國(guó)內(nèi)盾構(gòu)開(kāi)艙技術(shù)現(xiàn)狀與風(fēng)險(xiǎn)管控

于寶敏， 季玉國(guó)

(1. 中鐵十九局集團(tuán)有限公司， 北京 102600； 2. 上海建通工程建設(shè)有限公司， 上海 200031)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵隧道及過(guò)江跨海隧道建設(shè)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，盾構(gòu)隧道占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，盾構(gòu)技術(shù)以其安全、快速、高效等優(yōu)勢(shì)成為了重大交通等基礎(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。

由于盾構(gòu)工程的復(fù)雜性，盾構(gòu)在掘進(jìn)較長(zhǎng)的距離后，其刀具、刀盤(pán)的磨損將不可避免； 地層的特殊性以及操作管理上的失誤，也會(huì)造成盾構(gòu)刀盤(pán)、刀具和機(jī)械的磨損及損壞，不可避免地要進(jìn)行停機(jī)開(kāi)艙檢修。因此，選擇合適的開(kāi)艙方式和開(kāi)艙時(shí)機(jī)對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行檢修并對(duì)刀具進(jìn)行檢查和更換已成了盾構(gòu)隧道施工中一項(xiàng)無(wú)法回避的任務(wù)。目前成功完成盾構(gòu)開(kāi)艙、刀盤(pán)修復(fù)及換刀的工程案例有： 南京地鐵某盾構(gòu)區(qū)間的豎井刀盤(pán)修復(fù)、南京地鐵過(guò)江隧道直徑11.76 m的泥水盾構(gòu)江底帶壓刀盤(pán)修復(fù)及換刀、南京長(zhǎng)江隧道江底帶壓刀盤(pán)修復(fù)及帶壓換刀、南京揚(yáng)子江隧道飽和帶壓換刀及刀具改進(jìn)、南京地鐵寧和城際盾構(gòu)帶壓換刀、成都地鐵挖孔樁輔助降水進(jìn)行的常壓換刀、廣深獅子洋隧道帶壓換刀以及長(zhǎng)沙湘江隧道基坑降水開(kāi)挖進(jìn)行的刀具更換等。

盾構(gòu)開(kāi)艙作業(yè)量大、風(fēng)險(xiǎn)大、危險(xiǎn)性高。因此，需要認(rèn)真對(duì)待，以減少事故的發(fā)生。目前關(guān)于盾構(gòu)開(kāi)艙技術(shù)已有不少文獻(xiàn)進(jìn)行了介紹和分析。姜騰等[1]針對(duì)泥水盾構(gòu)開(kāi)艙采用自制的泥膜氣密性試驗(yàn)裝置開(kāi)展了泥膜氣密性試驗(yàn)； 羅忠等[2]對(duì)土壓平衡盾構(gòu)壓氣開(kāi)艙的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，并提出了一些控制措施； 王海濤等[3]針對(duì)無(wú)水砂卵石地層下土壓平衡盾構(gòu)常壓開(kāi)艙施工，簡(jiǎn)要介紹了常壓開(kāi)艙艙內(nèi)地層加固施工方法； 姚占虎等[4]針對(duì)大直徑盾構(gòu)提出了盾構(gòu)壓氣條件下飽和法開(kāi)艙作業(yè)技術(shù)； 孫善輝等[5]研究了大直徑泥水盾構(gòu)飽和氣體帶壓進(jìn)艙技術(shù)，為國(guó)內(nèi)飽和氣體帶壓技術(shù)提供了依據(jù)和技術(shù)支持； 文獻(xiàn)[6-9]分別研究和介紹了國(guó)內(nèi)超大直徑泥水盾構(gòu)在復(fù)合地層及超高壓條件下水下盾構(gòu)帶壓開(kāi)艙和換刀技術(shù)； 黃學(xué)軍等[10]進(jìn)行了泥水大直徑盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙氣密性分析試驗(yàn)； 翟世鴻等[11]介紹了國(guó)內(nèi)首例泥水盾構(gòu)泥漿潛水帶壓進(jìn)艙作業(yè)技術(shù)，討論了潛水帶壓進(jìn)艙的優(yōu)點(diǎn)和下一步研究方向； 張英明等[12]對(duì)飽和帶壓開(kāi)艙技術(shù)的相關(guān)設(shè)備及操作方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。這些研究和分析主要集中在某種盾構(gòu)類(lèi)型或某一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，未對(duì)盾構(gòu)開(kāi)艙技術(shù)進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，因此，有必要對(duì)盾構(gòu)開(kāi)艙技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，分別對(duì)土壓盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)開(kāi)艙作業(yè)和動(dòng)火作業(yè)進(jìn)行全面的分析和研究。本文主要以南京揚(yáng)子江隧道飽和氣體開(kāi)艙帶壓換刀、南京地鐵過(guò)江隧道及國(guó)內(nèi)軌道交通盾構(gòu)帶壓開(kāi)艙等工程為例，對(duì)國(guó)內(nèi)盾構(gòu)開(kāi)艙技術(shù)現(xiàn)狀、開(kāi)艙目的和開(kāi)艙風(fēng)險(xiǎn)管控進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)盾構(gòu)開(kāi)艙以及刀盤(pán)修復(fù)和換刀的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以期為國(guó)內(nèi)盾構(gòu)開(kāi)艙技術(shù)提供指導(dǎo)。

1 國(guó)內(nèi)盾構(gòu)開(kāi)艙技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍狀況

目前，國(guó)內(nèi)的安全生產(chǎn)許可證和業(yè)績(jī)?cè)u(píng)定體系尚需健全，盾構(gòu)開(kāi)艙作業(yè)專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍培訓(xùn)亟需加強(qiáng)。例如，作業(yè)壓力為0.65～0.75 MPa的南京長(zhǎng)江隧道和南京揚(yáng)子江隧道等大型泥水盾構(gòu)隧道的換刀作業(yè)，主要委托國(guó)外公司的專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍完成，作業(yè)費(fèi)用很高，不容易管理，且需要適應(yīng)我國(guó)建筑業(yè)的相關(guān)管理制度，因此在許多方面需要協(xié)調(diào)和監(jiān)管。天津、浙江、南京等地審批了可以進(jìn)行盾構(gòu)開(kāi)艙的企業(yè)，資質(zhì)為潛水作業(yè)或盾構(gòu)相關(guān)技術(shù)服務(wù)，作業(yè)人員多為退伍軍人或培訓(xùn)人員，可以在0.3 MPa的壓力下作業(yè)。個(gè)別地區(qū)和單位也認(rèn)可上崗培訓(xùn)，也有單位采用潛水資質(zhì)和盾構(gòu)相關(guān)技術(shù)服務(wù)資質(zhì)，但這種培訓(xùn)和潛水資質(zhì)是否被建筑主管部門(mén)認(rèn)可存在疑問(wèn)。

1.2 企業(yè)內(nèi)部培訓(xùn)作業(yè)人員

目前，關(guān)于盾構(gòu)開(kāi)艙高壓下作業(yè)的培訓(xùn)及認(rèn)證體系還很不完善。針對(duì)地鐵和隧道盾構(gòu)常壓換刀和大型泥水盾構(gòu)常壓換刀作業(yè)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有特種工種的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，也無(wú)相關(guān)資質(zhì)的認(rèn)證機(jī)構(gòu)，仍使用潛水作業(yè)的資質(zhì)。我國(guó)大多數(shù)中鐵企業(yè)主要采用企業(yè)內(nèi)部的培訓(xùn)方式培訓(xùn)作業(yè)人員，培訓(xùn)合格和完成安全技術(shù)交底后即進(jìn)行帶壓作業(yè)。因此，完善帶壓作業(yè)人員培訓(xùn)制度和資格認(rèn)證制度是亟需解決的問(wèn)題。

1.3 盾構(gòu)開(kāi)艙換刀技術(shù)現(xiàn)狀

目前，關(guān)于帶壓換刀的作業(yè)手冊(cè)和風(fēng)險(xiǎn)管理尚不規(guī)范成熟，基本按照企業(yè)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)管理，主要由建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位和安全管理部門(mén)共同完成，盾構(gòu)開(kāi)艙作業(yè)安全專(zhuān)項(xiàng)方案主要由專(zhuān)家進(jìn)行評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)。因此，對(duì)于帶壓作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理體系和評(píng)審體系尚需進(jìn)一步進(jìn)行探索和完善。

1.4 盾構(gòu)開(kāi)艙動(dòng)火技術(shù)

目前，在常壓和帶壓以及陸地和江海湖泊水下作業(yè)條件下，均進(jìn)行過(guò)土壓盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)的開(kāi)艙動(dòng)火作業(yè)，但至今尚未形成一套完整的盾構(gòu)開(kāi)艙作業(yè)操作技術(shù)規(guī)程和規(guī)范，動(dòng)火作業(yè)的安全形勢(shì)依然很?chē)?yán)峻。因此，亟需提高盾構(gòu)開(kāi)艙的安全技術(shù)管理水平。

1.5 盾構(gòu)法開(kāi)艙的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

國(guó)內(nèi)關(guān)于盾構(gòu)開(kāi)艙的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還不完善，需進(jìn)一步提高和完善編制工作?，F(xiàn)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要有 CJJ 217—2014《盾構(gòu)法開(kāi)艙及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》[13]、GB 50446—2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》[14]、GB 20827—2007《職業(yè)潛水員體格檢查要求》、GB/T 17870—1999《減壓病加壓治療技術(shù)要求》、《煤礦安全規(guī)程》、《艙內(nèi)氣體檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 19284—2003《醫(yī)用氧氣加壓艙》、GB/T 12130—2005《醫(yī)用空氣加壓氧艙》以及省市及地方關(guān)于地鐵行業(yè)的相關(guān)規(guī)定文件等。

2 盾構(gòu)開(kāi)艙的目的和風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 盾構(gòu)開(kāi)艙的目的

盾構(gòu)開(kāi)艙的目的主要包括以下幾方面： 1)需定期對(duì)刀具進(jìn)行檢查和更換； 2)盾構(gòu)因故障必須停機(jī)進(jìn)行開(kāi)艙檢查； 3)事故處理，例如遇到大的漂石、孤石需要開(kāi)艙進(jìn)行劈裂破碎處理和清艙； 4)艙內(nèi)動(dòng)火作業(yè)維修，包括刀盤(pán)、刀具維修； 5)機(jī)械設(shè)備損壞需進(jìn)行艙內(nèi)維修。

2.2 盾構(gòu)開(kāi)艙的風(fēng)險(xiǎn)分析

盾構(gòu)開(kāi)艙存在著極大的安全隱患，開(kāi)艙難度和風(fēng)險(xiǎn)較大，因此應(yīng)嚴(yán)格加強(qiáng)盾構(gòu)開(kāi)艙的風(fēng)險(xiǎn)防范。盾構(gòu)開(kāi)艙前首先應(yīng)進(jìn)行開(kāi)艙的難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析，確定開(kāi)艙的方法和方案，并制定相應(yīng)的安全措施保證工程和作業(yè)人員的安全，這是目前盾構(gòu)開(kāi)艙面臨的主要挑戰(zhàn)。

盾構(gòu)開(kāi)艙存在極大的工程風(fēng)險(xiǎn)，例如： 土壓盾構(gòu)開(kāi)艙作業(yè)可能會(huì)引起掌子面或隧道頂部發(fā)生塌方事故，導(dǎo)致盾構(gòu)被埋或塌方土體進(jìn)入盾構(gòu)土艙或泥土涌入人閘，造成機(jī)械的損害和人員的傷亡； 泥水盾構(gòu)開(kāi)艙作業(yè)過(guò)程中若發(fā)生掌子面坍塌和漏氣，則會(huì)出現(xiàn)“冒頂”事故，造成盾構(gòu)被埋及人員傷亡。對(duì)于作業(yè)人員的安全問(wèn)題，即人員風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，首先要防范作業(yè)人員中毒、窒息傷亡以及減壓病事件的發(fā)生，并注意機(jī)械事故、不可預(yù)見(jiàn)的人員傷亡事故及艙內(nèi)火災(zāi)事故的發(fā)生。盾構(gòu)開(kāi)艙的主要風(fēng)險(xiǎn)見(jiàn)表1。

表1 盾構(gòu)開(kāi)艙的主要風(fēng)險(xiǎn)Table 1 Main risks of shield chamber opening

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析的不同方面對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分類(lèi)，可分為7類(lèi)： 1)空氣支護(hù)開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)，包括支護(hù)壓力設(shè)定過(guò)低，無(wú)法支護(hù)開(kāi)挖面，造成開(kāi)挖面坍塌事故； 支護(hù)壓力設(shè)定過(guò)高，擊穿開(kāi)挖面泥膜，造成冒頂事故； 形成的泥膜質(zhì)量差，導(dǎo)致開(kāi)挖面漏氣，無(wú)法實(shí)現(xiàn)空氣支護(hù)開(kāi)挖面； 盾尾密封失效，導(dǎo)致空氣無(wú)法支護(hù)開(kāi)挖面。2)升、降泥水艙液位操作風(fēng)險(xiǎn)。3)泥水艙內(nèi)作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。4)作業(yè)人員壓力疾病風(fēng)險(xiǎn)。5)飽和潛水作業(yè)盾構(gòu)艙內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)。6)飽和潛水作業(yè)穿梭艙運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。7)飽和潛水作業(yè)氣體質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

3 盾構(gòu)開(kāi)艙分類(lèi)及輔助措施和檢查

3.1 盾構(gòu)開(kāi)艙分類(lèi)

按照開(kāi)艙原因可將盾構(gòu)開(kāi)艙分為主動(dòng)開(kāi)艙和被動(dòng)開(kāi)艙。主動(dòng)開(kāi)艙是主動(dòng)進(jìn)行盾構(gòu)刀具檢查和更換而進(jìn)行的開(kāi)艙； 被動(dòng)開(kāi)艙是因不可預(yù)見(jiàn)事件需要處理而必須進(jìn)行的開(kāi)艙，例如進(jìn)行泥餅、孤石、不明障礙物(如鋼樁、混凝土樁)和硬巖等處理及刀盤(pán)、刀具磨損嚴(yán)重時(shí)的檢查更換而被迫進(jìn)行的開(kāi)艙。

按照盾構(gòu)類(lèi)型可將盾構(gòu)開(kāi)艙分為土壓盾構(gòu)開(kāi)艙和泥水盾構(gòu)開(kāi)艙。土壓盾構(gòu)開(kāi)艙、泥水盾構(gòu)開(kāi)艙又可以分別分為常壓開(kāi)艙和帶壓開(kāi)艙。盾構(gòu)開(kāi)艙的具體分類(lèi)如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)開(kāi)艙分類(lèi)Fig. 1 Classification of shield chamber opening

3.2 盾構(gòu)開(kāi)艙的輔助措施

盾構(gòu)開(kāi)艙的輔助措施主要包括： 1)根據(jù)盾構(gòu)停機(jī)位置的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合實(shí)際情況，確定開(kāi)艙方法和地面加固方法； 2)選擇掌子面泥膜制作的方法和化學(xué)材料； 3)在盾殼后部3～5段進(jìn)行二次注漿封堵止水； 4)加大同步注漿、盾構(gòu)徑向注漿以及組合注漿； 5)在停機(jī)位置的盾尾加注優(yōu)質(zhì)油脂； 6)采用水平或垂直形式注漿或平面旋噴樁加固工法進(jìn)行地面加固，并避免加固時(shí)漿液固結(jié)刀盤(pán)或盾環(huán)； 7)艙內(nèi)回填材料宜采用強(qiáng)度低于M5的砂漿，并防止砂漿包裹刀盤(pán)； 8)制作的泥膜應(yīng)致密、牢固、堅(jiān)韌； 9)若需長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)開(kāi)艙應(yīng)采取相應(yīng)的措施，以保證盾構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3 盾構(gòu)開(kāi)艙檢查

盾構(gòu)開(kāi)艙檢查主要包括： 1)對(duì)開(kāi)艙安全專(zhuān)項(xiàng)方案評(píng)審和應(yīng)急預(yù)案落實(shí)情況的檢查； 2)對(duì)專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍、人員作業(yè)資質(zhì)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)人員及安全技術(shù)交底的檢查； 3)對(duì)作業(yè)人閘和配套設(shè)備以及安全措施的檢查； 4)對(duì)地層加固、泥膜制作質(zhì)量及止水效果的檢查； 5)對(duì)艙內(nèi)氣體檢測(cè)合格的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)收； 6)對(duì)開(kāi)艙動(dòng)火作業(yè)方案和動(dòng)火條件的檢查； 7)對(duì)開(kāi)艙時(shí)掌子面是否穩(wěn)定以及止水效果的檢查； 8)對(duì)盾尾二次注漿、中盾注漿及加注的油脂封堵效果的檢查； 9)對(duì)開(kāi)艙審批和動(dòng)火條件的檢查； 10)對(duì)開(kāi)艙作業(yè)意外事故防范措施的檢查。

4 土壓盾構(gòu)開(kāi)艙技術(shù)

4.1 土壓盾構(gòu)常壓開(kāi)艙技術(shù)

土壓盾構(gòu)常壓開(kāi)艙的加固方法主要有： 1)旋噴樁加固法和壓密注漿加固法，例如在北京地區(qū)砂卵石地層得到應(yīng)用； 2)深層攪拌樁加固法，例如在南京地區(qū)砂層及淤泥質(zhì)地層得到應(yīng)用； 3)鉆孔排樁法，例如在南京地鐵4號(hào)線混合地層中得到應(yīng)用； 4)WSS注漿加固法，例如在合肥地區(qū)砂層中得到應(yīng)用； 5)降水加固法，例如在成都卵石地層中得到應(yīng)用； 6)人工挖孔樁+降水的方法，例如在成都地鐵開(kāi)艙換刀中得到應(yīng)用； 7)雙液注漿加固法，例如在北京地區(qū)壓密注漿和雙液注漿法中得到應(yīng)用； 8)克泥效工法和衡盾泥工法，在廈門(mén)和武漢地區(qū)得到應(yīng)用； 9)垂直凍結(jié)法和水平凍結(jié)法。

土壓盾構(gòu)常壓開(kāi)艙的換刀方法主要有： 1)基坑降水開(kāi)挖換刀修復(fù)法，例如在長(zhǎng)沙湘江隧道工程得到應(yīng)用； 2)基坑放坡開(kāi)挖工法，在南京地鐵4號(hào)線得到了應(yīng)用； 3)構(gòu)筑小豎井開(kāi)挖換刀法，在沈陽(yáng)和南京地鐵施工中得到了應(yīng)用； 4)利用刀盤(pán)的伸縮裝置或?qū)⒁蜒b在刀盤(pán)內(nèi)的刀具推出的換刀方法，例如在南京揚(yáng)子江長(zhǎng)江隧道中得到應(yīng)用； 5)使用特殊機(jī)械裝置換刀的方法，包括球形刀盤(pán)裝置換刀、刀盤(pán)伸縮裝置換刀和SharkBite工法換刀。

4.2 土壓盾構(gòu)帶壓開(kāi)艙技術(shù)

土壓盾構(gòu)帶壓開(kāi)艙的條件主要為： 1)實(shí)施帶壓的掌子面刀盤(pán)前方周?chē)貙硬话l(fā)生大的氣體泄露或該段地層經(jīng)加固處理后滿足帶壓作業(yè)氣密性以及作業(yè)安全性的要求； 2)刀盤(pán)前方無(wú)大量的水或經(jīng)加固后無(wú)大量的流水。

土壓盾構(gòu)泥膜制作工序包括： 泥漿制備、渣土置換(濃泥漿置換渣土)、氣體置換(泥漿置換)、土艙壓力的氣密性試驗(yàn)和泥漿封堵輔助技術(shù)措施等。

土壓平衡盾構(gòu)帶壓開(kāi)艙作業(yè)流程和程序如圖2所示。

(a)作業(yè)流程(b)連續(xù)作業(yè)程序

圖2帶壓開(kāi)艙作業(yè)流程和程序

Fig. 2 Operation process and program of shield chamber opening under hyperbaric condition

由于帶壓開(kāi)艙作業(yè)的特殊性，施工前必須進(jìn)行充分的準(zhǔn)備，并經(jīng)過(guò)技術(shù)部門(mén)的檢查和確認(rèn)后才能作業(yè)。1)進(jìn)艙作業(yè)前技術(shù)人員及操作工人必須對(duì)盾構(gòu)上的自帶設(shè)備進(jìn)行檢查和試運(yùn)行； 2)對(duì)作業(yè)人員的身體情況進(jìn)行檢查； 3)應(yīng)委托有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)單位進(jìn)行開(kāi)艙前檢查； 4)對(duì)帶壓開(kāi)艙地段水下的情況進(jìn)行探測(cè)，檢查帶壓開(kāi)艙的邊界條件是否發(fā)生變化，為注漿封水和注漿加固方案的制定提供依據(jù)。

因帶壓作業(yè)屬于特種作業(yè)，除盾構(gòu)自帶的氣壓設(shè)備外，還應(yīng)配置一些設(shè)備和機(jī)具，如表2所示。

植物學(xué)博士、玉米實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人史軍先生是原產(chǎn)地派的發(fā)聲者，他分享的主題是：“復(fù)古和創(chuàng)新：從原產(chǎn)地到優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)”。他認(rèn)為，好的品種、好的氣候條件、好的土壤條件、嚴(yán)格的耕作標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制體系，才能出好食材。

表2帶壓作業(yè)需配置的設(shè)備和機(jī)具

Table 2 Equipments equipped with operation under hyperbaric condition

設(shè)備或機(jī)具名稱(chēng)規(guī)格數(shù)量備注應(yīng)急備用設(shè)備換刀機(jī)具內(nèi)燃空壓機(jī) 體積10m3，壓力100．3kg/m21臺(tái)電動(dòng)空壓機(jī) 體積10m3，壓力100．3kg/m21臺(tái)減壓醫(yī)療艙1套用于急救對(duì)講機(jī)3臺(tái)風(fēng)動(dòng)扳手1把轉(zhuǎn)矩扳手1把導(dǎo)鏈1臺(tái)照明燈若干 備用手電筒4把

表2中的10 m3內(nèi)燃空壓機(jī)是在供風(fēng)量不足、帶壓條件下須使用風(fēng)動(dòng)機(jī)具或突然停電須供風(fēng)等情況時(shí)啟用； 10 m3電動(dòng)空壓機(jī)是在供風(fēng)量不足、盾構(gòu)自帶空壓機(jī)發(fā)生故障時(shí)啟用； 對(duì)于減壓醫(yī)療艙(含供氧裝置)，是指自帶人員艙減壓發(fā)生故障或作業(yè)人員患減壓病時(shí)，進(jìn)艙施工人員應(yīng)迅速進(jìn)入醫(yī)療艙進(jìn)行減壓。

5 超大直徑泥水盾構(gòu)開(kāi)艙技術(shù)

5.1 超大直徑泥水盾構(gòu)的常壓換刀技術(shù)

超大直徑泥水盾構(gòu)的常壓換刀技術(shù)是指在不采取地面或掌子面加固措施、開(kāi)挖艙充滿泥漿的情況下，作業(yè)人員在常壓下進(jìn)入特殊設(shè)計(jì)的盾構(gòu)刀盤(pán)主臂空腔內(nèi)進(jìn)行刀具檢查和更換的作業(yè)方法。國(guó)內(nèi)南京長(zhǎng)江隧道、南京揚(yáng)子江隧道、武漢三陽(yáng)路過(guò)江隧道等超大直徑盾構(gòu)隧道等成功地應(yīng)用了常壓換刀技術(shù)。

常壓換刀技術(shù)刀具更換流程： 1)打開(kāi)位于刀具基座上的水管球閥，選擇合適的位置安裝油缸； 2)將刀具背部端蓋拆掉，安裝多級(jí)油缸； 3)安裝伸縮油缸，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙查找刀具需要使用的多級(jí)油缸； 4)安裝刀具更換裝置，查找換刀設(shè)備表格對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向限位筒； 5)松開(kāi)刀具固定螺栓； 6)連接液壓管路； 7)抽出刀具，關(guān)閉閥門(mén)，多級(jí)液壓油壓收縮，直至完全收縮到位，將閘門(mén)關(guān)閉，油缸回縮，關(guān)閉閥門(mén)； 8)壓力補(bǔ)償需要在閘門(mén)關(guān)閉之前、油缸回縮的過(guò)程中一直進(jìn)行，閘門(mén)關(guān)閉后，必須關(guān)閉壓力補(bǔ)償； 9)拆卸刀具之前應(yīng)通過(guò)開(kāi)啟壓力補(bǔ)償球閥檢查有無(wú)泥漿噴出，以確定閘門(mén)是否完全閉合； 10)對(duì)于尚不需更換的刀具，可立即裝回刀腔內(nèi)固定。

5.2 超大直徑泥水盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙換刀作業(yè)

根據(jù)開(kāi)挖面支護(hù)形式的不同，可以將帶壓進(jìn)艙作業(yè)分為空氣支護(hù)開(kāi)挖面帶壓進(jìn)艙作業(yè)和泥漿潛水帶壓進(jìn)艙作業(yè)，如表3所示。

表3 帶壓進(jìn)艙作業(yè)分類(lèi)Table 3 Classification of shield opening and operation under hyperbaric condition

注： 滾刀更換作業(yè)效率的數(shù)據(jù)來(lái)源于南京揚(yáng)子江隧道工程帶壓進(jìn)艙作業(yè)記錄。

泥水盾構(gòu)以壓力泥漿支護(hù)開(kāi)挖面，泥膜的形成對(duì)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性非常重要。根據(jù)泥漿滲透形態(tài)的不同，泥膜可以分為滲透帶泥膜和泥皮型泥膜。滲透帶泥膜的建膜速度快，對(duì)泥漿指標(biāo)變化的敏感度低，適用于盾構(gòu)掘進(jìn)中開(kāi)挖面的動(dòng)態(tài)支護(hù)，缺點(diǎn)是泥漿濾量大；泥皮型泥膜的建膜速度慢，密封性好，對(duì)泥漿指標(biāo)變化的敏感度高，泥漿濾失量小，一般用于盾構(gòu)掘進(jìn)中開(kāi)挖面的靜態(tài)支護(hù)，缺點(diǎn)是失水易開(kāi)裂和剝落。將滲透帶泥膜和泥皮型泥膜混合形成了復(fù)合型泥膜，其具有良好的氣密性和較長(zhǎng)的壽命。滲透帶泥膜的形成如圖3所示，泥皮型泥膜的形成如圖4所示，泥模制作壓力試驗(yàn)檢測(cè)如圖5所示。

圖3 滲透帶泥膜Fig. 3 Permeable mud membrane

圖4 泥皮型泥膜Fig. 4 Mud skin type mud membrance

圖5 泥膜制作壓力試驗(yàn)檢測(cè)Fig. 5 Pressurized test for mud membrane preparation

5.2.1 常規(guī)壓縮空氣帶壓進(jìn)艙作業(yè)

常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀作業(yè)工序具體為： 1)每天安排4個(gè)班次，每班一般為3人進(jìn)入盾構(gòu)上部人閘； 2)在人閘內(nèi)加壓，使工作壓力達(dá)到設(shè)定值； 3)作業(yè)人員通過(guò)人閘進(jìn)入盾構(gòu)刀盤(pán)后部工作面(泥水艙內(nèi))； 4)作業(yè)人員在工作壓力條件下工作至預(yù)定時(shí)間； 5)作業(yè)人員從工作面進(jìn)入盾構(gòu)上的人閘進(jìn)行減壓； 6)作業(yè)人員回到地面恢復(fù)正常的工作和生活，即完成了一個(gè)班次的常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀作業(yè)。常規(guī)壓縮空氣帶壓進(jìn)艙作業(yè)流程如圖6所示。

5.2.2 飽和潛水帶壓進(jìn)艙作業(yè)

圖6 常規(guī)壓縮空氣帶壓進(jìn)艙作業(yè)流程Fig. 6 Operation flowchart of conventional compressed air under hyperbaric condition

圖7 飽和潛水帶壓進(jìn)艙作業(yè)流程Fig. 7 Operation flowchart of saturation diving under hyperbaric condition

在南京揚(yáng)子江隧道進(jìn)行的氦氧飽和氣體帶壓換刀作業(yè)具體情況如下： 1)每天安排2個(gè)班次； 2)每班3人進(jìn)入地面生活艙，生活艙用氦氧飽和氣體，加壓至0.6 MPa，加壓時(shí)間為15 min； 3)在地面上，將穿梭艙與生活艙對(duì)接，作業(yè)人員從生活艙進(jìn)入穿梭艙； 4)將穿梭艙運(yùn)輸至盾構(gòu)上與人閘對(duì)接； 5)工作人員從穿梭艙進(jìn)入人閘，進(jìn)入盾構(gòu)后部壓力為0.6 MPa的工作面(泥水艙)工作4 h； 6)從生活艙—穿梭艙—人閘—工作面完成氦氧飽和帶壓換刀1個(gè)班次的作業(yè)； 7)作業(yè)人員在0.6 MPa壓力下工作、生活共15 d，然后在生活艙減壓3 d，最后回到地面正常工作和生活。氦氧飽和氣體帶壓換刀作業(yè)減少了換刀加、減壓時(shí)間以及工作人員減壓病的發(fā)生，提高了工作效率。南京揚(yáng)子江隧道氦氧飽和氣體帶壓換刀作業(yè)如圖8所示。

(a)穿梭艙調(diào)離生活艙(b)穿梭艙與生活艙對(duì)接(c)地面生活艙(d)吊運(yùn)至運(yùn)輸軌道(e)飽和帶壓換刀生活艙

圖8南京揚(yáng)子江隧道氦氧飽和氣體帶壓換刀作業(yè)

Fig. 8 Cutting tool replacement of Yangtze River Tunnel in Nanjing under helium-oxygen saturated hyperbaric condition

5.2.3 泥漿潛水帶壓進(jìn)艙作業(yè)

泥漿潛水帶壓進(jìn)艙作業(yè)是指工作人員在高壓環(huán)境下潛入泥漿內(nèi)盲視工作，是帶壓換刀作業(yè)中最危險(xiǎn)、工作效率最低的一種換刀作業(yè)方式，只有在開(kāi)挖面無(wú)法形成氣密性泥膜時(shí)選擇使用。另外，泥漿潛水帶壓進(jìn)艙作業(yè)是一種帶壓換刀搶險(xiǎn)作業(yè)方式，多應(yīng)用于帶壓換刀開(kāi)挖面坍塌后的事故處理。

南京揚(yáng)子江隧道盾構(gòu)第3次帶壓換刀[11]期間，在泥水艙內(nèi)修復(fù)刀盤(pán)正面時(shí)，由于在開(kāi)挖面上開(kāi)挖作業(yè)操作不當(dāng)，導(dǎo)致隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的泥漿壓漿修復(fù)作業(yè)仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)空氣支護(hù)開(kāi)挖面，換刀作業(yè)停滯。在多次嘗試重建開(kāi)挖面泥膜失敗之后，最終采用了直接潛水帶壓換刀作業(yè)，這是國(guó)內(nèi)首次在高水壓(最大作業(yè)壓力0.65 MPa)條件下實(shí)施泥水盾構(gòu)泥漿潛水帶壓換刀作業(yè)，如圖9所示。

(a) 艙外監(jiān)控系統(tǒng)(攝像頭置于氣墊艙上部)

(b) 潛水員潛入氣墊艙內(nèi)圖9 南京揚(yáng)子江隧道泥漿潛水帶壓換刀作業(yè)

Fig. 9 Diving cutting tool replacement of Yangtze River Tunnel in Nanjing under hyperbaric condition

6 盾構(gòu)開(kāi)艙動(dòng)火作業(yè)技術(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，因地質(zhì)條件、地下障礙物等影響，刀盤(pán)、刀具不可避免地會(huì)遭到磨損，因此，需及時(shí)對(duì)刀盤(pán)、刀具進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)方法主要分為常壓動(dòng)火作業(yè)和高壓動(dòng)火作業(yè)。

6.1 高壓條件下刀盤(pán)修復(fù)與動(dòng)火作業(yè)

高壓動(dòng)火作業(yè)是指在停機(jī)位置刀盤(pán)前方建立作業(yè)空間，由維修人員在該空間內(nèi)進(jìn)行動(dòng)火作業(yè)。這種方法適用于受環(huán)境條件限制無(wú)法開(kāi)鑿豎井或進(jìn)行地面加固的情況，例如江河、海底、建筑物或密集管線的下方。因此，針對(duì)復(fù)雜條件下的盾構(gòu)事故處理，高壓動(dòng)火作業(yè)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

南京揚(yáng)子江隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)阻力和轉(zhuǎn)矩較大，通過(guò)開(kāi)艙檢查發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)出現(xiàn)溝槽磨損，寬度約30 cm，深度為2～6 cm，原因可能是滾刀掉落磨損或其他物品磨損。刀盤(pán)溝槽磨損情況示意圖如圖10所示； 作業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)溝槽照片如圖11所示； 溝槽兩端加焊刮刀如圖12所示。

(a) 溝槽磨損寬度

(b) 溝槽磨損區(qū)域圖10 刀盤(pán)溝槽磨損情況示意圖Fig. 10 Sketches of groove wear of cutterhead

圖11 作業(yè)人員量測(cè)刀盤(pán)磨損溝槽情況Fig. 11 Groove wear measuring of cutterhead

圖12 溝槽兩端加焊刮刀Fig. 12 Scraper welded on both end of groove of cutterhead

6.2 作業(yè)原理與工藝流程

高壓環(huán)境下的動(dòng)火作業(yè)實(shí)質(zhì)是帶壓進(jìn)艙作業(yè)的延伸。盾構(gòu)的刀盤(pán)刀具根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)預(yù)估損壞或突發(fā)損壞停機(jī)后，首先，需要通過(guò)一定的技術(shù)措施在掌子面下方構(gòu)建安全的地下高壓作業(yè)空間，以氣壓替代掘進(jìn)過(guò)程的泥水壓； 然后，作業(yè)人員通過(guò)盾構(gòu)的人艙加壓進(jìn)入高壓作業(yè)空間內(nèi)，按照規(guī)定程序進(jìn)行焊接、切割以及刀盤(pán)修復(fù)作業(yè)。在此修復(fù)過(guò)程中，需要通過(guò)一定的技術(shù)措施維持地下高壓空間的作業(yè)安全和氣密性要求，并按照規(guī)定和要求保障作業(yè)人員的安全和健康。

在高壓環(huán)境下動(dòng)火作業(yè)前，應(yīng)做好以下準(zhǔn)備工作： 1)選擇合適的停機(jī)位置； 2)進(jìn)行地層加固； 3)建立高壓作業(yè)空間。高壓動(dòng)火作業(yè)工藝流程如圖13所示。

圖13 高壓動(dòng)火作業(yè)工藝流程Fig. 13 Working flowchart of high pressure fire operation

6.3 高壓動(dòng)火作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于高壓動(dòng)火作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的研究主要包括： 1)封閉條件下火災(zāi)煙流特性動(dòng)力學(xué)仿真研究，主要通過(guò)高壓焊接作業(yè)試驗(yàn)系統(tǒng)(如圖14所示)開(kāi)展試驗(yàn)研究和計(jì)算分析，火災(zāi)煙流特性仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D15所示。 2)壓縮空氣環(huán)境下焊接電弧行為和地下高壓作業(yè)空間構(gòu)建技術(shù)的研究，主要是通過(guò)工程實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)，形成相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，指導(dǎo)盾構(gòu)開(kāi)艙動(dòng)火作業(yè)。

圖14 高壓焊接作業(yè)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 14 Experimental test system of high pressure welding

圖15 火災(zāi)煙流特性仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 15 Simulation test model of smoke flow characteristics

6.4 南京過(guò)江大直徑盾構(gòu)刀盤(pán)帶壓修復(fù)案例

南京地鐵過(guò)江隧道盾構(gòu)刀盤(pán)直徑為11.76 m，盾構(gòu)一次性穿越長(zhǎng)江，在長(zhǎng)距離掘進(jìn)卵礫石地層中，由于地質(zhì)條件等原因，發(fā)生了刀盤(pán)外圈磨損30～50 cm的嚴(yán)重事故，刀盤(pán)外圈刀具全部損毀，如圖16所示。事故發(fā)生后，由德國(guó)北海公司、上海打撈局和中交一航局聯(lián)合作業(yè)，采用江底高壓動(dòng)火修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了事故處理，修復(fù)時(shí)間7個(gè)月，成功完成了刀盤(pán)修復(fù)和刀具更換。刀盤(pán)修復(fù)方案參數(shù)如表4所示。

圖16盾構(gòu)刀盤(pán)外圈磨損

Fig. 16 Outer ring wear of shield cutterhead

表4 刀盤(pán)修復(fù)方案參數(shù)Table 4 Cutterhead repairing scheme

7 結(jié)論與討論

1)高度重視，強(qiáng)化監(jiān)管。嚴(yán)格執(zhí)行盾構(gòu)開(kāi)艙專(zhuān)家評(píng)審和開(kāi)艙作業(yè)審批制度，規(guī)范作業(yè)、重視風(fēng)險(xiǎn)細(xì)節(jié)管理，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)分析，落實(shí)應(yīng)急措施預(yù)案，杜絕事故的發(fā)生。

2)加快國(guó)內(nèi)盾構(gòu)開(kāi)艙專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍的建設(shè)，完善企業(yè)資質(zhì)和安全生產(chǎn)許可證手續(xù)。目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)艙作業(yè)的勞務(wù)隊(duì)伍僅使用潛水作業(yè)和潛水資質(zhì)人員崗位證書(shū)，而開(kāi)艙作業(yè)與潛水作業(yè)有著實(shí)質(zhì)性的區(qū)別。個(gè)別地區(qū)和單位認(rèn)可潛水作業(yè)人員上崗培訓(xùn)資格，也有單位采用潛水資質(zhì)和盾構(gòu)相關(guān)技術(shù)服務(wù)資質(zhì)，因此，需要統(tǒng)一規(guī)范管理。此外，政府建設(shè)行政主管部門(mén)對(duì)開(kāi)艙勞務(wù)隊(duì)伍的安全生產(chǎn)許可證尚未進(jìn)行審批，嚴(yán)重影響了盾構(gòu)開(kāi)艙技術(shù)的發(fā)展和對(duì)本行業(yè)的監(jiān)管。

3)加快國(guó)內(nèi)大盾構(gòu)常壓刀盤(pán)可伸縮裝置的系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用，確保其可靠性和耐久性。大直徑刀盤(pán)多采用常壓刀盤(pán)的可伸縮性裝置進(jìn)行刀具更換和檢查，從國(guó)內(nèi)典型盾構(gòu)隧道工程的應(yīng)用來(lái)看，由于一些原因，部分刀盤(pán)的常壓可伸縮裝置在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間掘進(jìn)后，可伸縮系統(tǒng)失效或發(fā)生事故，被迫采用帶壓作業(yè)。因此，加強(qiáng)常壓可更換裝置的技術(shù)研發(fā)，確保其可靠性和耐久性十分重要。

4)強(qiáng)化盾構(gòu)設(shè)計(jì)選型和刀盤(pán)、刀具的設(shè)計(jì)研究工作，減少開(kāi)艙作業(yè)頻率是盾構(gòu)設(shè)計(jì)和安全風(fēng)險(xiǎn)防范的根本。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)大直徑泥水復(fù)合盾構(gòu)隧道工程進(jìn)行研究和分析發(fā)現(xiàn)，制約工程的最大原因和風(fēng)險(xiǎn)是盾構(gòu)刀盤(pán)和刀具與地層的不適應(yīng)性，其導(dǎo)致刀具頻繁更換，造成項(xiàng)目成本和工程換刀風(fēng)險(xiǎn)增加，如果能從根本上解決這一難題，將大大減少盾構(gòu)開(kāi)艙換刀和動(dòng)火作業(yè)的次數(shù)和頻率，降低工程安全風(fēng)險(xiǎn)。

5)完善開(kāi)艙和艙內(nèi)動(dòng)火作業(yè)技術(shù)規(guī)范、規(guī)程。國(guó)內(nèi)開(kāi)艙和動(dòng)火作業(yè)的規(guī)范尚不完善和健全，應(yīng)制定完善的操作規(guī)程，完善開(kāi)艙作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

6)加強(qiáng)國(guó)際、國(guó)內(nèi)行業(yè)間的盾構(gòu)技術(shù)交流，共同推動(dòng)我國(guó)盾構(gòu)事業(yè)的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)各部門(mén)及國(guó)內(nèi)與國(guó)際間的技術(shù)交流不暢，行業(yè)間技術(shù)發(fā)展不平衡，交流不密切，需在統(tǒng)一的技術(shù)條件下共同發(fā)展。

7)加強(qiáng)開(kāi)艙風(fēng)險(xiǎn)分析，完善崗位責(zé)任制度，共同推動(dòng)盾構(gòu)開(kāi)艙技術(shù)的健康發(fā)展。重視對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)和開(kāi)艙的技術(shù)管理和風(fēng)險(xiǎn)分析，加強(qiáng)對(duì)停機(jī)開(kāi)艙位置地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的研究，制定完善的開(kāi)艙和動(dòng)火作業(yè)方案，加強(qiáng)作業(yè)程序?qū)徟捅O(jiān)管，落實(shí)安全責(zé)任制和應(yīng)急預(yù)案，確保工程安全施工。

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