超大直徑泥水盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙換刀技術(shù)研究與應(yīng)用

吳忠善，楊 釗 ，楊 擎

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

0 引言

自1996年世界上第一個(gè)直徑大于14 m的超大直徑盾構(gòu)隧道工程——日本東京灣海底隧道工程建成至今，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)陸續(xù)建成了德國(guó)易北河第四隧道、綠色心臟隧道、馬德里M30環(huán)線隧道、崇明長(zhǎng)江隧道、南京緯七路長(zhǎng)江隧道、上海上中路隧道和上海軍工路隧道等超大型盾構(gòu)隧道，目前國(guó)內(nèi)在建的超大直徑泥水盾構(gòu)還有南京緯三路長(zhǎng)江隧道和錢(qián)江隧道等。

如今，過(guò)江及海底隧道呈現(xiàn)出了大直徑、長(zhǎng)距離、高水壓和開(kāi)挖面上軟下硬等特點(diǎn)。長(zhǎng)距離上軟下硬地層掘進(jìn)對(duì)于刀具的壽命提出了更高的要求，在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)刀具進(jìn)行修復(fù)或者更換是不可避免的，但由于地質(zhì)條件本身的復(fù)雜性、多變性和周邊條件的局限性，在開(kāi)挖面前方進(jìn)行土體加固從而實(shí)施常壓進(jìn)艙作業(yè)往往難以實(shí)現(xiàn)［1］。帶壓進(jìn)艙技術(shù)［2-3］以無(wú)需地層加固、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)周邊環(huán)境要求低和影響小等特點(diǎn)成為了目前復(fù)雜地質(zhì)條件下泥水盾構(gòu)進(jìn)艙作業(yè)的優(yōu)先選擇。

雖然國(guó)內(nèi)大直徑泥水盾構(gòu)施工已有了很多成功的實(shí)例［4-8］，但對(duì)超高水壓(0．68 MPa 以上)、強(qiáng)透水地層帶壓換刀技術(shù)的研究還處于起步階段［9］。帶壓進(jìn)艙作業(yè)是泥水盾構(gòu)施工的最大風(fēng)險(xiǎn)之一，安全、高效、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)艙作業(yè)技術(shù)是目前盾構(gòu)施工技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

1 泥膜及建膜技術(shù)

泥水盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙更換刀具，通常需要降低泥水艙液位，以方便帶壓進(jìn)艙作業(yè)人員作業(yè)。此時(shí)盾構(gòu)開(kāi)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(jìn)艙開(kāi)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(kāi)挖面，氣壓能平衡開(kāi)挖面的水土壓力。在強(qiáng)透水地層，大量的壓縮空氣會(huì)通過(guò)地層之間的孔隙攜帶細(xì)顆粒向上逃逸，加大地層孔隙造成氣壓不穩(wěn)定，無(wú)法平衡開(kāi)挖面的水土壓力。為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)透水地層開(kāi)挖面穩(wěn)定，需在開(kāi)挖面表面建立一層氣密性泥膜。

為了得到氣密性泥膜，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了泥膜滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)裝備如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖2 泥漿滲透成膜的實(shí)驗(yàn)裝置Fig．2 Filter membrane test devices

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(rùn)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(dá)到24 h。

2 帶壓換刀技術(shù)

2．1 帶壓作業(yè)流程

帶壓作業(yè)流程如圖3所示。

2．2 常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀與飽合潛水帶壓換刀

常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀人員呼吸的是壓縮空氣，作業(yè)人員直接進(jìn)入盾構(gòu)的壓力人閘，在人閘內(nèi)加壓后進(jìn)入泥水艙進(jìn)行換刀作業(yè)，作業(yè)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(tài)休息。

表1 泥膜氣密性試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of test on air tightness of filter membrane

飽合氣體帶壓換刀作業(yè)人員需一直生活在一定壓力的氦氧飽合氣體環(huán)境的地面生活艙內(nèi)，開(kāi)始作業(yè)時(shí)，由地面生活艙經(jīng)穿棱艙擺渡至盾構(gòu)，作業(yè)完成后，再由盾構(gòu)經(jīng)穿棱艙擺渡至地面生活艙，飽合氣體加壓作業(yè)人員運(yùn)輸流程如圖4所示。

采用常規(guī)壓縮空氣帶壓作業(yè)時(shí)，當(dāng)作業(yè)壓力超過(guò)一定限度(0．45 MPa)之后，作業(yè)人員患上減壓病及“氮麻醉”的風(fēng)險(xiǎn)將顯著增大，而且由于減壓時(shí)間會(huì)隨著作業(yè)時(shí)間及作業(yè)壓力的增加而增加，作業(yè)效率將大打折扣。

飽和氣體帶壓作業(yè)時(shí)呼吸的是由氦氣、氧氣和氮?dú)饨M成的混合氣體，避免了“氮麻醉”對(duì)身體造成的傷害，且避免了作業(yè)人員每次作業(yè)后繁瑣的減壓程序，使減壓時(shí)間并不隨著帶壓作業(yè)的延長(zhǎng)而增加，大大提高了工作效率。

圖3 帶壓作業(yè)流程圖Fig．3 Flowchart of hyperbaric intervention

圖4 飽合潛水作業(yè)人員運(yùn)輸流程Fig．4 Procedure of transporting of saturated divers

2．3 作業(yè)要點(diǎn)

常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀在盾構(gòu)人閘內(nèi)減壓，減壓作業(yè)由專業(yè)醫(yī)生操艙，專業(yè)操艙醫(yī)生要嚴(yán)格按照相關(guān)潛水作業(yè)規(guī)范所規(guī)定的減壓方案進(jìn)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(shí)開(kāi)始吸氧。

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

盾構(gòu)配置的刀具，特別是滾刀質(zhì)量較大，刀具的更換和搬運(yùn)須通過(guò)專用機(jī)具和人工搬運(yùn)相結(jié)合的方式來(lái)完成?？紤]到帶壓環(huán)境下作業(yè)人員的體力消耗遠(yuǎn)比常壓下同等作業(yè)要大，因此，應(yīng)盡量縮短搬運(yùn)路徑，減少倒運(yùn)次數(shù)，特別是垂直搬運(yùn)量。通常安排在時(shí)鐘的3點(diǎn)和9點(diǎn)位置拆裝刀具比較安全省力。

3 應(yīng)用實(shí)例

3．1 工程概況

南京市緯三路過(guò)江通道采用2臺(tái)直徑為14．93 m的泥水盾構(gòu)掘進(jìn)，開(kāi)挖直徑為15．01 m。隧道穿越江中段最大水壓為0．74 MPa。根據(jù)近10年河床監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，最薄覆土厚度僅為13．5 m。盾構(gòu)隧道沿線穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂、卵石、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖和中風(fēng)化粉砂巖，各地層分布圖如圖5所示。其中，中風(fēng)化粉砂巖區(qū)域位于江底，長(zhǎng)度為500 m，具有上軟下硬、上層礫砂與卵石層透水性強(qiáng)、巖層石英含量高和單軸抗壓強(qiáng)度大等特點(diǎn)。卵石層滲透系數(shù)高達(dá)6．8 m/d，對(duì)開(kāi)挖面泥膜形成非常不利，對(duì)在此地層形成氣密性泥膜提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。

3．2 帶壓換刀應(yīng)用實(shí)例

1)緯三路過(guò)江通道N線工程掘進(jìn)至513環(huán)進(jìn)行了首次帶壓進(jìn)艙換刀。帶壓換刀工位在盾構(gòu)泥水艙內(nèi)3點(diǎn)鐘位置，為了創(chuàng)造無(wú)水作業(yè)工作環(huán)境，需將泥水艙液位降低9 m，本次作業(yè)是國(guó)內(nèi)首次在大斷面砂卵石地層采用壓縮空氣支護(hù)進(jìn)行艙內(nèi)作業(yè)，該位置開(kāi)挖面地層示意圖如圖6所示。

針對(duì)該地段特殊的地質(zhì)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(kāi)挖面上形成氣密性良好的泥膜。帶壓作業(yè)過(guò)程中開(kāi)挖面泥膜部分圖片如圖7所示。

2)緯三路過(guò)江通道N線工程掘進(jìn)至江底段616環(huán)進(jìn)行了第2次帶壓進(jìn)艙換刀，本次換刀作業(yè)啟用了最高作業(yè)壓力0．65 MPa的飽和氣體帶壓進(jìn)艙作業(yè)。對(duì)于常規(guī)壓縮空氣作業(yè)，1 d(4個(gè)班次)最高效時(shí)僅可以完成1把質(zhì)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(yè)，1 d(2個(gè)班次)則可以實(shí)現(xiàn)3～5把19″雙刃滾刀的拆裝工作，其工作效率大大高于常規(guī)壓縮空氣作業(yè)。

本工程飽和潛水作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。

圖5 隧道軸線地質(zhì)斷面圖Fig．5 Geological profile of tunnel

圖6 513環(huán)開(kāi)挖面地層示意圖Fig．6 Geological profile of tunnel face at No．513 ring position

圖7 帶壓進(jìn)艙作業(yè)開(kāi)挖面泥膜Fig．7 Filter membrane on tunnel face during hyperbaric intervention

圖8 飽和潛水作業(yè)系統(tǒng)Fig．8 Saturated diving system

3．3 開(kāi)挖面漏氣應(yīng)急處理及分析實(shí)例

帶壓作業(yè)漏氣的原因主要有以下幾個(gè)方面:開(kāi)挖面漏氣、盾殼周?chē)貙勇?、盾?gòu)內(nèi)部管線漏氣和盾尾漏氣等［10］。一般來(lái)講，開(kāi)挖面與氣體接觸面積最大，開(kāi)挖面漏氣為帶壓作業(yè)漏氣的主要原因。地層漏氣時(shí)，氣體通過(guò)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(guò)程為氣壓作用下泥膜破損的過(guò)程，泥膜破壞將進(jìn)一步增大漏氣量，形成惡性循環(huán)。

3．3．1 開(kāi)挖面漏氣事例描述

2013年10月6日6點(diǎn)50分，完成降液位，通知帶壓進(jìn)艙作業(yè)人員進(jìn)艙作業(yè)。

7點(diǎn)10分，人員進(jìn)艙后發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)未轉(zhuǎn)到位，通知操作室轉(zhuǎn)刀盤(pán)。

7點(diǎn)20分，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到位。

8點(diǎn)15分至8點(diǎn)20分，空壓機(jī)出口壓力曲線驟降。

8點(diǎn)20分至8點(diǎn)35分，空壓機(jī)出口壓力降至與泥水艙壓力基本一致。

8點(diǎn)30分，立即通知艙內(nèi)作業(yè)人員退回至盾構(gòu)人閘內(nèi)保壓，并啟動(dòng)備用空壓機(jī)供氣。

8點(diǎn)35分，空壓機(jī)出口壓力值回升，但并未達(dá)到設(shè)定壓力值。

8點(diǎn)40分，啟動(dòng)送泥泵，回升液位，空壓機(jī)出口壓力曲線恢復(fù)正常。

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)曲線如圖9所示。

3．3．2 開(kāi)挖面漏氣判斷

8點(diǎn)15分至8點(diǎn)35分，空壓機(jī)出口壓力曲線驟降且不回升，表明開(kāi)挖面已經(jīng)開(kāi)始嚴(yán)重漏氣，空壓機(jī)供氣量小于漏氣量，供耗失衡。啟用備用空壓機(jī)后，出口壓力值雖然回升，但仍未達(dá)到設(shè)定的安全壓力值，表明啟用備用空壓機(jī)后供氣量達(dá)不到安全儲(chǔ)備量，需對(duì)開(kāi)挖面泥膜進(jìn)行修復(fù)和重建。

圖9 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)曲線Fig．9 Curves of shield boring parameters

3．3．3 開(kāi)挖面漏氣原因分析

本次換刀刀盤(pán)回縮5 cm，建膜后開(kāi)挖面與滾刀刀刃之間的實(shí)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(kāi)挖面泥膜相接觸。刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，新更換的滾刀切削開(kāi)挖面泥膜，滾刀軌跡線區(qū)域的氣密性僅依靠滲透帶泥膜保持。7點(diǎn)20分至8點(diǎn)20分，空壓機(jī)出口壓力曲線正常，滲透帶泥膜氣密性可靠;8點(diǎn)20分，空壓機(jī)出口壓力曲線驟降，滲透帶泥膜氣密性失效，這與室內(nèi)試驗(yàn)滲透帶泥膜氣密性不足1 h的結(jié)論基本吻合。

3．3．4 開(kāi)挖面漏氣應(yīng)急處理

開(kāi)挖面漏氣應(yīng)急處理的最佳方案為以最快的速度回升泥水艙內(nèi)液位。升液位不僅可以減少漏氣量，同時(shí)還可對(duì)受損泥膜進(jìn)行修復(fù)。

4 結(jié)論與討論

1)對(duì)于無(wú)法實(shí)施常壓進(jìn)艙檢查及更換刀具的盾構(gòu)隧道工程，帶壓進(jìn)艙作業(yè)技術(shù)可以避免進(jìn)行地層加固，很大程度地節(jié)約時(shí)間成本，尤其是長(zhǎng)距離、復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工，需要頻繁地進(jìn)行進(jìn)艙作業(yè)。

2)在開(kāi)挖面建立泥膜是帶壓進(jìn)艙作業(yè)的前提保證，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，氣密性好且穩(wěn)定的泥膜由2部分組成，即開(kāi)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(jìn)艙作業(yè)的效率大大高于常規(guī)壓縮空氣帶壓進(jìn)艙作業(yè)，但是飽和氣體系統(tǒng)的建立及日常維護(hù)成本較高，通常在高水壓以及需要長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的情況下才推薦采用飽和氣體帶壓作業(yè)技術(shù)。

4)盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙作業(yè)時(shí)，開(kāi)挖面漏氣是最常見(jiàn)的問(wèn)題之一，該問(wèn)題的最佳解決方案是作業(yè)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(fù)受損泥膜。

目前，我國(guó)城市建設(shè)正在飛速發(fā)展，越來(lái)越多的越江及跨海隧道將投入建設(shè)，因此高水壓下大直徑泥水盾構(gòu)的帶壓換刀技術(shù)需要進(jìn)一步的深入研究。

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