用混合氣潛水進入開挖艙進行維護和修理作業，潛水員必須穿戴通過“臍帶”提供生命支持，能夠使用混合氣體呼吸的特制輕型高氣壓潛水頭盔(混合氣潛水裝具)。

為了使潛水員能夠在膨潤土(bentonite)懸浮液中安全潛水，通常的做法是選用近海工程潛水專用頭盔(如柯比摩根27型，57型等)或進行適當改進(見圖7)。比如： 在頭盔上配備水沖洗裝置，以防在膨潤土懸浮液中空氣調節器的呼吸膜粘在一起，或泥漿影響潛水員視覺。當隧道盾構工作面的溫度較高時(比如達40～50 ℃)，潛水頭盔還必需設置可控的冷卻系統。

表3海上飽和潛水系統與盾構飽和系統關鍵設備比較

Table 3Comparison and contrast between marine saturation diving system and shield saturation system in terms of key equipment

主要設備海上飽和艙盾構飽和艙加壓艙本體有有環境控制系統有有生活水系統有有加壓艙控制系統有有供配氣系統有有潛水鐘有無潛水鐘與艙對接裝置有無潛水鐘臍帶有無臍帶收放裝置有無液壓吊放系統有無升沉補償系統有無潛水鐘控制系統有無海水加熱系統有無轉運艙無有轉運艙對接系統無有

圖7　威悉河隧道(Wesertunnel)工程使用的潛水頭盔

4盾構帶壓作業潛水技術應用的一般準則

遵循國家相關潛水作業安全標準法規，根據隧道盾構項目帶壓進艙作業的最大工作深度(或壓力范圍)及進艙作業的可能持續時間要求，潛水方案及潛水作業技術的應用大致可分為低壓(小于24 m)、中壓(24～60 m)及高壓(大于60 m)3個層次(等級)。帶壓進艙的水深與作業方式、人員及裝備配置見表4。

表4帶壓進艙的水深與作業方式、人員及裝備配置

Table 4Methods, personnel and equipment for diving at different depths

水深/m作業方式作業人員基本裝備配置 <24高氣壓 身體健康經過培訓的高氣壓工潛水減壓艙24～60空氣常規潛水 經過專門培訓的空氣潛水員潛水減壓艙 >60 混合氣常規潛水或飽和潛水 經過專門培訓的混合氣潛水員和飽和潛水員 飽和潛水艙、轉運艙、潛水裝具

通過對潛水技術特征及盾構帶壓進艙作業要求的分析可見，盡管可以將盾構帶壓進艙的壓力范圍劃分為小于24 m、24～60 m、大于60 m等不同等級，但潛水作業技術方案的選用并不是機械的教條。同樣環境條件下的帶壓進艙，可以通過不同的潛水手段來實現，技術方法具有一定的可重疊性。比如40～60 m水深(或0.40～0.60 MPa的水頭壓力)既可以采用空氣潛水或混合氣潛水，也可以選用飽和潛水。根據我國潛水實踐和標準法規，對不同水深(壓力)范圍的超壓盾構施工推薦的潛水作業方法見圖8。

4.1低壓進艙作業

根據GB 26123—2010《空氣潛水安全要求》，潛水深度大于24 m或減壓時間超過20 min且在水下不能安全減壓時，潛水現場應備有甲板減壓艙，并應備有用于減壓和治療的氧氣。

對于盾構作業水深(或地下水頭壓力)小于24 m的低壓作業，一般可選擇身體健康、經過培訓的專業技術工人(高氣壓工)，按照CJJ 217—2014《盾構法開倉及氣壓作業技術規范》的要求，采用壓縮空氣為呼吸氣，在基本干式環境下，通過人員平衡艙(人艙)承壓進艙作業[12]。

4.2中壓進艙作業

對于盾構作業水深(或地下水頭壓力)在24～60 m 的中壓作業，應采用經過專業技能培訓(如維修、換刀技能等)的空氣潛水員進艙作業。

利用常規空氣潛水技術作業，工作人員在盾構內一般無需著潛水裝具，作業效率較高。所需潛水設備也較簡單，主要是人閘艙和移動式醫療加壓艙，不需要諸如轉運艙、飽和艙等設備支持，技術難度底，操作簡單。潛水作業及減壓，按照GB 26123—2010《空氣潛水安全要求》和GB/T 12521—2008《空氣潛水減壓技術要求》執行。

采用混合氣潛水作業，潛水員需配備符合混合氣潛水要求的專用裝具及潛水減壓艙，按照GB 28396—2012《混合氣潛水安全要求》執行。

目前海洋工程飽和潛水深度一般可達200～300 m，最大海上作業深度534 m，模擬飽和潛水最大深度680 m，巡潛701 m。

圖8使用不同作業方式介入超壓隧道盾構的推薦工作水深/壓力范圍(單位： mm)

Fig. 8Recommended depths/pressures for hyperbaric interventions in shield tunneling (mm)

4.3高壓進艙作業

通常，水深大于60 m(0.60 MPa)的盾構施工視為高壓作業(也有將0.68 MPa以上稱為超高水壓)。當空氣潛水深度超過50 m后，在水下的適宜工作時間大大縮短，減壓時間則大大增加，其作業周期內很難完成一次盾構刀具作業，且由于氮麻醉的影響，“次生事故”發生概率增加。因此，對于水深大于60 m的項目，應根據盾構工程的綜合情況，采用混合氣常規潛水或飽和潛水作業，并在作業地點配置相應的潛水減壓艙或轉運艙。

4.3.1氦氧常規潛水進艙作業

按我國GB 28396—2012《混合氣潛水安全要求》規定，氦氧常規潛水的最大潛水深度應不大于120 m。作業現場，通常應配備水面減壓艙及其有關設備。

氦氧常規潛水在一定深度內的作業時間有限，且減壓時間相對較長，主要用于短時間的進艙檢查或更換磨損刀具等。其進艙作業程序與空氣常規潛水相同，按照GB 28396—2012《混合氣潛水安全要求》執行。

混合氣深潛水的作業安全保障要點： 1)對混合氣體配置的準確性實施監督。2)嚴格控制呼吸氣中的氧濃度。3)根據潛水深度的不同，監督呼吸氣體的轉換。4)減壓結束后出艙的潛水員，應囑其在艙旁或附近休息2 h，以觀察有無異常感覺和不適。之后仍要追蹤觀察12 h，以確保潛水員的安全。5)完成混合氣潛水后24 h內不宜飛行或去高海拔地區旅行。

4.3.2飽和潛水進艙作業

氦氧飽和潛水、氮氧飽和空氣巡潛技術，大大方便了進艙換刀作業的順利進行。根據飽和潛水理論，在一定的飽和深度內，其作業時間基本不受限制。

采用氮氧飽和潛水，按照GB/T 17871—1999《氮氧飽和或空氣飽和-空氣巡回潛水減壓程序》執行。采用氦氧飽和潛水，按照GB/T 24555—2009《200 m氦氧飽和潛水作業要求》執行。對于遇到的緊急情況或減壓病處置，應遵循GB/T 24556—2009《200 m氦氧飽和潛水作業應急措施》、JT/T 744—2009《200 m氦氧飽和潛水減壓病處置原則》等實施。

5結論與建議

1)經過最近20余年的工程實踐，潛水技術適用于隧道盾構施工作業已毋庸置疑。我國現有潛水技術能力水平已完全具備應對盾構施工對各種潛水技術和裝備應用的基本條件。一般壓力不超過24 m(0.24 MPa)的盾構作業，由經過基本培訓的高氣壓工(也稱沉箱工)足以適應工作需要。大于24 m的作業任務，應由專業潛水員完成。實踐中，60 m(0.6 MPa)以淺是空氣潛水的適宜深度。超過60 m，空氣潛水發生氮麻醉的概率增加，易引發“次生”事故。如短時作業，推薦常規氦氧混合氣潛水。潛水員可在人員轉運艙的運送過程中加壓，節省加壓準備時間，非常適合底部停留時間有限的應急干預潛水。對于高壓環境下工作時間長，且體力負荷較大的盾構作業，從作業效率和潛水安全考慮，飽和潛水具有比常規潛水更顯著的優勢。

2)潛水技術用于隧道盾構作業，需要解決的支持條件不僅僅是裝備設施、潛水規程及減壓表等軟硬件，潛水人員及作業管理(特別是有經驗的現場指揮人員)亦是不可或缺。大深度飽和潛水是一項“人員-設備-法規-管理”環環相扣且復雜的系統工程。這對于盾構隧道施工企業會有相當大的壓力和挑戰。目前的優選應對方案是專業人做專業事。一些看似難以處理的潛水問題，相對于專業機構也許只是成熟的基礎性工作。在歐洲等水下盾構技術先進的國家，通常也是將大深度高壓盾構潛水作業委托專業潛水機構去實施。比如，德國海瑞克(Herrenknecht)長期與北海潛水員有限公司(Nordseetaucher)合作。這樣做可讓盾構隧道施工企業省去了很多精力及財力上的牽扯。

3)與隧道盾構施工所需潛水作業相比，海上潛水(包括油氣開發、救助打撈)面對的環境更嚴酷，更復雜，對人員、裝備的要求更高。同樣是在高氣壓下實施作業，海洋工程潛水與隧道盾構氣壓作業的主要差異，在于工作環境的不同(干式、濕式)，由此對所需潛水作業的工藝和程序產生相應影響。如今隧道盾構潛水最大深度(水頭壓力)超過100 m(1.00 MPa)的工程案例，已有瑞典哈蘭德薩斯(Hallands?s)隧道(1.30 MPa，2014)，美國拉斯維加斯米德湖(Lake Mead)3號引水隧洞(1.20 MPa，2014，盾構設計靜水壓達1.70 MPa)。大深度高壓盾構隧道施工，為飽和潛水技術的應用開拓了新的領域和需求。

4)未來我國隧道盾構施工潛水技術的應用和推廣前景廣闊，這為隧道盾構施工業界與潛水技術裝備應用和研發機構的合作提供了難得的機遇。相對于隧道盾構帶壓作業起步晚經驗不足，缺乏作業技術規范及行業標準，我國海上救撈及水下工程領域的常規空氣潛水實踐已處于世界先進水平，300 m以淺大深度飽和潛水技術的研究應用亦躋身先進國家之列。對照可能建造海底隧道的渤海灣(86 m)[13]、瓊州海峽(160 m)[14]和臺灣海峽(80 m)[15]，即便考慮海底埋深覆蓋層，極限深度一般不會大于200 m。未來隧道盾構施工用飽和潛水系統的設計，深度200 m(2.00 MPa)足以滿足作業需求。在這方面，海上潛水行業的相關潛水技術標準、安全法規框架已基本構建，可供隧道盾構施工潛水作業實踐借鑒。

5)目前我國盾構帶壓作業潛水需要優先關注和解決的問題，是如何將成熟的海洋工程潛水技術，科學有效地移植于盾構施工帶壓作業領域。本研究與迄今已發表的研究工作的不同，在于嘗試從潛水技術及裝備應用的專業視角，系統探討潛水技術與盾構施工的應用，提出盾構帶壓作業潛水技術應用的一般準則，對國內開展盾構帶壓潛水作業實踐具有參考和借鑒意義。盾構帶壓作業潛水技術的應用尚有許多課題需要進一步研究和探討，特別是與高氣壓盾構飽和潛水安全相關的潛水裝備、作業規程、標準法規、加壓/減壓表、混合呼吸氣、應急預案、以及壓力下飽和潛水員的緊急撤離問題等。這既為隧道盾構施工與潛水技術裝備行業的發展提供了難得的機遇，同時也需要國內施工企業與裝備制造商(盾構、潛水)、潛水公司及專業研發機構的合作，共同推進我國隧道盾構施工高氣壓作業技術應用的發展和完善。

6致謝

感謝上海交通大學海洋水下工程科學研究院荊巖林研究員對本文提出的修改意見和建議。

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盾構前艙可視系統技術填補國內空白

近日，中交隧道工程局有限公司成功研發了盾構前艙可視系統技術，這一技術在緯三路過江通道得到了成功應用，填補了國內空白。

該項目盾構隧道穿越地層復雜，掘進施工中需穿越黏土層、砂層、砂礫、卵石層、強中風化粉砂巖層等軟、硬地層和各地層組合而成的上軟下硬復合地層，共計3 537 m。其中需穿越巖層490 m，對刀具的損壞極為嚴重。

在高水壓的江底，開艙人工換刀存在高風險，可能會造成開挖面的坍塌，進而影響隧道周邊建筑物的安全。

在專業領域使用可視化監測系統，首先需克服特定使用環境下的各種技術問題，如鉆孔電視，其密封結構可承受數百米甚至數千米深的水壓，海底探測使用的攝像頭必須具備高耐壓、耐腐蝕的能力；同時，要將前視和側視角度對鉆孔內孔壁進行無擾動的原位攝像記錄并加以分析研究，并具有全景觀察和實時監視的能力等。

可視化刀具刀盤監測系統分為后視系統和前視系統2個功能區。前者具備從刀盤后面對刀具進行拍照并進行圖像分析處理的能力，利用專門開發的圖像處理軟件對所得圖像進行分析處理，并和刀具原始照片比較，確定刀具磨損情況，以便對需要更換的刀具進行及時處理；后者具備從刀盤正面、側面攝像拍照能力，根據攝像拍照圖片直觀地判斷滾刀磨損情況。

除了盾構前艙可視系統技術外，本項目還創新性地采用了液氮冷凍法更換盾尾刷。

盾尾刷能起到防止泥土、地下水、填充漿液進入盾體的作用，被譽為泥水盾構生命線。因此，盾構在江底掘進時，必須要保證盾尾刷的完好。但在盾構長距離的掘進中，由于盾尾刷和盾構之間長期磨擦，以及盾構姿態的變化，容易造成盾尾刷破損。盾尾刷破損易造成涌水、涌砂現象，嚴重影響盾構掘進。

而緯三路過江通道S線在發生盾尾滲漏時，利用液氮冷凍技術，將盾構的尾部和周圍的松散土質凍結為一塊“大冰塊”，隔絕地下水，保證泥水不會通過損壞的盾尾刷涌入隧道內部。凍結后，進行管片拆除和盾尾刷更換作業，這一技術取得了良好的效果。

(摘自 巖土網 http://news.yantuchina.com/26568.html2015-12-14)

Diving Technology for Operation in Pressurized Excavation

Chamber in Shield Tunneling

XUE Liqun, ZHANG Guoguang

(InstituteofUnderwaterTechnology,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200231,China)

Abstract:Shield machines are commonly used in tunneling. In the paper, the main difficulties, technical requirements, required techniques, features, main equipment and general guidelines for the diving operations under pressure in shield tunneling are studied, so as to solve the problems in the application of diving operation in shield tunneling. Conclusions drawn are as follow: 1) Diving technology is suitable for shield tunneling; 2) In the case of diving in shield tunneling, in addition to the equipment, procedures and decompression tables, the divers and the diving operation management are also key factors for the success of the diving; 3) Compared to the diving in shield tunneling, marine diving faces more severe environment, more complexity and more demanding personnel and equipment; 4) Regarding diving in shield tunneling in China, the priority is to transplant the marine diving technology into the shield boring rationally and effectively.

Keywords:shield tunneling; operation in pressurized chamber; diving techniques; saturation diving

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2015)12-1306-09

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.012

作者簡介：第一 薛利群(1958—)，男，山東淄博人，1982年畢業于武漢水運工程學院(現武漢理工大學)，船舶設計與制造專業，本科，研究員，主要從事潛水高氣壓設備、海洋水下特殊環境機械及裝備的開發研究工作。

收稿日期：2015-06-20; 修回日期: 2015-09-20