壓氣條件下大直徑泥水盾構(gòu)飽和法開艙技術(shù)

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(gòu)技術(shù)以其安全、快速、高效等優(yōu)勢已成為重大交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，尤其在大型穿江越海隧道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于穿越的地層復(fù)雜多變，盾構(gòu)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(guī)的地層加固等方法實施常壓開艙，因此帶壓進(jìn)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(guī)的壓縮空氣方法進(jìn)行了帶壓開艙檢修或刀具更換等工作［3］。然而采用常規(guī)壓縮空氣帶壓開艙工法進(jìn)艙，每次均需要加壓和減壓流程，耗費大量時間，實際艙內(nèi)工作時間僅40～120 min，會導(dǎo)致工期嚴(yán)重拖延。同時，進(jìn)艙人員在頻繁的加減壓流程中，增加了出現(xiàn)加減壓病癥的風(fēng)險，如易北河第四隧道共進(jìn)行了2 738人次的進(jìn)艙換刀作業(yè)，21人次出現(xiàn)減壓病癥狀;南京長江隧道也進(jìn)行了約3個月的開艙作業(yè)?？焖佟踩赝瓿煞敝氐亩軜?gòu)刀具更換工作，成為目前我國盾構(gòu)行業(yè)關(guān)注的難題之一［4－5］。

飽和法開艙作業(yè)技術(shù)是將飽和潛水技術(shù)與復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)的工作原理結(jié)合，形成一套適用于盾構(gòu)帶壓開艙的技術(shù)。該技術(shù)首先要求在開挖面上形成穩(wěn)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(huán)境，這與常規(guī)壓縮空氣的方法類似。所不同的是，作業(yè)人員在進(jìn)艙作業(yè)期間一直生活在地面高壓生活艙內(nèi)，由高壓穿梭艙與盾構(gòu)氣壓艙對接，作業(yè)人員進(jìn)入壓力艙中工作，完成一次作業(yè)后再由高壓穿梭艙回到地面高壓生活艙內(nèi)，如此往復(fù)，直到工作完成后進(jìn)行一次性減壓出艙。飽和法開艙作業(yè)技術(shù)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(jìn)艙作業(yè)不需要單獨進(jìn)行加減壓，使得艙內(nèi)工作時間大大增加，解決了常規(guī)帶壓進(jìn)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(yè)為背景，首次在國內(nèi)采用壓氣條件下飽和法開艙作業(yè)技術(shù)對盾構(gòu)刀具進(jìn)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(gòu)開艙設(shè)備及其開艙技術(shù)工藝流程等進(jìn)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(qū)浦珠路轉(zhuǎn)盤西側(cè)止于江東路，和定淮門大街(緯三路)連接，設(shè)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(gòu)段采用直徑14.93 m的氣墊式泥水平衡復(fù)合式盾構(gòu)進(jìn)行施工，盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)采用輻條+面板式，刀盤開口率約25.7%，開挖直徑達(dá)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(gòu)刀盤后面為泥水艙(如圖1所示)，掘進(jìn)過程中刀盤旋轉(zhuǎn)將切削的土體刮入泥水艙內(nèi)，通過泥漿循環(huán)將新切削土體外排至地面泥水處理系統(tǒng)，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(huán)內(nèi)部呈馬蹄形，以平衡泥水艙內(nèi)泥水，從而保證掌子面平衡。在切口環(huán)上部裝設(shè)有雙人閘艙，雙人閘艙主要由冷卻水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)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(jiān)視艙內(nèi)作業(yè)人員情況，通過控制閥以及壓力儀表等裝置手動操作，實現(xiàn)雙人閘艙加、減壓的目的。檢修性作業(yè)時，當(dāng)加壓達(dá)到氣墊艙壓力后方能打開艙門，工作人員可從氣墊艙進(jìn)入泥水艙作業(yè)。

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(gòu)段長約4 135 m，需穿越卵石層、泥巖層、砂巖層等，其穿越地質(zhì)為國內(nèi)最復(fù)雜的復(fù)合地質(zhì)條件之一，本文以盾構(gòu)位于SDK4+710里程停機換刀位置為例介紹飽和法開艙作業(yè)技術(shù)。盾構(gòu)穿越地質(zhì)縱斷面如圖2所示。由圖2可見，圓內(nèi)區(qū)域為盾構(gòu)穿越區(qū)域，主要穿越地層為⑤2礫砂、⑥1圓礫、卵石和⑧1強風(fēng)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?guī)r為主，滲透系數(shù)為10－4m/s，為高透水的砂卵石地質(zhì)，自穩(wěn)性差;下部為強風(fēng)化粉砂巖，石英含量達(dá)到65%，平均強度為60～80 MPa、最高達(dá)120 MPa，屬高強度硬巖，對刀具磨損嚴(yán)重，需要換刀的頻率高。因復(fù)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(wěn)性差，給換刀過程中高質(zhì)量優(yōu)質(zhì)泥膜的形成和掌子面壓力的平衡穩(wěn)定帶來較大難度［6－10］。

2 飽和法盾構(gòu)開艙技術(shù)研究

2.1 泥水艙壓力確定

盾構(gòu)泥水艙壓力設(shè)置直接影響掌子面的穩(wěn)定，盾構(gòu)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(wěn)定，為開艙作業(yè)人員提供一個安全穩(wěn)定的工作環(huán)境，這就需要對切口水壓做出準(zhǔn)確合理的計算，確保掌子面土體的穩(wěn)定。據(jù)理論計算及現(xiàn)場施工經(jīng)驗，該停機處掌子面壓力初始設(shè)定為679 kPa，在使用過程中根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗和水位變化及時進(jìn)行修正和調(diào)整。

2.2 閉氣泥膜的形成

為形成滿足開艙作業(yè)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(nèi)模擬試驗確定合理的泥漿參數(shù)。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(jìn)行滲透，通過進(jìn)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(dāng)泥漿滲入地層速率超過1.0 m3/min，可適當(dāng)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(dāng)向泥漿內(nèi)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(huán)時間約8 h，待泥水艙內(nèi)泥漿比重達(dá)1.1 g/cm3，黏度45 s以上，即達(dá)到進(jìn)艙要求。3)泥皮修復(fù)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(jīng)形成的泥皮進(jìn)行局部修復(fù)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(gòu)開艙設(shè)備

飽和法開艙作業(yè)的主要設(shè)備有生活艙、穿梭艙、盾構(gòu)人閘艙、物料艙以及穿梭艙運輸設(shè)備等。

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

穿梭艙是運輸進(jìn)艙人員的交通工具，承擔(dān)著運輸進(jìn)艙人員從生活艙進(jìn)入盾構(gòu)人閘艙的任務(wù)，穿梭艙設(shè)置9 L物料艙，可與外界聯(lián)系，提供生活及工作必備品。艙內(nèi)配有應(yīng)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(shè)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(gòu)上，是檢修換刀人員進(jìn)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(nèi)作業(yè)人員提供電源、水和呼吸氣體等作業(yè)必備條件，主艙與盾構(gòu)泥水艙和氣泡艙連接;輔艙作為備用艙，可用于應(yīng)急救援，2艙之間設(shè)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(jìn)艙作業(yè)過程中向艙內(nèi)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(jìn)艙更換刀具的設(shè)備還包括地面生命保障系統(tǒng)、運輸車、吊機、固定平臺等。其中生命保障系統(tǒng)由控制室、氧氣站、空壓機、備用發(fā)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(yè)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(xiàn)象的發(fā)生，安全性好。飽和法開艙技術(shù)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(shù)中主要使用的氣體類型，是進(jìn)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(yī)用氧氣。主要用于調(diào)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(gòu)開艙技術(shù)工藝流程

飽和法帶壓作業(yè)時作業(yè)人員首先進(jìn)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(yè)壓力相同。待作業(yè)人員適應(yīng)后，穿梭艙與生活艙對接，作業(yè)人員進(jìn)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(nèi);穿梭艙運送至3號臺車下部后用口字型構(gòu)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(zhuǎn)至固定平臺上與人閘艙副艙對接。作業(yè)人員從穿梭艙進(jìn)入人閘艙開始刀具更換作業(yè)。

作業(yè)完成后，作業(yè)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(jìn)行洗艙，使穿梭艙內(nèi)的混合氣體含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求后再與生活艙對接，作業(yè)人員從穿梭艙進(jìn)入生活艙內(nèi)休息。飽和帶壓更換刀具完成一個工作循環(huán)。開艙作業(yè)流程圖見圖7。

圖7 盾構(gòu)開艙技術(shù)工藝流程Fig.7 Working procedure of hyperbaric operation in shield tunneling

2.6 醫(yī)療保障及安全措施

壓氣條件下飽和法盾構(gòu)開艙作業(yè)需在高壓空氣環(huán)境中長時間工作，因此進(jìn)艙人員需經(jīng)過嚴(yán)格體檢和培訓(xùn)后方可進(jìn)艙作業(yè)。體檢主要參照《職業(yè)潛水員體格檢查要求》進(jìn)行體檢，檢查項目主要包括一般檢查、各科常規(guī)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(jìn)艙人員需在生活艙內(nèi)持續(xù)居住14～24 d，因此還需要對進(jìn)艙人員進(jìn)行心理測試和評估。

飽和法盾構(gòu)開艙作業(yè)人員需要在高壓空氣環(huán)境中一次工作4～6 h，在高壓環(huán)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(chǎn)生病理綜合癥，并且在加壓過程中因體內(nèi)含氣體的氣壓與周圍環(huán)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(yī)生應(yīng)攜帶必備醫(yī)療器械及救護(hù)車輛分班次在人閘艙外值班，一旦人員出現(xiàn)病癥能及時處理。

在整個飽和法盾構(gòu)開艙作業(yè)期間，需隨時保證艙內(nèi)人員與艙外人員聯(lián)系暢通。作業(yè)前詳細(xì)檢查盾構(gòu)各個設(shè)備，特別是空氣壓縮機，確保設(shè)備的安全運作，發(fā)現(xiàn)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(wěn)定)，發(fā)現(xiàn)問題立即處理。進(jìn)艙作業(yè)過程中出現(xiàn)異常情況時，應(yīng)立即出艙，停止開艙作業(yè)。

3 工程應(yīng)用效果

在盾構(gòu)掘進(jìn)約593環(huán)位置時，刀盤扭矩異常增大，盾構(gòu)地處強風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化砂巖區(qū)域，經(jīng)判斷需停機進(jìn)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(jìn)行泥漿調(diào)制并形成穩(wěn)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(gòu)中心以下2.5 m的高度后帶壓更換刀具的準(zhǔn)備工作完成。而后，作業(yè)人員從約0.63 MPa生活艙中進(jìn)入穿梭艙，穿梭艙運至盾構(gòu)處通過管片拼裝機旋轉(zhuǎn)至固定平臺上與人閘艙副艙對接。作業(yè)人員從穿梭艙進(jìn)入人閘艙開始刀具更換作業(yè)，一次作業(yè)時間約為4 h。作業(yè)完成后，作業(yè)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(fù)掌子面泥膜;穿梭艙被運回地面，作業(yè)人員從穿梭艙進(jìn)入生活艙內(nèi)休息，這樣飽和帶壓更換刀具完成一個工作循環(huán)。如此重復(fù)待一次停機飽和法開艙作業(yè)完成后，工作人員在生活艙內(nèi)進(jìn)行一次性減壓，減壓共分為10個階段，當(dāng)壓力減小到0.12 MPa時，作業(yè)人員開始吸氧，直至減壓結(jié)束，至此一個作業(yè)循環(huán)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(gòu)段全長約4 135 m，共計2 070環(huán)，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(jìn)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(jìn)艙作業(yè)約240次，共計飽和帶壓進(jìn)艙作業(yè)1 000 h。如果采用常規(guī)的壓縮空氣進(jìn)艙初步預(yù)計需上萬小時的作業(yè)，且相關(guān)費用會增加20倍左右。截至目前本工程飽和法進(jìn)艙作業(yè)人員尚未出現(xiàn)減壓病病例，由此可以得出飽和法開艙作業(yè)具有高效率、高效益及作業(yè)安全等優(yōu)勢，可成功處理盾構(gòu)隧道施工中遇到無法采用常規(guī)方式進(jìn)行停機檢查或刀具更換等作業(yè)的施工難題。

4 結(jié)論與討論

1)飽和法開艙作業(yè)適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下，盾構(gòu)開艙作業(yè)工作量較大的復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)工程，當(dāng)前研究限于工作壓力為0.5～0.7 MPa。

2)應(yīng)用飽和法開艙技術(shù)時停機位置刀盤前方周圍地層需通過泥漿滲透形成穩(wěn)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(yè)技術(shù)作業(yè)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(yè)人員呼吸阻力、避免氮麻醉情況的發(fā)生。應(yīng)用完善的生活艙、穿梭艙等相關(guān)配套設(shè)施，規(guī)避了常規(guī)壓縮空氣進(jìn)艙時每班次必須加壓減壓的過程，極大地降低了進(jìn)艙作業(yè)人員患減壓病的風(fēng)險。

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

綜上可知，飽和法開艙作業(yè)可安全、高效地處理盾構(gòu)施工中無法采用常規(guī)方式進(jìn)行刀盤檢查、刀具更換等施工作業(yè)難題，提高了盾構(gòu)對復(fù)雜地層的適應(yīng)性，拓寬了盾構(gòu)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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