地鐵海底隧道泥水盾構(gòu)帶壓查換刀監(jiān)理安全技術(shù)控制措施

張恒忠（上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司，上海 200032）

近年來，隨著國內(nèi)地鐵建設(shè)的高速發(fā)展，地鐵工程不僅在大中城市陸地下穿行，越來越多的地鐵線路常常還要下穿江、河、湖、海。海底隧道往往線路區(qū)間距離超長，且不易或無法在海床上增加工作井，再加之地質(zhì)的特殊情況，盾構(gòu)在推進過程中刀具磨損嚴重，就必須在區(qū)間內(nèi)進行查換刀具。如果查換刀具點的水文、地質(zhì)情況無法滿足常壓查換刀條件，就必須在帶壓情況下查換刀具，帶壓查換刀工作風(fēng)險極大。有些地鐵工程在帶壓查換刀過程中出現(xiàn)過安全事故，既造成現(xiàn)場一些人員傷亡、財產(chǎn)損失，也對地鐵工程推進速度造成嚴重影響，還造成嚴重的社會負面影響。如何在保證工期、確保安全前提下進行查換刀具，一直困擾著各參建方（尤其是業(yè)主方）。筆者希望介紹的案例能給其他地鐵的各參建方起到參考作用。

1 工程概況

青島市地鐵 8 號線工程大洋站～青島北站區(qū)間共長約7.8 km，兩側(cè)陸域段共長 2.4 km；海域段共長約 5.4 km，海域段西側(cè)長 2.5 km（采用礦山法工法），海域段東側(cè)長約 2.9 km，采用泥水盾構(gòu)工法。泥水盾構(gòu)于 2 號風(fēng)井始發(fā)，在膠州灣海底與西側(cè)礦山法隧道對接（海底對接段），棄殼接收。線路最大坡度為 28‰，區(qū)間最小埋深約為 26.49 m，最大埋深約為 51 m，區(qū)間襯砌環(huán)外徑 6.7 m，襯砌厚度 0.35 m。筆者介紹的就是海域段東側(cè)泥水盾構(gòu)帶壓查換刀施工監(jiān)理監(jiān)控內(nèi)容。

2 水文和地質(zhì)情況

2.1 水文情況

本工程區(qū)間海域段為膠州灣北部區(qū)域，地表水為海水，海水受潮汐影響，整體水深自西向東加大，最高潮位水深 3 m～11 m；地下水賦存方式主要為第四系松散巖類孔隙潛水、風(fēng)化基巖孔隙水和構(gòu)造基巖裂隙水三種。

2.2 地質(zhì)情況

區(qū)間海域段主要穿越地層為盾構(gòu)區(qū)間穿越主要地層為：? 中粗砂（石英含量 47%～57%），?1粉質(zhì)黏土（石英含量 15%～25%），?11強風(fēng)化火山角礫巖（石英含量 25～65%），?13強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（石英含量15%～50%），?8-2強風(fēng)化凝灰?guī)r（砂土狀碎裂巖），?11-2中風(fēng)化火山角礫巖（石英含量 25%～65%），?13中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（石英含量 15%～50%），?8-2中風(fēng)化凝灰?guī)r（塊狀碎裂巖），?8微風(fēng)化凝灰?guī)r，?8-3微風(fēng)化凝灰?guī)r（JL）。海域段共穿越 2 條斷裂帶（F3 和 F4 斷裂帶），其中 F3 斷裂帶長 90 m、F4 斷裂帶長 613m。

圖1 東側(cè)過海段總平面圖

3 盾構(gòu)開倉（帶壓檢換刀具）作業(yè)風(fēng)險分析

依據(jù)類似工程的施工經(jīng)驗和實際工況分析，主要安全風(fēng)險如下。

（1）職業(yè)?。p壓病、氣壓性損傷、氮麻醉、氧中毒、中暑等）。

（2）意外傷害（重物砸傷及工具傷、滑倒摔傷或墜落傷、氣體中毒、倉門打開時機械傷害、設(shè)備誤操作意外停電、空壓機故障等）。

（3）擊穿覆土層（計算水土壓過高、泥膜質(zhì)量不能滿足要求或保壓設(shè)備不穩(wěn)等因素）。

（4）掌子面失穩(wěn)（地層斷面穩(wěn)定性差、泥膜質(zhì)量差、水土壓力設(shè)定不合理等因素）。

（5）盾尾后方涌水（盾尾刷油脂不足、同步注漿不到位、環(huán)箍注漿不到位等因素）。

4 監(jiān)理控制措施

4.1 進倉查換刀位置及前后范圍預(yù)確定

監(jiān)理部深知帶壓查換刀作業(yè)安全風(fēng)險極大，科學(xué)合理確定查換刀位置至關(guān)重要，總監(jiān)帶隊組織專業(yè)監(jiān)理工程師、施工單位土建技術(shù)人員、地質(zhì)勘探技術(shù)負責(zé)人、設(shè)計負責(zé)人等成立專業(yè)小組，共同對地質(zhì)報告進行細致、深入研究分析，再結(jié)合盾構(gòu)刀具材料、品牌、耐磨性能及盾構(gòu)施工經(jīng)驗，首先確定查換刀位置初選原則如下。

（1）優(yōu)先選擇巖層穩(wěn)定、上部巖層覆蓋多及掌子面為全斷面硬巖地層。

（2）適合壓氣換刀地層：粉質(zhì)土層透水性差，壓氣效果較好。

（3）隧道正上方存在不小于 3 m 的黏土層且地下水位在黏土層以上。

（4）隧道正上方不存在砂層及淤泥層等孔隙比大、壓縮系數(shù)大的地層。

（5）盾構(gòu)掘進地層中的石英含量作為選擇預(yù)設(shè)查換刀位置/距離的一項重要依據(jù)。

明確查換刀位置初選原則之后，把初選位置及前后范圍編制成專項施工方案，報專業(yè)小組審核、審批，組織專家組進行咨詢，完善專家咨詢意見，組織專家進行評審、簽字確認；最后報總監(jiān)審批。

最終確定查換刀位置如下：海域段左線、右線預(yù)設(shè)查換刀具地點各 7 個，前后范圍 50 m（更換點情況略）。

4.2 進倉方式的判斷

當(dāng)泥水盾構(gòu)掘進到預(yù)確定查換刀位置或盾構(gòu)掘進參數(shù)異常（初步判斷為刀具異常）時，要及時安排做好查換刀停機準(zhǔn)備工作，在準(zhǔn)備工作完成后，總監(jiān)組織各參建方一起對進倉方式進行判斷選擇。進倉方式分常壓和帶壓兩種方式。常壓進倉方式需滿足以下兩個條件：（1）掌子面穩(wěn)定，即掌子面沒有掉塊、圍巖完整性好；（2）泥水倉液位穩(wěn)定，即先把泥水倉液位降至1/2～1/3處，再把氣墊倉氣壓逐步緩慢降到常壓狀態(tài)，泥水倉液位基本沒有變化或變化很小處于可控狀態(tài)。常壓進倉查換刀工作效率高、風(fēng)險小，具體管控措施不在文中贅述。如果不能滿足上述兩個條件就必須選擇帶壓進倉方式。筆者主要對帶壓進倉方式管控措施進行詳細講解。

4.3 帶壓進倉查換刀前監(jiān)理管控措施

4.3.1 監(jiān)理對進倉前現(xiàn)場準(zhǔn)備工作檢查驗收

（1）監(jiān)理旁站注漿過程及注漿效果驗證。

同步注漿。盾構(gòu)到達預(yù)先設(shè)定的進倉里程點之前的 10環(huán)，應(yīng)保證同步注漿效果，確保管片壁后空隙填充密實，無流水涌入刀盤，注漿壓力略大于氣墊倉的設(shè)定壓力即可。

環(huán)箍注漿。在掘進至開倉位置后，對脫出盾尾的3～5 環(huán)進行止水環(huán)箍注漿，以達到成圈的止水環(huán)箍，防止盾尾的來水通過盾殼與開挖面的間隙流至前倉，保證前方土倉內(nèi)土體的穩(wěn)定性。注漿采用水泥與水玻璃雙液漿進行封堵，封堵時根據(jù)泥水倉壓力控制注漿壓力，維持此壓力3 min～4 min 即可停止注漿，初凝時間控制在 6 h 左右。

盾體注入膨潤土漿液。主要目的是：減少前、中盾在后續(xù)復(fù)推過程中的摩擦阻力，對前中盾環(huán)向四周起到一定的潤滑作用，最大程度降低總推力消耗；在盾體與巖面空隙注入膨潤土漿液形成第二道防水線，阻擋盾尾后部地下水滲入土倉內(nèi)?，F(xiàn)場監(jiān)理對上述注漿過程進行旁站并做好旁站記錄，漿液凝固后進行效果驗證。

（2）盾尾刷油脂注入檢查驗收，主要防止盾尾后部地下水通過盾尾刷空隙滲入至隧道內(nèi)，油脂管道注脂壓力控制在 10 bar～14 bar，注入油脂量約 240 kg～480 kg，現(xiàn)場監(jiān)理全過程旁站、做好記錄并驗收簽字。

（3）監(jiān)理對泥膜建立和保壓實驗進行全過程見證。

泥膜建立。泥膜建立的好壞，很大程度影響掌子面穩(wěn)定性及掌子面滲漏水情況，因此泥膜建立過程控制是監(jiān)理管控工作重中之重。

第一步，采用比重為 1.1～1.15、黏度為 20 s～23 s 的稀泥漿進行約 6 h 的大循環(huán)漿液置換，使?jié){液在掌子面地層中形成較厚的泥膜滲透帶。

第二步，采用比重為 1.15～1.2、黏度為 25 s～30 s 的泥漿再進行約 6 h 的大循環(huán)漿液置，使?jié){液在開挖面表面進一步形成較厚的致密泥皮，靜止 2 h 后觀察液面穩(wěn)定情況。

第三步，當(dāng)氣墊倉液位完全穩(wěn)定后，進行開挖倉氣體置換密封實驗。降壓或升壓的過程中，嚴格控制降升速度，液面變化的速度控制在 2 cm/min 之內(nèi)，切口壓力波動控制在設(shè)定值的 ±0.1 bar 之內(nèi)。

第四步，當(dāng)氣體置換完畢并停止泥漿循環(huán)之后，為了確保在長時間進倉作業(yè)過程中開挖倉內(nèi)泥漿質(zhì)量的穩(wěn)定，必須采用黏度不小于 100 s（膨潤土 200 g，水 1 000 g，HS-3 15 g），比重不小于 1.2 的高濃度高質(zhì)量泥漿直接用同步注漿泵注向開挖倉。確保掌子面穩(wěn)定。

保壓實驗。在保壓實驗開始前，通過 Samson 系統(tǒng)將壓力最終設(shè)置為盾構(gòu)機切口壓力值；通過 samson 系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，保持氣墊倉和泥水倉氣壓穩(wěn)定。保持氣壓工作狀態(tài)持續(xù)不得低于 2 h，必要時延遲試驗時間，通過觀察氣壓的變化情況、保壓試驗前后渣土情況和監(jiān)測地面沉降情況，來判斷切口面是否穩(wěn)定、泥膜質(zhì)量是否良好。保壓實驗完成后確定進倉工作壓力。

4.3.2 總監(jiān)組織關(guān)鍵節(jié)點條件驗收會

監(jiān)理檢查驗收現(xiàn)場準(zhǔn)備工作完成后，總監(jiān)立即組織各參加單位負責(zé)人及青島市市政管理處領(lǐng)導(dǎo)召開開倉前條件驗收會，會上主要審核、檢查內(nèi)容如下：檢查開倉查換刀專項施工方案及安全技術(shù)交底情況，專項應(yīng)急預(yù)案及演練情況；審核帶壓進倉查換刀分包單位資質(zhì)（潛水作業(yè)）報審、開倉（換刀）人員培訓(xùn)結(jié)業(yè)證書、潛水員證及空氣潛水證、體檢報告等；檢查設(shè)備報驗及調(diào)試情況(包括：氣體檢測設(shè)備、空氣、通風(fēng)、保壓系統(tǒng)、壓力表、儲氣罐、空氣罐、防爆電話、安全閥監(jiān)測報告等)；監(jiān)測方案、基準(zhǔn)點已復(fù)測合格，監(jiān)測控制點、監(jiān)測點已按監(jiān)測方案布置及并測取初始值情況；應(yīng)急物資是否齊全并運送至施工現(xiàn)場，機械設(shè)備等已安裝調(diào)試完成情況；進一步核實、確認監(jiān)理現(xiàn)場旁站、驗收記錄；如果上述內(nèi)容全部滿足要求，關(guān)鍵節(jié)點驗收通過，可立刻安排帶壓開倉查換刀開始。

4.4 帶壓進倉查換刀過程中監(jiān)理管控措施

4.4.1 入倉前，洞內(nèi)監(jiān)理核對內(nèi)容

（1）進倉操作人員，倉外服務(wù)人員、監(jiān)督人員、管理人員是否到位，是否與人員分工表一致。

（2）按照工器具清單檢查作業(yè)所需工具設(shè)備材料是否齊備、是否一致。

（3）核查對入倉操作人員安全技術(shù)交底書內(nèi)容：本倉具體工作內(nèi)容，預(yù)定的工作壓力、加壓時間、工作時間、減壓時間是否明晰，是否符合規(guī)范，是否與方案一致。

（4）再一次檢查顯示儀表、供暖裝置、鐘表、溫度計、氣體檢測儀器、電話、緊急電話及閥門、倉門密封件是否干凈，是否有效。

4.4.2 入倉后，監(jiān)理工作要點

（1）洞內(nèi)監(jiān)理工作。監(jiān)督關(guān)閉主倉倉門并確保正確鎖好，操倉人員要通過對講機一直與坐在主倉中的人員聯(lián)系；觀察倉外氣壓表并做好記錄、觀察倉內(nèi)人員反應(yīng)是否正常；監(jiān)督保證倉內(nèi)有一定通風(fēng)量；記錄進倉后加壓時間、工作時間、減壓時間，如有異常立刻上報。

（2）地面監(jiān)控室監(jiān)理工作。觀察倉內(nèi)壓力；觀察倉內(nèi)液位變化情況；監(jiān)督施工單位在監(jiān)控室的指揮人員、值班人員 24 h 在崗。

4.4.3 出倉時監(jiān)理工作

監(jiān)督嚴格執(zhí)行出倉時壓力慢慢降低，通過人倉減壓方案減壓后離開人倉；跟蹤了解出倉人健康表現(xiàn)情況。第一倉人員出倉減壓后離開、第二倉人員入倉，不停歇地進行循環(huán)，直到查換刀具工作完成。

5 效果評價

本工程海域段泥水盾構(gòu)隧道區(qū)間長 2.9 km，歷經(jīng)約17 個月，左右線盾構(gòu)從 2 號風(fēng)井始發(fā)到海底對接段棄殼接收，左右線共經(jīng)歷 4 次常壓查換刀，10 次帶壓查換刀工作；帶壓工作壓力設(shè)定最小為 3.5 bar、最大 5.1 bar，時間最短一次 7 d、時間最長一次 20 d，共換下各類刀具 300 余把，整個過程中無任何安全、質(zhì)量事故發(fā)生，且進度比計劃工期提前一個多月。業(yè)主認為監(jiān)理工作認真負責(zé)、監(jiān)控方法科學(xué)合理、監(jiān)管力度到位、表現(xiàn)突出，一次性獎勵監(jiān)理單位 50 萬元，同時監(jiān)理單位也得到青島市行政監(jiān)管部門通報表揚和高度肯定。