泥水盾構(gòu)在富水砂層中帶壓進(jìn)倉(cāng)技術(shù)

王付利/WANG Fu-li

(中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201)

隨著我國(guó)越來(lái)越多的地下空間被開(kāi)發(fā)利用，特別是近年城市地鐵、引水管道、輸氣工程等隧道項(xiàng)目大量建設(shè)，軟弱富水砂層地質(zhì)中泥水盾構(gòu)隧道施工技術(shù)被廣泛應(yīng)用,但需要進(jìn)行倉(cāng)內(nèi)檢修刀具及其他設(shè)備時(shí)，往往因地面條件限制不能實(shí)施常規(guī)加固措施，從而無(wú)法達(dá)到常壓開(kāi)倉(cāng)的條件，帶壓進(jìn)倉(cāng)技術(shù)因其不受地面條件的限制，常常被應(yīng)用于穿江過(guò)海的泥水盾構(gòu)施工中，南昌地鐵1號(hào)線(xiàn)泥水盾構(gòu)穿越贛江區(qū)間，泥水盾構(gòu)在上軟下硬地層（上部砂層，下部泥質(zhì)粉砂巖）成功的帶壓進(jìn)倉(cāng)經(jīng)驗(yàn)，可為國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況與進(jìn)倉(cāng)地質(zhì)情況

南昌地鐵1號(hào)線(xiàn)泥水盾構(gòu)穿越贛江區(qū)間（秋水廣場(chǎng)站－中山西路站）主要在贛江下穿行，隧道埋深5.4～21.50m,最大縱坡28‰，全長(zhǎng)1 889.518m。區(qū)間上行線(xiàn)采用NFM-07泥水盾構(gòu)施工，隧道掘進(jìn)至178環(huán)時(shí)，出現(xiàn)盾構(gòu)破碎機(jī)系統(tǒng)漏油，且刀盤(pán)刀具被泥砂包裹，扭矩增大導(dǎo)致掘進(jìn)困難等情況。由于泥漿門(mén)被固定且盾構(gòu)處于上軟下硬地層，無(wú)法常壓進(jìn)行處理，需帶壓進(jìn)倉(cāng)修復(fù)破碎機(jī)及清除刀盤(pán)刀具包裹的泥砂。

進(jìn)倉(cāng)位置地層為上部砂卵石，下部泥質(zhì)粉砂巖的復(fù)合地層，隧道中心埋深標(biāo)高約19.5m。隧道斷面范圍內(nèi)，上部約3.4m范圍內(nèi)為砂卵石，下部約2.8m范圍內(nèi)為強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，地下水位標(biāo)高在13m左右。

2 盾構(gòu)倉(cāng)室結(jié)構(gòu)

開(kāi)挖倉(cāng)和氣墊倉(cāng)是泥水盾構(gòu)泥漿環(huán)流系統(tǒng)的重要組成部分，它們通過(guò)一道隔板分開(kāi)，并通過(guò)泥漿門(mén)連通，人員可通過(guò)一扇艙門(mén)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)室轉(zhuǎn)換。開(kāi)挖倉(cāng)是泥水盾構(gòu)進(jìn)行隧道掘進(jìn)的碴土和泥漿的混合倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)充滿(mǎn)泥漿，進(jìn)倉(cāng)前需進(jìn)行空氣置換；氣墊倉(cāng)是通過(guò)壓縮空氣壓力的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定開(kāi)挖面的倉(cāng)室，倉(cāng)內(nèi)一般上部為壓縮空氣，下部為新舊泥漿交換區(qū)域。

人倉(cāng)由主室和通道室組成，主室用于人員進(jìn)出及連接前盾,通道室用于增加人員以及設(shè)備物資等的倒運(yùn)。主室通過(guò)一道壓力門(mén)與氣墊倉(cāng)相通,圖1為人倉(cāng)結(jié)構(gòu)圖。

3 進(jìn)倉(cāng)準(zhǔn)備工作

3.1 停機(jī)前的注漿密封作業(yè)

泥水盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉(cāng)前需對(duì)盾尾管片接縫、盾殼與地層間隙采用高粘度泥漿密封，防止泥水倉(cāng)在保壓過(guò)程中，氣體通過(guò)盾尾管片接縫、盾殼與地層間隙竄通泄漏，造成泥水倉(cāng)保壓不穩(wěn)定，影響作業(yè)安全。一般采用在盾尾后兩環(huán)管片開(kāi)孔注入高粘度泥漿，利用泥漿的黏度進(jìn)行盾尾封堵。

圖1 人倉(cāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

盾尾高粘度泥漿每立方米配合比為：50kg(谷糠)∶300kg（膨潤(rùn)土)∶200kg（Ⅰ型專(zhuān)用盾構(gòu)制漿劑)∶1 000kg（水）。每環(huán)注漿量控制在3.5m3左右，在施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)注入壓力控制注入量。

3.2 倉(cāng)內(nèi)中心氣壓的計(jì)算和設(shè)定

倉(cāng)內(nèi)中心氣壓的合理設(shè)定，關(guān)系到開(kāi)挖倉(cāng)圍巖的穩(wěn)定，是帶壓進(jìn)倉(cāng)成敗的關(guān)鍵。氣壓設(shè)置過(guò)低，泥漿不能很好地滲透到地層中去，泥膜形成質(zhì)量差，地層中水易破壞泥膜導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)，形成漏氣坍塌；氣壓設(shè)置過(guò)高，高壓空氣易穿透并破壞泥膜，形成漏氣坍塌，同時(shí)過(guò)高的氣壓設(shè)置，會(huì)給進(jìn)倉(cāng)人員形成多余的負(fù)擔(dān)，影響工作效率。一般地，倉(cāng)內(nèi)中心氣壓的設(shè)定采用以下公式計(jì)算，同時(shí)在泥膜形成的過(guò)程可適當(dāng)增大氣墊倉(cāng)中心氣壓0.2bar左右，以便形成質(zhì)量較高的泥膜，待置換完成泥漿人員進(jìn)入時(shí)再恢復(fù)正常設(shè)定氣壓。

式中 α—土壓力系數(shù)；

γ—圍巖重度；

ha—隧道計(jì)算圍巖高度；

β—地下水影響折減系數(shù)；

hw—水位差；

γw＝ 10kN/m3；預(yù)壓P預(yù)＝0.20～0.30bar。

3.3 泥漿的制備和泥膜的形成

盾尾泥漿密封工作完成，并通過(guò)效果檢查后，需在開(kāi)挖面建立泥膜，防止進(jìn)倉(cāng)期間高壓氣體從開(kāi)挖面向地層中泄漏，同時(shí)泥膜在保壓氣體的作用下，還起到穩(wěn)定開(kāi)挖面，隔斷砂層中地下水向開(kāi)挖面內(nèi)滲透，所以，開(kāi)挖面泥膜的形成質(zhì)量是能否安全進(jìn)倉(cāng)作業(yè)的決定性因素。

開(kāi)挖倉(cāng)泥膜由膨潤(rùn)土、制漿劑和水拌制的高粘度泥漿形成，通過(guò)注漿機(jī)注入刀盤(pán)倉(cāng)后，適當(dāng)提高刀盤(pán)壓力，通過(guò)一定的時(shí)間使泥漿滲入砂層中，形成一定厚度并密實(shí)的泥膜。泥膜泥漿每立方米配合比為:100kg（膨潤(rùn)土)∶10kg（Ⅰ型專(zhuān)用盾構(gòu)制漿劑)∶30kg（Ⅲ型專(zhuān)用盾構(gòu)制漿劑)∶1 000kg(水），粘度控制在90～150S、比重控制在1.10～1.15。每倉(cāng)泥膜注入量控制24m3左右（計(jì)算刀盤(pán)倉(cāng)的容積）。

泥漿注入前盡量降低氣墊倉(cāng)液位至氣墊倉(cāng)中心以下1.5m，高粘度泥漿用同步注漿機(jī)通過(guò)開(kāi)挖倉(cāng)上部?jī)筛M(jìn)漿管注入刀盤(pán)倉(cāng)，氣墊倉(cāng)液位會(huì)逐漸上升，當(dāng)上升超過(guò)氣墊倉(cāng)中心高度后，利用進(jìn)排漿泵的壓力差，緩慢降低氣墊倉(cāng)液位，即可把刀盤(pán)倉(cāng)下部普通泥漿排出倉(cāng)外，反復(fù)以上步驟，直到排漿管流出泥漿指標(biāo)為35～40S時(shí)，達(dá)到開(kāi)挖倉(cāng)泥漿置換完成。注意，氣墊倉(cāng)夜位降低過(guò)程中，禁止開(kāi)挖倉(cāng)進(jìn)入普通泥漿。

待刀盤(pán)倉(cāng)泥漿置換完成后，適當(dāng)?shù)奶岣邭鈮|倉(cāng)內(nèi)的壓力0.2～0.3bar，使泥水倉(cāng)內(nèi)泥水壓力稍高于理論計(jì)算壓力，并持續(xù)保壓等待3～4h之后，泥水倉(cāng)內(nèi)的泥漿滲入到地層，使掌子面形成比較穩(wěn)定的面膜。圖2和圖3為開(kāi)挖面形成的泥膜。

3.4 人員和物資準(zhǔn)備

進(jìn)倉(cāng)人員需身體健康，且經(jīng)過(guò)適合帶壓進(jìn)倉(cāng)的身體檢查后，方可進(jìn)行壓縮空氣下工作的培訓(xùn)，待考試合格后持證上崗，進(jìn)倉(cāng)人員以3人一組為宜。操倉(cāng)工作須有壓縮空氣下作業(yè)資質(zhì)的單位技術(shù)人員進(jìn)行。

圖2 開(kāi)挖面形成的泥膜

圖3 刀具刮痕下的泥膜

除進(jìn)倉(cāng)作業(yè)所需維修工具和材料外，應(yīng)準(zhǔn)備棉大衣、氣體檢測(cè)儀、醫(yī)用氧氣和呼吸面具、液態(tài)滅火器等必要的安全防護(hù)用品和器材。

4 進(jìn)倉(cāng)工作

4.1 進(jìn)倉(cāng)加壓和壓力保持

人倉(cāng)氣密性試驗(yàn)后，將醫(yī)用氧氣、耐高壓頭燈、照相機(jī)等材料、機(jī)具放入主倉(cāng)或通道倉(cāng)，帶壓作業(yè)人員進(jìn)入人倉(cāng)，關(guān)閉倉(cāng)門(mén)，準(zhǔn)備對(duì)人倉(cāng)加壓。

專(zhuān)業(yè)操倉(cāng)人員慢慢打開(kāi)進(jìn)氣閥，保持恒定升壓速度（非長(zhǎng)期從事帶壓作業(yè)人員升壓速度一般控制在0.5bar/min左右，長(zhǎng)期從事帶壓作業(yè)的專(zhuān)業(yè)人員升壓速度可達(dá)到0.7～1bar/min），向人倉(cāng)內(nèi)壓入壓縮空氣，直至達(dá)到設(shè)定壓力。達(dá)到設(shè)定壓力后，操倉(cāng)人員通知倉(cāng)內(nèi)人員打開(kāi)人倉(cāng)與氣墊倉(cāng)的連接閥門(mén)，使人倉(cāng)和氣墊倉(cāng)壓力平衡后進(jìn)入氣墊倉(cāng)。

人員進(jìn)倉(cāng)開(kāi)始工作后，應(yīng)保持倉(cāng)內(nèi)壓力的恒定，隨時(shí)觀察補(bǔ)氣量和保壓值，當(dāng)補(bǔ)氣量超過(guò)計(jì)算極限值或者保壓值波動(dòng)較大時(shí)，及時(shí)查明原因，緊急情況下應(yīng)立即啟用減壓、出倉(cāng)程序。人員倉(cāng)內(nèi)工作期間，應(yīng)定時(shí)向倉(cāng)內(nèi)通風(fēng)，保持倉(cāng)內(nèi)空氣新鮮。

4.2 倉(cāng)內(nèi)帶壓作業(yè)

加壓操作完成后，作業(yè)人員開(kāi)倉(cāng)進(jìn)入作業(yè)面。當(dāng)帶壓作業(yè)人員進(jìn)入工作狀態(tài)后，應(yīng)打開(kāi)人倉(cāng)外的卸壓球閥，以保證人員艙內(nèi)一定的通風(fēng)量，改善倉(cāng)內(nèi)的空氣質(zhì)量（主要是調(diào)節(jié)空氣中的氧氣、一氧化碳、二氧化碳含量）。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)隧道內(nèi)部通風(fēng)，以提高進(jìn)入壓力倉(cāng)空氣的質(zhì)量。一般而言，不同壓力下人體對(duì)各種含量參數(shù)的要求是不同的，這也是人體正常生理需求，進(jìn)倉(cāng)過(guò)程中要隨時(shí)根據(jù)不同的壓力調(diào)節(jié)不同的組成含量，主要是調(diào)節(jié)進(jìn)氣量。倉(cāng)內(nèi)通風(fēng)調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量時(shí)應(yīng)注意主倉(cāng)進(jìn)氣閥、主倉(cāng)排氣閥的使用方法，嚴(yán)格觀察控制各種氣體的含量及參數(shù)，以保證人員的安全。

帶壓作業(yè)人員系好安全繩、打開(kāi)高壓頭燈后，實(shí)施檢查或更換作業(yè)，輔助帶壓作業(yè)人員負(fù)責(zé)觀察作業(yè)人員工作、安全狀況，并保持與倉(cāng)外操倉(cāng)、醫(yī)護(hù)人員聯(lián)系，出現(xiàn)意外時(shí)對(duì)作業(yè)人員實(shí)施救援，并將險(xiǎn)情向倉(cāng)外人員報(bào)告，必要時(shí)，備用救護(hù)人員加壓進(jìn)入工作面，協(xié)助處理險(xiǎn)情。

帶壓作業(yè)期間，應(yīng)注意對(duì)開(kāi)挖面泥膜的保護(hù)。作業(yè)時(shí)若發(fā)生泥膜局部損壞，可采用膨潤(rùn)土稀泥貼補(bǔ)的辦法進(jìn)行處理；對(duì)刀盤(pán)刀具進(jìn)行泥砂清理時(shí)，可留置與開(kāi)挖面接觸層不進(jìn)行處理，若采用高壓水清理時(shí)，可將清理區(qū)域轉(zhuǎn)至粉砂巖地層處清理，注意沖洗時(shí)槍頭朝下，防止高壓水擊穿泥膜。

4.3 減壓出倉(cāng)作業(yè)

工作人員離開(kāi)氣墊倉(cāng)進(jìn)入主倉(cāng)。關(guān)閉主倉(cāng)與氣墊倉(cāng)之間的門(mén)和壓力擋板上作壓力補(bǔ)償用的閥門(mén)。人員倉(cāng)管理員打開(kāi)泄壓閥門(mén)開(kāi)始緩慢地降低主倉(cāng)中的壓力，并同時(shí)觀察壓力表和流量計(jì)。與此同時(shí)，人員倉(cāng)管理員打開(kāi)通風(fēng)閥門(mén)開(kāi)始通風(fēng)，但不升高壓力。繼續(xù)調(diào)節(jié)通風(fēng)閥門(mén)直到使得主倉(cāng)壓力能穩(wěn)定而緩慢下降，流量計(jì)的值必須保持0.5m3/min/人。當(dāng)主倉(cāng)內(nèi)的壓力降低到一定的值后，人員倉(cāng)管理員調(diào)節(jié)閥門(mén)保持此時(shí)壓力值。同時(shí)觀察流量計(jì)保持通風(fēng)良好。

在壓力保持階段，必須觀察壓力表和調(diào)節(jié)閥門(mén)保持壓力的正常。在降壓過(guò)程中主倉(cāng)內(nèi)的人員可打開(kāi)加熱系統(tǒng)，溫度范圍控制在15～28℃之間。此后，可打開(kāi)主倉(cāng)的倉(cāng)門(mén)，人員離開(kāi)主倉(cāng)。

5 人員減壓出倉(cāng)后的恢復(fù)性措施

由于人員帶壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)要承受超出常壓的大氣壓力，且壓縮空氣內(nèi)溫度較高，人員在加壓狀態(tài)下工作時(shí)，會(huì)有疲勞感，且需要在倉(cāng)內(nèi)從事高強(qiáng)度體力勞動(dòng)，因此，為保證進(jìn)倉(cāng)人員有充足的體力，進(jìn)倉(cāng)前、出倉(cāng)后24h內(nèi)禁止再?gòu)氖轮伢w力勞動(dòng)，確保得到充足睡眠和休息。

減壓出倉(cāng)后要對(duì)進(jìn)倉(cāng)人員進(jìn)行監(jiān)護(hù)（出倉(cāng)、2h、12h各一次），并進(jìn)行紀(jì)錄，發(fā)現(xiàn)異常立即送醫(yī)院進(jìn)行救治。為避免出現(xiàn)減壓病等癥狀，應(yīng)每半年對(duì)帶壓進(jìn)倉(cāng)人員進(jìn)行一次高壓氧艙內(nèi)的加壓、減壓恢復(fù)性療養(yǎng)。

6 結(jié) 語(yǔ)

泥水盾構(gòu)在上軟下硬的富水砂層中帶壓進(jìn)倉(cāng)技術(shù)含量極高，主要集中在開(kāi)挖面泥膜的形成和精確土壓力的計(jì)算方面，南昌地鐵1號(hào)線(xiàn)泥水盾構(gòu)在上軟下硬的復(fù)合地層成功的經(jīng)驗(yàn)，特別是高質(zhì)量泥膜的制備和精確的水土壓力計(jì)算，成功地解決了富水砂層帶壓進(jìn)倉(cāng)的技術(shù)困難和風(fēng)險(xiǎn)，可以為國(guó)內(nèi)類(lèi)似的工程作以參考，減小泥水盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉(cāng)的風(fēng)險(xiǎn)。