壓氣條件下大直徑泥水盾構飽和法開艙技術

姚占虎，陳方偉，陳 郁

(1.中交隧道工程局有限公司，北京 100088;2.中交投資有限公司，北京 100029)

0 引言

盾構技術以其安全、快速、高效等優勢已成為重大交通等基礎設施建設中不可或缺的關鍵技術，尤其在大型穿江越海隧道建設中得到了廣泛應用。然而，由于穿越的地層復雜多變，盾構不可避免地會遭遇被迫停機、開艙檢修等問題［1－2］。由于無法采用常規的地層加固等方法實施常壓開艙，因此帶壓進艙方法常被采用，如德國易北河第四隧道、荷蘭Westerschelde隧道、南京長江隧道等工程，均采用常規的壓縮空氣方法進行了帶壓開艙檢修或刀具更換等工作［3］。然而采用常規壓縮空氣帶壓開艙工法進艙，每次均需要加壓和減壓流程，耗費大量時間，實際艙內工作時間僅40～120 min，會導致工期嚴重拖延。同時，進艙人員在頻繁的加減壓流程中，增加了出現加減壓病癥的風險，如易北河第四隧道共進行了2 738人次的進艙換刀作業，21人次出現減壓病癥狀;南京長江隧道也進行了約3個月的開艙作業。快速、安全地完成繁重的盾構刀具更換工作，成為目前我國盾構行業關注的難題之一［4－5］。

飽和法開艙作業技術是將飽和潛水技術與復合式泥水平衡盾構的工作原理結合，形成一套適用于盾構帶壓開艙的技術。該技術首先要求在開挖面上形成穩定泥膜，以高壓氣體置換出泥漿，在泥水艙前壁與掌子面之間形成一個高壓空氣的環境，這與常規壓縮空氣的方法類似。所不同的是，作業人員在進艙作業期間一直生活在地面高壓生活艙內，由高壓穿梭艙與盾構氣壓艙對接，作業人員進入壓力艙中工作，完成一次作業后再由高壓穿梭艙回到地面高壓生活艙內，如此往復，直到工作完成后進行一次性減壓出艙。飽和法開艙作業技術工作人員呼吸的是氦氧混合氣體，一次停機過程中僅需1次加減壓，大大降低了加減壓病癥，且每次進艙作業不需要單獨進行加減壓，使得艙內工作時間大大增加，解決了常規帶壓進艙的兩大缺陷。

本文以南京緯三路過江通道工程S線在里程SDK4+710處，距北岸大堤約260 m，盾心距江面百年一遇洪水位約57 m的硬巖段中停機開艙作業為背景，首次在國內采用壓氣條件下飽和法開艙作業技術對盾構刀具進行開艙檢修，本文將對掌子面壓力計算、閉氣泥膜形成、飽和法盾構開艙設備及其開艙技術工藝流程等進行介紹。

1 工程概況

南京緯三路過江通道工程位于南京長江大橋和緯七路過江通道之間，距離南京長江大橋約5 km，S線起于浦口區浦珠路轉盤西側止于江東路，和定淮門大街(緯三路)連接，設計為雙層雙向四車道，上層為北岸至南岸方向，下層為南岸至北岸方向。

本工程S線盾構段采用直徑14.93 m的氣墊式泥水平衡復合式盾構進行施工，盾構刀盤結構采用輻條+面板式，刀盤開口率約25.7%，開挖直徑達15 020 mm。刀盤上主要配置切削刀和滾刀等，共計717把刀具。其中可更換切削刀80把、滾刀45把、刮刀172把。盾構刀盤后面為泥水艙(如圖1所示)，掘進過程中刀盤旋轉將切削的土體刮入泥水艙內，通過泥漿循環將新切削土體外排至地面泥水處理系統，泥水艙起到存儲、攪拌形成混合漿液的作用。氣墊艙位于切口環內部呈馬蹄形，以平衡泥水艙內泥水，從而保證掌子面平衡。在切口環上部裝設有雙人閘艙，雙人閘艙主要由冷卻水系統、加熱系統、氣體檢測系統、通訊系統以及控制臺等組成。其中，控制臺位于主艙艙門附近，便于操作人員隨時監視艙內作業人員情況，通過控制閥以及壓力儀表等裝置手動操作，實現雙人閘艙加、減壓的目的。檢修性作業時，當加壓達到氣墊艙壓力后方能打開艙門，工作人員可從氣墊艙進入泥水艙作業。

圖1 泥水艙及氣墊艙位置示意Fig.1 Slurry chamber and air cushion chamber

南京市緯三路過江通道工程S線盾構段長約4 135 m，需穿越卵石層、泥巖層、砂巖層等，其穿越地質為國內最復雜的復合地質條件之一，本文以盾構位于SDK4+710里程停機換刀位置為例介紹飽和法開艙作業技術。盾構穿越地質縱斷面如圖2所示。由圖2可見，圓內區域為盾構穿越區域，主要穿越地層為⑤2礫砂、⑥1圓礫、卵石和⑧1強風化粉砂巖。上部砂礫、卵石地層，其母巖成分以石英砂巖、燧石及灰巖為主，滲透系數為10－4m/s，為高透水的砂卵石地質，自穩性差;下部為強風化粉砂巖，石英含量達到65%，平均強度為60～80 MPa、最高達120 MPa，屬高強度硬巖，對刀具磨損嚴重，需要換刀的頻率高。因復合地層掌子面上下軟硬不均、巖性差異明顯，且上部砂礫、卵石地層滲透性高，自穩性差，給換刀過程中高質量優質泥膜的形成和掌子面壓力的平衡穩定帶來較大難度［6－10］。

2 飽和法盾構開艙技術研究

2.1 泥水艙壓力確定

盾構泥水艙壓力設置直接影響掌子面的穩定，盾構在停機開艙過程中最重要的工作就是確保開挖掌子面的穩定，為開艙作業人員提供一個安全穩定的工作環境，這就需要對切口水壓做出準確合理的計算，確保掌子面土體的穩定。據理論計算及現場施工經驗，該停機處掌子面壓力初始設定為679 kPa，在使用過程中根據現場施工經驗和水位變化及時進行修正和調整。

2.2 閉氣泥膜的形成

為形成滿足開艙作業閉氣要求的泥膜，工程采用泥皮+滲透帶形式的泥膜。通過室內模擬試驗確定合理的泥漿參數。泥膜形成分為3個階段:1)滲透階段。采用小比重低黏度泥漿進行滲透，通過進排泥漿管路偏差流量計算泥漿滲透入地層的速率，滲入速率一般控制在1.0 m3/min以下，當泥漿滲入地層速率超過1.0 m3/min，可適當提高泥漿黏度，如泥漿黏度提高10 s以上滲透速率仍無減小，可適當向泥漿內加入鋸末、谷殼等顆粒物以填充地層孔隙。本階段總滲透時間約18 h。2)泥皮形成階段。采用大比重高黏度泥漿形成泥皮，泥漿循環時間約8 h，待泥水艙內泥漿比重達1.1 g/cm3，黏度45 s以上，即達到進艙要求。3)泥皮修復和加厚階段。采用比重1.15 g/cm3，黏度80 s以上的泥漿對已經形成的泥皮進行局部修復和加厚。通常泥膜形成需1～2 d。閉氣性能良好的泥膜效果如圖3所示。

圖3 閉氣性能良好的泥膜Fig.3 Filter membrane with good air-tightness

2.3 壓氣條件下飽和法盾構開艙設備

飽和法開艙作業的主要設備有生活艙、穿梭艙、盾構人閘艙、物料艙以及穿梭艙運輸設備等。

生活艙設置獨立操控面板，主要包括控制主、輔艙的壓力控制系統、通訊系統、氣體供應系統、氣體成分分析系統、溫度調控系統、濕度調控系統及緊急措施系統。生活艙如圖4所示。

穿梭艙是運輸進艙人員的交通工具，承擔著運輸進艙人員從生活艙進入盾構人閘艙的任務，穿梭艙設置9 L物料艙，可與外界聯系，提供生活及工作必備品。艙內配有應急混合氣瓶及粉滅火器，以備緊急情況下使用。穿梭艙如圖5所示。穿梭艙運輸設備主要有平板運輸車運、運送平臺、拼裝平臺等。

人閘艙置于盾構上，是檢修換刀人員進入掌子面的通道，人閘艙分為主艙和輔艙2部分。主艙為艙內作業人員提供電源、水和呼吸氣體等作業必備條件，主艙與盾構泥水艙和氣泡艙連接;輔艙作為備用艙，可用于應急救援，2艙之間設置閘門，使其能夠既相互獨立又相互連通。人閘艙如圖6所示。

物料艙是在進艙作業過程中向艙內輸送或與外界相互傳遞機具、材料和刀具等物資的通道。飽和帶壓進艙更換刀具的設備還包括地面生命保障系統、運輸車、吊機、固定平臺等。其中生命保障系統由控制室、氧氣站、空壓機、備用發電機等組成。

圖5 穿梭艙Fig.5 Shuttle lock

圖6 人閘艙Fig.6 Man lock

2.4 呼吸氣體

飽和法開艙方法作業人員呼吸的是氦氧混合氣體，避免了呼吸壓縮空氣情況下氮麻醉現象的發生，安全性好。飽和法開艙技術所需氣體主要包括:

1)5%的氦氧混合氣體。氣體成分主要包括5%的氧氣、75%的氦氣和20%的氮氣，是飽和法開艙技術中主要使用的氣體類型，是進艙人員整個開艙過程中呼吸的主要氣體。

2)10%的氦氧混合氣體。氣體成分主要包括10%的氧氣、55%的氦氣和35%的氮氣。

3)醫用氧氣。主要用于調控生活艙及穿梭艙氧氣含量以及減壓病的治療。

2.5 飽和法盾構開艙技術工藝流程

飽和法帶壓作業時作業人員首先進入生活艙，用混合氣體加壓生活艙和穿梭艙，使生活艙和穿梭艙壓力與泥水艙作業壓力相同。待作業人員適應后，穿梭艙與生活艙對接，作業人員進入穿梭艙;穿梭艙用吊機放置在運輸車上，固定好以后運送到隧道內;穿梭艙運送至3號臺車下部后用口字型構件吊機放置在軌道上，通過軌道滑行至管片拼裝機底部;再通過管片拼裝機旋轉至固定平臺上與人閘艙副艙對接。作業人員從穿梭艙進入人閘艙開始刀具更換作業。

作業完成后，作業人員從人閘艙返回穿梭艙，穿梭艙運回地面。在穿梭艙和生活艙對接前采用混合氣體對穿梭艙進行洗艙，使穿梭艙內的混合氣體含量達到標準要求后再與生活艙對接，作業人員從穿梭艙進入生活艙內休息。飽和帶壓更換刀具完成一個工作循環。開艙作業流程圖見圖7。

圖7 盾構開艙技術工藝流程Fig.7 Working procedure of hyperbaric operation in shield tunneling

2.6 醫療保障及安全措施

壓氣條件下飽和法盾構開艙作業需在高壓空氣環境中長時間工作，因此進艙人員需經過嚴格體檢和培訓后方可進艙作業。體檢主要參照《職業潛水員體格檢查要求》進行體檢，檢查項目主要包括一般檢查、各科常規檢查、特殊檢查和輔助檢查。特殊檢查包括肺功能檢查、咽鼓管功能，加壓試驗，氧敏感試驗。此外，由于進艙人員需在生活艙內持續居住14～24 d，因此還需要對進艙人員進行心理測試和評估。

飽和法盾構開艙作業人員需要在高壓空氣環境中一次工作4～6 h，在高壓環境中如果減壓過快，機體組織溶解的氣體無法及時排出，將在機體組織和血液中以氣泡形式存在產生病理綜合癥，并且在加壓過程中因體內含氣體的氣壓與周圍環境壓力不平衡而可能引起氣壓壓傷病癥。因此在整個開艙過程中，高壓氧醫生應攜帶必備醫療器械及救護車輛分班次在人閘艙外值班，一旦人員出現病癥能及時處理。

在整個飽和法盾構開艙作業期間，需隨時保證艙內人員與艙外人員聯系暢通。作業前詳細檢查盾構各個設備，特別是空氣壓縮機，確保設備的安全運作，發現問題及時解決。另需派專人值守空氣壓縮機，觀察空壓機供氣是否正常(即空壓機壓力是否穩定)，發現問題立即處理。進艙作業過程中出現異常情況時，應立即出艙，停止開艙作業。

3 工程應用效果

在盾構掘進約593環位置時，刀盤扭矩異常增大，盾構地處強風化粉砂巖、中風化砂巖區域，經判斷需停機進行刀具的檢修與更換。首先計算出中心切口水土壓力為0.63 MPa，而后進行泥漿調制并形成穩定性好的泥皮+滲透帶形式的泥膜，待泥膜形成以后，通過排漿管降低泥水艙液面，液面降到盾構中心以下2.5 m的高度后帶壓更換刀具的準備工作完成。而后，作業人員從約0.63 MPa生活艙中進入穿梭艙，穿梭艙運至盾構處通過管片拼裝機旋轉至固定平臺上與人閘艙副艙對接。作業人員從穿梭艙進入人閘艙開始刀具更換作業，一次作業時間約為4 h。作業完成后，作業人員從人閘艙返回穿梭艙，同時開始回升泥水艙泥漿液面，修復掌子面泥膜;穿梭艙被運回地面，作業人員從穿梭艙進入生活艙內休息，這樣飽和帶壓更換刀具完成一個工作循環。如此重復待一次停機飽和法開艙作業完成后，工作人員在生活艙內進行一次性減壓，減壓共分為10個階段，當壓力減小到0.12 MPa時，作業人員開始吸氧，直至減壓結束，至此一個作業循環全部完成。

南京緯三路過江通道工程分為S線和N線2條隧道，其中S線隧道盾構段全長約4 135 m，共計2 070環，穿越粉砂巖總計560 m。從2013年9月10日至2014年6月26日先后停機進艙檢修及更換刀具6次，更換滾刀及刮刀300余把，采用飽和法進艙作業約240次，共計飽和帶壓進艙作業1 000 h。如果采用常規的壓縮空氣進艙初步預計需上萬小時的作業，且相關費用會增加20倍左右。截至目前本工程飽和法進艙作業人員尚未出現減壓病病例，由此可以得出飽和法開艙作業具有高效率、高效益及作業安全等優勢，可成功處理盾構隧道施工中遇到無法采用常規方式進行停機檢查或刀具更換等作業的施工難題。

4 結論與討論

1)飽和法開艙作業適用于復雜地質條件下，盾構開艙作業工作量較大的復合式泥水平衡盾構工程，當前研究限于工作壓力為0.5～0.7 MPa。

2)應用飽和法開艙技術時停機位置刀盤前方周圍地層需通過泥漿滲透形成穩定泥膜，保證開挖面具有良好的氣密性，滿足保壓效果。

3)飽和法開艙作業技術作業人員呼吸專用的壓縮氦氧混合氣體(以氦氣代替空氣中的氮氣)，可降低作業人員呼吸阻力、避免氮麻醉情況的發生。應用完善的生活艙、穿梭艙等相關配套設施，規避了常規壓縮空氣進艙時每班次必須加壓減壓的過程，極大地降低了進艙作業人員患減壓病的風險。

4)飽和法開艙作業每班次工作時間可達4～6 h，且每班次作業前后無需加壓減壓(綜合比較每班次作業時間是常規壓縮空氣進艙作業時間的20倍)，可見飽和法開艙作業工作效率高，可大幅縮短工期。

綜上可知，飽和法開艙作業可安全、高效地處理盾構施工中無法采用常規方式進行刀盤檢查、刀具更換等施工作業難題，提高了盾構對復雜地層的適應性，拓寬了盾構的適用范圍，對同類施工問題處理具有較高的參考價值。

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