盾構法施工超高水壓換刀技術研究

陳 饋

(1.中鐵隧道集團盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南鄭州 450001;2.天津大學，天津 300192)

0 引言

目前，國內盾構施工高水壓(0.35 ～0.68 MPa，0.68 MPa以上為超高水壓)工況下更換刀具及觀察開挖艙掌子面地層情況一般采用進艙作業(yè)的方式，進艙換刀主要有敞開式進艙(較好地質條件下)、帶壓進艙及低壓限排進艙等，具體采用何種方式需要根據(jù)進艙目的、檢查工作內容、盾構形式及停機所處位置的水文地質情況來決定。

帶壓進艙基本適用于盾構施工的各種地層，特別針對掌子面自穩(wěn)能力差及富水地層，如全斷面軟弱地層、軟硬不均富水地層、破碎帶等不良地層，采用帶壓進艙換刀是最安全的作業(yè)方法，但帶壓進艙工效較低［1－2］。目前，帶壓進艙換刀有壓縮空氣(即常規(guī))帶壓進艙換刀和飽和氣體帶壓進艙換刀2種模式。采用壓縮空氣作為呼吸空氣，最大潛水深度是50 m左右;采用可呼吸飽和氣體，潛水深度可大于800 m，采用潛水工作的方法可以連續(xù)工作幾天甚至幾個星期。因此，出現(xiàn)了潛水與飽和氣體相結合的工法，擴展了該工法在地下工程領域的應用范圍［3－6］。

前人關于盾構換刀技術的研究主要有:赫學林等［7］總結了土壓盾構在上軟下硬特殊地層條件下的加固換刀方法，實現(xiàn)了低成本及短時間的恢復掘進;段浩等［8］以成都地鐵1號線盾構隧道工程為例，提出了適合富水砂卵石地質條件的合理換刀方案;魯號等［9］研究了深圳地鐵1號線盾構穿越軟硬復合地層時的最優(yōu)換刀方案;程新軍［10］以南水北調中線一期工程為例，總結了土壓盾構換刀風險常規(guī)控制方法;曹宏亮等［11］以AVN2440DS泥水平衡盾構為例，分析了其在城陵磯長江穿越隧道施工過程中所采用的快速常壓換刀技術;程明亮等［12］基于北京鐵路地下直徑線工程盾構工程，總結了大埋深富水砂卵石地層泥水盾構施工中帶壓換刀技術;賀婷［13］探討了泥水盾構在淺覆土砂層施工中的帶壓換刀施工工藝。以上研究主要集中于土壓平衡盾構換刀技術，而對于泥水盾構在(超)高水壓下?lián)Q刀技術的研究較少。本文從換刀裝置、換刀模式等方面詳細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。

1 高水壓換刀裝置研究

1.1 帶壓進艙換刀裝置

盾構人艙包括主艙和副艙，安裝在盾構的中上部(見圖1)。人艙安裝有溫度計和壓力計等，每個人艙均可在艙內或艙外進行升壓或減壓操作。人艙外安裝有壓力計，顯示主艙、緊急人艙以及開挖艙內的壓力，條帶記錄機實時記錄壓力的變化。

圖1 盾構人艙Fig.1 Man lock of shield

目前，國內在壓縮空氣條件下帶壓進艙下最高壓力可以達到0.65 MPa，在如此高壓條件下作業(yè)，大大增加了工作人員出現(xiàn)“減壓病”的風險。通過國內外技術交流，普遍認為進艙壓力在0.45 MPa以下宜采用常規(guī)壓縮空氣進艙，高于0.45 MPa則需采用飽和惰性混合氣體法進艙。如果在超高壓條件下采用飽和氣體法進艙，同時還需要配備飽和居住艙(見圖2)、中間對接運輸艙(見圖3)和醫(yī)療艙(見圖4)。

1.2 高壓條件下常壓換刀裝置

對于直徑大于14 m的盾構，刀盤可以進行單獨設計，即刀盤輻條內部設計成空腔，施工人員可以在常壓下進入該空腔內檢查和更換刀具，從而避免了施工人員帶壓進入開挖艙檢查及更換刀具;對于直徑小于14 m的盾構，由于受刀盤尺寸的限制，較難進行這種設計，所以不具備此項功能。由于目前國際上直徑大于14 m的盾構數(shù)量較少，故采用這種常壓檢查及更換刀具的施工實例較少。南京長江隧道項目首次在國內進行常壓下刀具的檢查及更換，避免了高壓進艙檢查及刀具更換，取得了較好的效果［14］。

可在常壓下更換的刀具主要由刀齒、刀座、固定螺栓、刀腔和閘門等組成，刀齒和刀座通過固定螺栓連接為整體，安裝固定在刀腔內，刀腔焊接在刀盤上，可利用專用螺桿使刀齒和刀座沿刀具軸線方向在刀腔內前后移動(見圖5)。由于滾刀安裝機構的復雜性，目前尚無用于滾刀的常壓換刀裝置，這也是今后需進一步研究的方向。

圖5 常壓換刀裝置結構示意圖Fig.5 Structure of device to replace cutters under atmospheric pressure

2 開挖面透氣標準及控制措施

2.1 開挖面透氣標準

1)滿足穩(wěn)定開挖面需求。壓縮空氣氣壓大小的確定與覆土厚度、工程地質、水文等條件密切相關，而由于地質條件的多變性，往往使壓縮氣體施工法難以達到預期的效果，故作業(yè)前必須仔細分析兩者之間的關系。壓縮空氣對開挖面的穩(wěn)定作用主要有3點:①阻止開挖面涌水及坍塌;②壓縮氣體本身的擋土功效，能夠對開挖面的穩(wěn)定起到輔助作用;③由壓氣產(chǎn)生的圍巖脫水作用提高了粉砂、黏土層或含有粉砂黏土成分的砂質土的強度。

壓縮空氣的效果還受圍巖條件影響，故在帶壓進艙前，應充分調查土的顆粒級配、透水性、透氣性及地下水的狀態(tài)等。在施工過程中，應仔細觀察開挖面的狀態(tài)，嚴密觀察并記錄補氣量，及時通知到下一施工工序。

2)確保作業(yè)人員健康與安全。為確保作業(yè)人員的健康與安全，在高壓作業(yè)時氣體壓力波動應小于0.01 MPa，故采用該壓縮氣體工法進艙換刀時，應嚴格確保補氣量與地層漏氣量處于平衡狀態(tài)。如果地層漏氣量大，補氣量難以平衡，則必須采取措施降低地層的透氣性。

2.2 盾構帶壓換刀中漏氣原因

根據(jù)盾構帶壓進艙作業(yè)的特點，帶壓換刀過程中(盾構設備完好前提下)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象的原因主要是源于地層，具體可分為2個方面:1)掌子面地層漏氣。若地層孔隙率較大，掌子面未能充分形成良好的泥膜，則壓縮空氣會向地層中逃逸而造成漏氣。2)盾殼周圍地層漏氣。當?shù)侗P艙內的泥漿液位降低時，盾殼上部的泥漿將下降，從而使盾殼上部形成氣體逃逸通道。

2.3 帶壓進艙換刀氣密性控制措施

提高盾構氣密性是保證帶壓進艙換刀安全性的前提，針對可能造成盾構帶壓換刀過程中漏氣的原因，可從以下方面采取適當措施。

1)根據(jù)盾構運行狀況，在預計的帶壓進艙換刀點前5～15 m開始提高泥漿質量，制備比重為1.05、黏度為18～20 s的新鮮泥漿來攜碴循環(huán)，使高黏度泥漿充分滲入到盾殼周圍地層中，形成良好的泥膜，以保證盾殼周圍地層不會漏氣［15］。

2)檢查盾構本身的氣密性，包括人艙、氣墊艙門的密封性，同步注漿管路、中盾注脂孔、超前注漿孔、沖刷管等各個管路閥門關閉后的密封性，防止因盾構設備本身密封不嚴而造成漏氣。

3)加強同步注漿量，保證至少有4根同步注漿管通暢，且能夠同時注漿。在不超過盾尾密封油脂的注脂壓力前提下，適當提高同步注漿壓力，以使同步注漿系統(tǒng)的漿液充分填充管片壁后的空隙，并充分滲入到地層的空隙中，并配合二次注漿來隔斷壓縮空氣向管片壁后地層中逃逸的通道。

4)盾構到達預定的帶壓進艙換刀地點后，主要采取泥漿置換和向中盾及盾尾注入高濃度泥漿及堵漏劑的方法來增加氣密性，防止氣體逃逸。具體施工方法如下:①盾構停機后先進行泥漿循環(huán)，將刀盤艙內切屑下的渣土完全循環(huán)出地面，使刀盤艙內全部為泥漿充填。②在新漿池拌制高黏度泥漿，并適量添加Ⅱ型制漿劑(堵漏劑)。泥漿黏度控制在90～100 s，比重為1.05，新漿拌制總量為刀盤艙內總容量。③向盾尾注入高濃度泥漿。在地面攪拌站拌制高濃度膨潤土漿，并添加堵漏劑或細鋸末，通過同步注漿管路向盾尾脫出的管片壁后注入高濃度泥漿。注漿壓力根據(jù)停機點的靜止水土壓力之和設定，一般壓注泥漿的最終壓力比該點水土壓力和大0.05～0.1 MPa。④向中盾壁后注高濃度泥漿。向盾尾注入高黏度泥漿完成后，利用中盾預留的6個注脂口向盾殼背后注入高黏度泥漿。漿液拌制及漿液配比同第③步，采用同步注漿系統(tǒng)間隔跳孔進行注漿，注漿壓力控制在比刀盤艙對應位置的壓力大0.02 MPa左右。注漿順序是先向下部注入比重為1.2左右的大比重泥漿，然后在上部注入比重為1.05左右的小比重泥漿，發(fā)現(xiàn)盾構氣墊艙液位上升10%后停止注漿，更換位置再繼續(xù)注入。⑤在刀盤艙內置換高黏度泥漿。首先將新拌制的高黏度泥漿從新漿池通過泥漿管輸送到盾構儲存罐中，然后在刀盤艙內開始置換泥漿，直至置換完成。⑥泥漿置換完成后，即開始緩慢轉動刀盤5～10 r。⑦開始保壓，保壓壓力要比起始壓力高0.03～0.05 MPa，保壓時間不得小于3 h。⑧為防止盾殼周圍填充的高黏度泥漿流失，在刀盤艙保壓期間，應繼續(xù)向中盾壁后補注高黏度泥漿，發(fā)現(xiàn)氣墊艙液位上升即停止注漿。⑨帶壓進艙期間，根據(jù)補氣量情況向中盾補注高黏度泥漿和補充新的高質量泥漿［16］。如果補氣量大、漏氣嚴重，則必須重新對刀盤艙重新置換高黏度泥漿，以確保掌子面的氣密性，同時向中盾補注高黏度泥漿。高分子聚合物泥漿效果見圖6。

圖6 高分子聚合物泥漿效果圖Fig.6 Effect of high molecular polymer slurry

3 超高水壓作業(yè)模式研究

目前，超高水壓作業(yè)中已經(jīng)出現(xiàn)潛水、飽和氣體和壓縮空氣相結合的工法，綜合國內外帶壓作業(yè)技術現(xiàn)狀，一般根據(jù)不同的工作壓力來確定高水壓作業(yè)方式(見表1)。

表1 高水壓作業(yè)方式Table 1 Modes of hyperbaric operation

國外高水壓作業(yè)工法已成功用于易北河第4條隧道(工作壓力超過0.5 MPa)、“Weser”河隧道工程(工作壓力超過0.55 MPa)及“Westerschelde”隧道工程(工作壓力最大0.85 MPa)。中鐵隧道集團有限公司在武漢長江隧道工程施工過程中，成功帶壓潛水進倉作業(yè)(工作壓力達0.45 MPa)，打撈、修復損壞的泥漿門，創(chuàng)造了國內盾構在水底高水壓帶壓潛水作業(yè)的新紀錄，社會經(jīng)濟效益顯著。帶壓作業(yè)時，如果采用壓縮空氣，作業(yè)人員會隨壓力的增加而引起氮中毒。工作壓力超過0.85 MPa，壓縮空氣就不能再使用了，需采用飽和氣體，用氦氣代替空氣中的氮氣?；旌蠚怏w的配比通常是依據(jù)所需壓力的特性、保證工作人員在壓力下工作數(shù)天或數(shù)周而配制的，以減少“減壓病”的發(fā)生。在超高水壓條件下進行帶壓作業(yè)技術含量高，潛水員經(jīng)常處于危險的加壓與減壓交替過程中，他們需經(jīng)長期的訓練才能滿足高難度的高壓換刀作業(yè)要求。

3.1 飽和氣體潛水作業(yè)

目前，世界上利用飽和氣體潛水作業(yè)最大模擬潛水深度為700 m，其作業(yè)程序為:首先，潛水作業(yè)人員進入高壓居住艙，按照加壓表緩慢加壓至預定壓力;然后，觀察其作業(yè)人員在全天高壓環(huán)境下的身體、心理及生活狀態(tài)，確認安全后，再將中轉艙與生活艙對接，潛水作業(yè)人員進入轉運艙，轉運艙下潛至預定深度(即與艙內同等壓力)，打開中轉艙艙門，人員出艙開始工作(見圖7)。

3.2 飽和氣體盾構進艙換刀

目前，世界上盾構施工利用飽和氣體進艙作業(yè)最大壓力為0.85 MPa，德國北海潛水公司進行飽和氣體進艙試驗已經(jīng)達到1.2 MPa。飽和氣體帶壓進艙換刀程序為:首先，換刀作業(yè)人員進入高壓居住艙，按照加壓表緩慢加壓至預定壓力;然后，全天觀察作業(yè)人員在高壓環(huán)境下的身體、心理及生活狀態(tài)，確認安全后，將中轉艙與生活艙對接，進艙換刀作業(yè)人員進入轉運艙;接著，將中轉艙轉移到盾構人艙進行對接，打開中轉艙進入盾構人艙;最后，到達刀盤艙開始工作(見圖8)。

圖7 超高壓飽和潛水作業(yè)流程示意圖Fig.7 Procedure of operation under ultra-high saturated water pressure

超高水壓進艙換刀的程序可概括如下。

1)進艙人員進入盾構自備的高壓生活艙加壓、生活。

2)轉運艙加壓至生活艙相同壓力，然后生活艙、轉運艙對接，調整兩艙室壓力，待平衡后，人員進入轉運艙。

3)利用運輸車輛將轉運艙送到盾構主機人艙區(qū)域。

4)轉運艙與盾構主人艙對接，盾構主人艙加壓至轉運艙同等壓力，調整兩艙室壓力，待平衡后，人員進入盾構主人艙，最后到達刀盤區(qū)域進行換刀作業(yè)。

圖8 盾構超高壓進艙換刀示意圖Fig.8 Procedure of replacing cutters of shield under ultra-high pressure

3.3 方案對比分析

由3.1和3.2分析可以看出，飽和潛水作業(yè)與盾構飽和進艙作業(yè)工法、原理是相同的，僅僅是工作環(huán)境和所處介質不同而已。飽和潛水作業(yè)所處工作環(huán)境為海(湖)底，介質為海(湖)水;盾構帶壓進艙作業(yè)所處環(huán)境為刀盤艙，介質為艙內壓縮空氣。原理在本質上是相同的，故可以判定盾構在超高壓(可達7 MPa)下可實現(xiàn)進艙換刀作業(yè)。但是由于目前國內盾構施工領域尚沒有超高壓條件下作業(yè)的相關規(guī)范及行業(yè)標準，所以還需要聯(lián)合國內知名盾構制造商、專業(yè)潛水公司及海軍潛水隊進行精細研究和實驗，不斷摸索、提高和熟練掌握盾構超高壓進艙技術，包括不同壓力條件下混合氣體的配比、加壓及減壓標準等。

4 飽和氣體超高壓作業(yè)關鍵技術

4.1 壓縮氣體壓力確定

設定確保開挖面穩(wěn)定和防止涌水所必須的最低壓縮氣體壓力，以避免施工對周邊環(huán)境及附近地區(qū)產(chǎn)生影響。一般，在不發(fā)生漏氣和噴發(fā)的情況下，設定壓力越高，開挖面穩(wěn)定效果越好，而壓力越高勢必影響帶壓作業(yè)工作效率和人員健康。因此，必須綜合研究上述情況，選擇最合適的壓縮氣體壓力［17］。

4.2 漏氣對策

在超高壓縮氣體下作業(yè)時，為了防止漏氣和噴發(fā)等現(xiàn)象發(fā)生，要充分研究事前調查結果并采取相應的措施，制作高質量和高性能泥膜，盾構中盾及尾盾要充分注漿(防止壓縮空氣從隧道結構頂部向后逃逸)，同時在施工過程中應注意壓氣壓力和送氣量的變化。

4.3 升壓和減壓控制

為了避免帶壓作業(yè)人員發(fā)生“減壓病”，相關國家對最大氣壓和不同氣壓的工作時間及減壓過程進行了實驗，并制定了相應的減壓表。外國減壓圖如圖9所示。

圖9 外國減壓圖Fig.9 Decompression curves adopted in foreign countries

4.4 超高壓作業(yè)要點

超高壓條件下進艙作業(yè)，有效工作時間和所需要減壓時間之間的比例目前在國內沒用相應的標準，為了保證進艙工作人員在超壓下工作的健康和安全，其作業(yè)要點如下:

1)在高壓下盡可能減少作業(yè)時間。

2)配備高壓輔助作業(yè)人員，聯(lián)系工作人員和合格的高壓醫(yī)生及高壓心理醫(yī)生(因為飽和氣體進艙作業(yè)一般延續(xù)時間較長，作業(yè)人員長期處于高壓枯燥的生活環(huán)境中，會出現(xiàn)心理失衡、焦躁不安、食欲不振等相關反應，這都需要心理醫(yī)生進行及時疏導)。

3)超壓工作人員必須嚴格體檢并進行專門高壓培訓。

4)第1次在超壓下進行作業(yè)之前，在應急室內對全體工作人員進行額外的“高壓檢測”。

5)為作業(yè)人員設置警報及監(jiān)控系統(tǒng)，醫(yī)生和潛水員隨叫隨到。

6)油性、揮發(fā)性及可燃性物品不得進入艙內，若需要帶入酒精和藥品，應嚴格控制數(shù)量，并采取有效的防護措施。

7)在加壓過程中如發(fā)現(xiàn)嚴重漏氣、管道損壞、儀表失靈及控制系統(tǒng)故障時，操作人員應及時采取有效措施來保證艙壓，并及時排除故障。

8)高壓艙室系統(tǒng)應指定專人管理、使用，所有系統(tǒng)均應保持完好。

9)高壓艙和各種設施及物品進艙期間嚴禁隨意拆卸或挪用，不得亂動室內設備，更不要擰動控制臺上的儀表和閥門。

10)高壓艙設備應定期進行維護保養(yǎng)，并按國家對高壓容器的使用規(guī)定進行檢修和檢驗。

5 結論與討論

1)從盾構施工裝備層面對常壓換刀裝置、超高水壓作業(yè)設備的配置等進行了研究，得出采用常壓換刀裝置不僅能提高換刀效率，減少施工風險，而且已經(jīng)在盾構工程中得到初步應用。

2)超高水壓工況下的飽和氣體盾構進艙作業(yè)原理與飽和氣體潛水作業(yè)原理基本相同，可行性較強，相信隨著科技發(fā)展，飽和氣體進艙作業(yè)技術一定會得到成功應用。

3)從盾構施工技術層面對超高水壓進艙換刀開挖面透氣控制標準與降低開挖面透氣性的措施、超高水壓作業(yè)程序及超高水壓作業(yè)模式的確定等進行了研究，為我國盾構施工過程中超高水壓工況下進行換刀提供了一定的思路。

隨著我國城市建設的發(fā)展，跨江越海等水底隧道越來越多，為適應水底隧道盾構法技術的大深度化施工需求，超高水壓條件下盾構刀具更換技術仍需進一步研究。

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