隧道盾构带压进舱作业的潜水技术问题

薛利群， 张国光

(上海交通大学海洋水下工程科学研究院， 上海　200231)



隧道盾构带压进舱作业的潜水技术问题

薛利群， 张国光

(上海交通大学海洋水下工程科学研究院， 上海200231)

摘要：从潜水技术的专业视角探讨潜水技术与盾构施工的应用问题，通过研究隧道盾构带压作业的主要难点和技术条件、所需潜水技术及特征、主要潜水设备、潜水技术应用的一般准则等，以解决隧道盾构带压进舱作业的潜水技术应用问题。主要结论如下：1)潜水技术适用于隧道盾构施工作业； 2)潜水技术用于隧道盾构作业，除需解决装备、规程及减压表等软硬件外，潜水人员及作业管理也是其成败之关键； 3)与隧道盾构作业所需潜水作业相比，海上潜水面对的环境更严酷，更复杂，人员装备的要求更高； 4)我国隧道盾构带压作业潜水，目前需要优先关注的是如何将海洋工程潜水技术科学有效地移植于隧道盾构施工带压作业领域。

关键词：盾构施工； 带压进舱； 潜水技术； 饱和潜水

0引言

盾构是一种机械化和自动化程度较高的隧道掘进施工方法。这项已有190年历史的隧道施工技术，始于英国，兴于日本、德国，如今在我国越来越成为各种地层或繁忙闹市区域地下工程施工的重要手段。随着水下及地下高水位隧道建设需求的增加，盾构带压进舱及带压潜水换刀等新技术的应用，已越来越引起业界的关注。近年完成的典型工作有： 杨文武[1]根据世界上已建成的几大标志性盾构法水下隧道工程，讨论水下隧道盾构工法的技术发展；孙谋等[2]结合武汉长江隧道等水下盾构隧道工程，对水下盾构施工合理覆盖层厚度、盾构类型及关键参数确定进行了分析；孙善辉等[3]就盾构饱和气体带压进舱的方法、设备、设施的配套等方面进行可行性分析；陈馈[4]从换刀装置、换刀模式等方面介绍盾构带压进舱换刀及带压潜水换刀等超高水压换刀新技术；吴忠善等[5]研究超大直径泥水盾构带压进舱换刀技术在南京纬三路过江通道工程中的应用。以上主要集中于从隧道工程建设的角度进行技术总结和研究，很少对潜水技术与盾构施工应用的系统研究或阐述。

本文结合近来参与完成的若干相关项目，尝试以潜水技术及装备应用的专业视角，分析我国盾构带压进舱作业面临的困难及技术需求，介绍现有成熟常用潜水技术及其特征，研究盾构带压进舱∕换刀作业必需配置的主要潜水技术装备，同时提出不同盾构施工条件下潜水技术的应用原则，探讨我国盾构施工带压作业潜水技术的发展。

1盾构带压作业及技术条件

1.1盾构带压作业

水底隧道盾构法不仅适用于软土地质的隧道开挖，近年来也已应用于岩石和复合地层的隧道建设。受复杂地质条件的影响，隧道盾构施工通常会造成盾构机头部挖掘刀具的严重磨损，需要进行刀盘刀具的检查、更换、维修，以及工作面清障等工作。因此带压进舱作业是盾构掘进过程中一项不可或缺的重要工作。具体而言，隧道盾构“带压进舱”(也称气压进舱，或超压进舱)是通过对盾构开挖舱用空气加压建立平衡气压，将舱内的部分泥水排除，腾出上部空间；然后，工作人员进入设在盾构端头的人闸舱(包括主舱和副舱)，利用空气对人闸舱加压(人舱加压环境)；待人闸舱的压力与开挖舱内的压力平衡后，打开人闸舱内门，进入开挖舱的上部空间作业；任务完毕后，作业人员由开挖舱返回人闸舱(或转运舱)；通过相应的减压程序，最后返回常压环境。位于盾构机前端中上部的人闸舱位置见图1。

图1　位于盾构机前端中上部的人闸舱位置

1.2作业难点

与常压进舱作业技术相比，盾构带压进舱作业的主要困难点在于(并不仅限于)：

1)需要有人在压力下进入盾构开挖舱内部(干式或湿式环境)，其高气压作业环境类似于水下施工作业。对于工作压力高于0.6 MPa，且作业周期时间较长的带压开舱工作，需要采用饱和潜水技术。

2)情况复杂(如泥浆、水压、塌方、有害气体等)，易发意外事件，可能危及进入盾构压力区作业人员的安全。

3)需要对盾构开挖面进行压力平衡。水土压力将视盾构所处工程地质及水文条件而不同。平衡气压值的确定计算示意见图2。

图2　平衡气压值的确定

4)加压及保持压力平衡过程中的施工安全。比如易液化土层的流砂、管涌，含水砂卵砾石层自稳性差、易塌陷，以及浅覆土容易引发冒顶、通透水流等。

5)由于盾构直径较大(可达10～15 m)，存在较大的过剩压力区，会加大空气消耗量，使得压缩空气的单位时间总耗量难以确定。

6)泥水加压平衡(泥水盾构)状况下，泥浆对作业者(潜水员)的呼吸、视觉影响较大，需采取相应防护措施。

7)带压进舱作业可能影响操作人员的健康，易发生减压病。如：香港九龙海底铁路隧道(1976—1979)，减压病1 534例，发病率万分之53%[6]； 丹麦大贝尔特海峡(Great Belt)铁路隧道(1992—1996)，减压病13例，发病率万分之0.14%。其中2例永久残留症状[7]。 我国南京长江隧道(2008—2009)减压病7例，发病率万分之0.18%[8]。

1.3技术条件

在水下及地下高水位条件下实施盾构带压进舱作业(潜水作业)，通常应具备的基本条件如下。

1)盾构头部(开挖舱)具备带压进舱的设备条件，能够配置盾构人闸舱(人员平衡舱)。

2)潜水设备，即与潜水作业相关的设备。如适合相应潜水作业方式需要的潜水装备系统，人闸舱、人员转运舱、医疗减压舱，以及在隧道内运输、吊装、转接等设施的配置。

3)合格操作人员。掌握潜水技术，能够运用所配置的潜水装备系统的相关人员，包括：

①潜水综合指挥协调人员。应对盾构内刀具更换情况、对潜水作业技术、对各类潜水装备装具、对潜水医学均有一定的了解，可通盘指挥整个带压进舱的作业过程。

②潜水或高气压作业人员。应具有潜水作业技能，同时掌握盾构刀具更换以及相应检修任务的专业技能。

③潜水医学保障人员。能够根据实际作业情况，选择潜水方案、减压方案及应急减压病治疗方案的制定。

④设备的操作人员。饱和舱，转运舱及平衡舱的操作、维护保养人员；使用饱和舱潜水，通常需24 h连续运转。

4)合理的潜水作业方案。根据不同水压(深度)、不同作业要求，采用合理的潜水作业方式。比如在24 m以浅干式环境，可采用经培训合格的隧道工人作业方式，而湿式及水下环境，应采用空气潜水作业；在

50 m以浅，可以选择空气潜水作业方式；在50 m以深，可以采用饱和潜水作业方式等。

5)应急处理能力及预案。实施盾构气压进舱作业，应具备潜水意外事件的应急处置能力，并编制相应的应急处置预案。

2潜水作业技术及特征

可用于隧道盾构施工的潜水作业技术，按潜水员呼吸气体的组成，分为空气潜水与混合气潜水；按潜水的实施程序，有常规潜水与饱和潜水之分。常规潜水又分为空气常规潜水、氮氧常规潜水和氦氧常规潜水；饱和潜水又分为空气饱和潜水、氮氧饱和潜水、氦氧饱和潜水和氦氮氧饱和潜水等。典型潜水技术的应用性分析比较见表1。

表1　典型潜水技术的应用性分析比较

2.1空气常规潜水技术

空气常规潜水(常称空气潜水)是水下工程技术领域应用最广的潜水技术，潜水员以压缩空气作为呼吸介质进行潜水作业。其特点是设备简单，要求低，呼吸介质易于获得。

受氮麻醉和氧中毒的制约，我国和前苏联均规定空气潜水的最大安全深度为60 m，英国等规定为50 m。我国规定，使用自携式水下呼吸器进行空气潜水的最大安全深度为40 m；使用水面供气式空气潜水(包括轻装、重装)的最大安全深度为60 m。同时规定，当潜水深度大于24 m，或减压时间超过20 min，或在水下不能安全减压时，潜水现场应配备可使用的水面减压舱及用于减压和治疗的氧气。潜水减压时，减压舱内静息状态下呼吸氧气的最大安全深度为18 m[9]。

2.2氦氧常规潜水技术

氦氧混合气常规潜水(Heliox diving)指使用人工配制的氦氧混合气(比如21%氧气和79%氦气，或其他比例组合的混合气)作为呼吸介质的水面供气式混合气潜水，但不包括氦氧饱和潜水，所以也称为“氦氧常规潜水”。其对于短时间、大深度潜水，不失为一项最常用的现代深潜水技术手段。

氦氧常规潜水的一般适用范围不超过120 m。按照我国相关规定： 氦氧常规潜水的最大安全深度为120 m。采用自携式混合气潜水装具(SCUBA)的潜水深度一般不超过80 m；采用开式钟潜水所能到达的最大深度为90 m，水底作业时间在浅水中不超过3 h，在90 m时为1 h；采用闭式钟潜水的工作深度为120 m，水底停留时间为1.5 h。潜水深度大于150 m时，必须配备热水服及呼吸气加热设备[10]。

2.3饱和潜水技术

根据潜水员的呼吸气体，饱和潜水分为空气饱和、氮氧饱和、氦氧饱和、氢氧饱和，以及氦氮氧饱和、氢氦氧饱和等多种饱和潜水技术。潜水员在完全饱和的深度下，即使延长暴露时间，其饱和度也不再增加，所需减压时间与初饱和时的时间相同。受制于高分压氧的毒性作用(肺型氧中毒)和高分压氮的麻醉作用(氮麻醉)，空气饱和潜水的深度不应超过18 m(最大安全深度为15 m)；氮氧饱和潜水的安全深度为 36.5 m，若采用氮氧饱和-空气巡回潜水则深度限制在76.5 m以浅，工作时间可达45 min；氦氧饱和潜水的作业深度一般在200～300 m。海上作业的最大深度已超过500 m(1988年法国COMEX，地中海，534 m氦氧饱和潜水)。

作为实施深水、大规模、长时间水下作业的重要手段，饱和潜水是一项复杂的系统工程，对设备系统、作业人员及医务保障都有较高的要求[11]。 在海洋水下工程实践中，潜水员饱和环境下的持续停留时间一般不超过28 d(包括减压)。通常情况下，潜水作业深度超过120 m、作业时间超过1 h，宜采用饱和潜水作业。目前，饱和潜水技术已广泛应用于海洋石油、天然气勘探和开发领域的潜水服务。

2.4饱和-巡回潜水技术

潜水技术及潜水作业方案的应用，不仅涉及作业水深(压力)、劳动强度，还与水下停留的持续时间有关。饱和-巡回潜水(Saturation-excursion diving)是指在饱和潜水过程中，处于饱和状态的潜水员从饱和深度外出，在水中向下、向上或水平进行一定深度的潜水，无需减压即可安全返回原来的饱和深度。按饱和与巡潜的状态及呼吸介质，可以有空气饱和-氮氧巡潜，氮氧饱和-空气巡潜，氮氧饱和-氦氧巡潜，氦氧饱和-氦氧巡潜等不同组合方式。采用饱和-巡潜作业，有利于根据不同的作业水深，以相对安全、简单、经济的方式完成作业任务。其中，氮氧饱和潜水是用氮气作为平衡气，其氧分压控制在25.0～35.0 kPa。其优势在于氮气的价格远低于氦气，具有较好的经济性。比如：

1)氮氧饱和-空气巡潜。利用氮氧30.5～36.5 m饱和及空气巡回潜水，作业水深大于60 m时，巡潜深度60、65、70、75 m的工作时间，分别为6、5.5、4、1 h，且不会发生氧中毒和氮麻醉现象。

2)氮氧饱和-氦氧巡潜。一门新的潜水作业技术，既解决了大深度空气巡潜时可能的氮麻醉问题，且作业深度更大，时间也较长。国内多次成功进行的25 m氮氧饱和80 m氦氧巡潜实验表明，氦氧巡潜深度80 m时，水下作业时间可达70 min；巡潜深度60～70 m时，可在150 min之内。

典型潜水技术的装备需求比较见表2。

表2　典型潜水技术的设备需求比较

3带压进舱作业的主要潜水装备

3.1人闸舱

人闸舱全称“隧道盾构机人闸舱系统”(也称人舱或平衡舱)，用于承压、塌方等复杂地下盾构施工中的带压开舱，通过与掘进操作系统(土舱)连接，保障操作人员维护与保养时的人身安全(见图3)。

图3　盾构开舱作业的人闸舱

目前国内通用的隧道盾构用人闸舱，多是按照空气潜水作业要求进行设计制造的，使用工作压力一般不超过0.30 MPa。对于最大工作压力达0.60～0.70 MPa(比如南京长江隧道)或更大压力的饱和人闸舱，设计制造应满足氦氧混合气潜水作业的要求。比如提供氦氧混合呼吸气的供排气装置(包括面罩呼吸及潜水装具呼吸接口)，以及氦氧环境下的通讯联络装置等。

3.2医疗减压舱

医疗减压舱(也称甲板减压舱)，是在潜水现场供潜水员进行减压或治疗的一种圆柱形钢制压力容器，最大工作压力一般为1.0 MPa。根据不同的使用目的，医疗减压舱的舱室结构有单舱、双舱和三舱多种。常规空气潜水使用的多为卧式双舱三门，或双舱四门结构减压舱。一种常见的小型潜水减压舱如图4所示。

3.3饱和潜水设备

在海洋水下工程领域，实施饱和潜水的设备系统一般包括甲板加压舱组(含主舱、过渡舱、居住舱)、潜水钟(人员转运舱，PTC)、生命维持系统、环境控制系统、通讯系统、卫生系统、吊放装置和气瓶组，以及高压逃生系统(HES)等。对于隧道盾构带压进舱作业，人员转运舱及饱和潜水舱则是必备的基本设备系统。

图4　典型的小型潜水减压舱

3.3.1转运舱

人员转运舱是利用饱和潜水技术实施隧道盾构带压进舱作业的关键设备，其作用与海上饱和潜水作业使用的潜水钟(或可潜式潜水舱，SDC)一样，是潜水员从作业区至饱和潜水舱之间的转送工具(见图5)。可在饱和潜水状态下将工作人员转运至隧道外的饱和潜水舱内，同时也可将饱和舱内的工作人员转运至盾构机上的人闸舱。转运舱本身也是一个移动的小型饱和舱，一般额定载员3至4人。

图5　盾构进舱作业人员转运舱

不同的是，潜水钟内需要的各类气体、保暖用水、电器设施供电等生命保障设施，是通过与母船连接的脐带供给；设在潜水钟外的各类气源钢瓶，仅在应急条件下使用，且钟外一般不设应急电源，仅设应急信标。而隧道盾构用的人员转运舱，不便用脐带方式对舱内进行各类生命保障，因此转运舱必须在一定的时间内，依靠自身携带的各类生命保障设施维持舱内工作人员的生命安全。转运舱在氦氧饱和潜水时为氦氧混合气环境，其余工况按实际情况可为空气或氮氧饱和环境，最低自持力时间为4 h。

3.3.2饱和潜水舱

饱和潜水舱(也称为饱和潜水系统)是饱和潜水作业必需的关键设备之一，主要用于人在饱和状态的生活和工作。国内最早建造的300 m饱和潜水舱群如图6所示。

图6　300 m饱和潜水舱

综合型饱和潜水系统(ISDS)，一般按9、12、16、18或24人配置。标准设计作业水深，多为300～500 m。模块化饱和潜水系统(MSDS)，一般按6、9、12或16人设计，以标准集装箱为尺度配置，便于快捷、远距离调遣部署。还有按4/6人设计的微型便携式∕模块式饱和潜水系统，以2人潜水钟，压力转运舱(TUP)和4/6潜水员的单闸饱和舱室为基础配置，作业水深100 m，也称为“饱和飞行潜水系统”(SAT FADS)。

与海上作业的饱和潜水一样，盾构内实施饱和潜水作业，也必须配备饱和潜水舱，只是其饱和潜水舱可安置在隧道外的陆地上。根据盾构带压进舱作业，一般选用6或9人的饱和潜水舱。作业人员可3班倒作业，效率更高。与海上饱和潜水作业不同的是，隧道盾构作业不需要设置潜水钟而以转运舱替代；也无需设置潜水钟液压吊放装置及恒张力系统，而以简单的液压升降平台或普通行车吊替代。因此盾构使用的饱和潜水舱相对简单，远没有海上饱和潜水系统复杂。但必须设置转运舱与人闸舱(平衡舱)、饱和舱的对接装置；尤其应特别重视转运舱与人闸舱(平衡舱)的对接，以保障作业人员在高压下的正常转运。盾构作业饱和潜水舱的整套系统设计通常为机动式，由若干个模块组成，在施工现场经过各类管道连接，并接上电源后即可开展工作。海上饱和潜水系统与盾构饱和系统关键设备配置比较见表3。

3.4高气压潜水头盔

对于大深度盾构进舱作业，采用混合气潜水进入开挖舱进行维护和修理作业，潜水员必须穿戴通过“脐带”提供生命支持，能够使用混合气体呼吸的特制轻型高气压潜水头盔(混合气潜水装具)。

为了使潜水员能够在膨润土(bentonite)悬浮液中安全潜水，通常的做法是选用近海工程潜水专用头盔(如柯比摩根27型，57型等)或进行适当改进(见图7)。比如： 在头盔上配备水冲洗装置，以防在膨润土悬浮液中空气调节器的呼吸膜粘在一起，或泥浆影响潜水员视觉。当隧道盾构工作面的温度较高时(比如达40～50 ℃)，潜水头盔还必需设置可控的冷却系统。

表3海上饱和潜水系统与盾构饱和系统关键设备比较

Table 3Comparison and contrast between marine saturation diving system and shield saturation system in terms of key equipment

主要设备海上饱和舱盾构饱和舱加压舱本体有有环境控制系统有有生活水系统有有加压舱控制系统有有供配气系统有有潜水钟有无潜水钟与舱对接装置有无潜水钟脐带有无脐带收放装置有无液压吊放系统有无升沉补偿系统有无潜水钟控制系统有无海水加热系统有无转运舱无有转运舱对接系统无有

图7　威悉河隧道(Wesertunnel)工程使用的潜水头盔

4盾构带压作业潜水技术应用的一般准则

遵循国家相关潜水作业安全标准法规，根据隧道盾构项目带压进舱作业的最大工作深度(或压力范围)及进舱作业的可能持续时间要求，潜水方案及潜水作业技术的应用大致可分为低压(小于24 m)、中压(24～60 m)及高压(大于60 m)3个层次(等级)。带压进舱的水深与作业方式、人员及装备配置见表4。

表4带压进舱的水深与作业方式、人员及装备配置

Table 4Methods, personnel and equipment for diving at different depths

水深/m作业方式作业人员基本装备配置 <24高气压 身体健康经过培训的高气压工潜水减压舱24～60空气常规潜水 经过专门培训的空气潜水员潜水减压舱 >60 混合气常规潜水或饱和潜水 经过专门培训的混合气潜水员和饱和潜水员 饱和潜水舱、转运舱、潜水装具

通过对潜水技术特征及盾构带压进舱作业要求的分析可见，尽管可以将盾构带压进舱的压力范围划分为小于24 m、24～60 m、大于60 m等不同等级，但潜水作业技术方案的选用并不是机械的教条。同样环境条件下的带压进舱，可以通过不同的潜水手段来实现，技术方法具有一定的可重叠性。比如40～60 m水深(或0.40～0.60 MPa的水头压力)既可以采用空气潜水或混合气潜水，也可以选用饱和潜水。根据我国潜水实践和标准法规，对不同水深(压力)范围的超压盾构施工推荐的潜水作业方法见图8。

4.1低压进舱作业

根据GB 26123—2010《空气潜水安全要求》，潜水深度大于24 m或减压时间超过20 min且在水下不能安全减压时，潜水现场应备有甲板减压舱，并应备有用于减压和治疗的氧气。

对于盾构作业水深(或地下水头压力)小于24 m的低压作业，一般可选择身体健康、经过培训的专业技术工人(高气压工)，按照CJJ 217—2014《盾构法开仓及气压作业技术规范》的要求，采用压缩空气为呼吸气，在基本干式环境下，通过人员平衡舱(人舱)承压进舱作业[12]。

4.2中压进舱作业

对于盾构作业水深(或地下水头压力)在24～60 m 的中压作业，应采用经过专业技能培训(如维修、换刀技能等)的空气潜水员进舱作业。

利用常规空气潜水技术作业，工作人员在盾构内一般无需着潜水装具，作业效率较高。所需潜水设备也较简单，主要是人闸舱和移动式医疗加压舱，不需要诸如转运舱、饱和舱等设备支持，技术难度底，操作简单。潜水作业及减压，按照GB 26123—2010《空气潜水安全要求》和GB/T 12521—2008《空气潜水减压技术要求》执行。

采用混合气潜水作业，潜水员需配备符合混合气潜水要求的专用装具及潜水减压舱，按照GB 28396—2012《混合气潜水安全要求》执行。

目前海洋工程饱和潜水深度一般可达200～300 m，最大海上作业深度534 m，模拟饱和潜水最大深度680 m，巡潜701 m。

图8使用不同作业方式介入超压隧道盾构的推荐工作水深/压力范围(单位： mm)

Fig. 8Recommended depths/pressures for hyperbaric interventions in shield tunneling (mm)

4.3高压进舱作业

通常，水深大于60 m(0.60 MPa)的盾构施工视为高压作业(也有将0.68 MPa以上称为超高水压)。当空气潜水深度超过50 m后，在水下的适宜工作时间大大缩短，减压时间则大大增加，其作业周期内很难完成一次盾构刀具作业，且由于氮麻醉的影响，“次生事故”发生概率增加。因此，对于水深大于60 m的项目，应根据盾构工程的综合情况，采用混合气常规潜水或饱和潜水作业，并在作业地点配置相应的潜水减压舱或转运舱。

4.3.1氦氧常规潜水进舱作业

按我国GB 28396—2012《混合气潜水安全要求》规定，氦氧常规潜水的最大潜水深度应不大于120 m。作业现场，通常应配备水面减压舱及其有关设备。

氦氧常规潜水在一定深度内的作业时间有限，且减压时间相对较长，主要用于短时间的进舱检查或更换磨损刀具等。其进舱作业程序与空气常规潜水相同，按照GB 28396—2012《混合气潜水安全要求》执行。

混合气深潜水的作业安全保障要点： 1)对混合气体配置的准确性实施监督。2)严格控制呼吸气中的氧浓度。3)根据潜水深度的不同，监督呼吸气体的转换。4)减压结束后出舱的潜水员，应嘱其在舱旁或附近休息2 h，以观察有无异常感觉和不适。之后仍要追踪观察12 h，以确保潜水员的安全。5)完成混合气潜水后24 h内不宜飞行或去高海拔地区旅行。

4.3.2饱和潜水进舱作业

氦氧饱和潜水、氮氧饱和空气巡潜技术，大大方便了进舱换刀作业的顺利进行。根据饱和潜水理论，在一定的饱和深度内，其作业时间基本不受限制。

采用氮氧饱和潜水，按照GB/T 17871—1999《氮氧饱和或空气饱和-空气巡回潜水减压程序》执行。采用氦氧饱和潜水，按照GB/T 24555—2009《200 m氦氧饱和潜水作业要求》执行。对于遇到的紧急情况或减压病处置，应遵循GB/T 24556—2009《200 m氦氧饱和潜水作业应急措施》、JT/T 744—2009《200 m氦氧饱和潜水减压病处置原则》等实施。

5结论与建议

1)经过最近20余年的工程实践，潜水技术适用于隧道盾构施工作业已毋庸置疑。我国现有潜水技术能力水平已完全具备应对盾构施工对各种潜水技术和装备应用的基本条件。一般压力不超过24 m(0.24 MPa)的盾构作业，由经过基本培训的高气压工(也称沉箱工)足以适应工作需要。大于24 m的作业任务，应由专业潜水员完成。实践中，60 m(0.6 MPa)以浅是空气潜水的适宜深度。超过60 m，空气潜水发生氮麻醉的概率增加，易引发“次生”事故。如短时作业，推荐常规氦氧混合气潜水。潜水员可在人员转运舱的运送过程中加压，节省加压准备时间，非常适合底部停留时间有限的应急干预潜水。对于高压环境下工作时间长，且体力负荷较大的盾构作业，从作业效率和潜水安全考虑，饱和潜水具有比常规潜水更显著的优势。

2)潜水技术用于隧道盾构作业，需要解决的支持条件不仅仅是装备设施、潜水规程及减压表等软硬件，潜水人员及作业管理(特别是有经验的现场指挥人员)亦是不可或缺。大深度饱和潜水是一项“人员-设备-法规-管理”环环相扣且复杂的系统工程。这对于盾构隧道施工企业会有相当大的压力和挑战。目前的优选应对方案是专业人做专业事。一些看似难以处理的潜水问题，相对于专业机构也许只是成熟的基础性工作。在欧洲等水下盾构技术先进的国家，通常也是将大深度高压盾构潜水作业委托专业潜水机构去实施。比如，德国海瑞克(Herrenknecht)长期与北海潜水员有限公司(Nordseetaucher)合作。这样做可让盾构隧道施工企业省去了很多精力及财力上的牵扯。

3)与隧道盾构施工所需潜水作业相比，海上潜水(包括油气开发、救助打捞)面对的环境更严酷，更复杂，对人员、装备的要求更高。同样是在高气压下实施作业，海洋工程潜水与隧道盾构气压作业的主要差异，在于工作环境的不同(干式、湿式)，由此对所需潜水作业的工艺和程序产生相应影响。如今隧道盾构潜水最大深度(水头压力)超过100 m(1.00 MPa)的工程案例，已有瑞典哈兰德萨斯(Hallandsås)隧道(1.30 MPa，2014)，美国拉斯维加斯米德湖(Lake Mead)3号引水隧洞(1.20 MPa，2014，盾构设计静水压达1.70 MPa)。大深度高压盾构隧道施工，为饱和潜水技术的应用开拓了新的领域和需求。

4)未来我国隧道盾构施工潜水技术的应用和推广前景广阔，这为隧道盾构施工业界与潜水技术装备应用和研发机构的合作提供了难得的机遇。相对于隧道盾构带压作业起步晚经验不足，缺乏作业技术规范及行业标准，我国海上救捞及水下工程领域的常规空气潜水实践已处于世界先进水平，300 m以浅大深度饱和潜水技术的研究应用亦跻身先进国家之列。对照可能建造海底隧道的渤海湾(86 m)[13]、琼州海峡(160 m)[14]和台湾海峡(80 m)[15]，即便考虑海底埋深覆盖层，极限深度一般不会大于200 m。未来隧道盾构施工用饱和潜水系统的设计，深度200 m(2.00 MPa)足以满足作业需求。在这方面，海上潜水行业的相关潜水技术标准、安全法规框架已基本构建，可供隧道盾构施工潜水作业实践借鉴。

5)目前我国盾构带压作业潜水需要优先关注和解决的问题，是如何将成熟的海洋工程潜水技术，科学有效地移植于盾构施工带压作业领域。本研究与迄今已发表的研究工作的不同，在于尝试从潜水技术及装备应用的专业视角，系统探讨潜水技术与盾构施工的应用，提出盾构带压作业潜水技术应用的一般准则，对国内开展盾构带压潜水作业实践具有参考和借鉴意义。盾构带压作业潜水技术的应用尚有许多课题需要进一步研究和探讨，特别是与高气压盾构饱和潜水安全相关的潜水装备、作业规程、标准法规、加压/减压表、混合呼吸气、应急预案、以及压力下饱和潜水员的紧急撤离问题等。这既为隧道盾构施工与潜水技术装备行业的发展提供了难得的机遇，同时也需要国内施工企业与装备制造商(盾构、潜水)、潜水公司及专业研发机构的合作，共同推进我国隧道盾构施工高气压作业技术应用的发展和完善。

6致谢

感谢上海交通大学海洋水下工程科学研究院荆岩林研究员对本文提出的修改意见和建议。

参考文献(References)：

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盾构前舱可视系统技术填补国内空白

近日，中交隧道工程局有限公司成功研发了盾构前舱可视系统技术，这一技术在纬三路过江通道得到了成功应用，填补了国内空白。

该项目盾构隧道穿越地层复杂，掘进施工中需穿越黏土层、砂层、砂砾、卵石层、强中风化粉砂岩层等软、硬地层和各地层组合而成的上软下硬复合地层，共计3 537 m。其中需穿越岩层490 m，对刀具的损坏极为严重。

在高水压的江底，开舱人工换刀存在高风险，可能会造成开挖面的坍塌，进而影响隧道周边建筑物的安全。

在专业领域使用可视化监测系统，首先需克服特定使用环境下的各种技术问题，如钻孔电视，其密封结构可承受数百米甚至数千米深的水压，海底探测使用的摄像头必须具备高耐压、耐腐蚀的能力；同时，要将前视和侧视角度对钻孔内孔壁进行无扰动的原位摄像记录并加以分析研究，并具有全景观察和实时监视的能力等。

可视化刀具刀盘监测系统分为后视系统和前视系统2个功能区。前者具备从刀盘后面对刀具进行拍照并进行图像分析处理的能力，利用专门开发的图像处理软件对所得图像进行分析处理，并和刀具原始照片比较，确定刀具磨损情况，以便对需要更换的刀具进行及时处理；后者具备从刀盘正面、侧面摄像拍照能力，根据摄像拍照图片直观地判断滚刀磨损情况。

除了盾构前舱可视系统技术外，本项目还创新性地采用了液氮冷冻法更换盾尾刷。

盾尾刷能起到防止泥土、地下水、填充浆液进入盾体的作用，被誉为泥水盾构生命线。因此，盾构在江底掘进时，必须要保证盾尾刷的完好。但在盾构长距离的掘进中，由于盾尾刷和盾构之间长期磨擦，以及盾构姿态的变化，容易造成盾尾刷破损。盾尾刷破损易造成涌水、涌砂现象，严重影响盾构掘进。

而纬三路过江通道S线在发生盾尾渗漏时，利用液氮冷冻技术，将盾构的尾部和周围的松散土质冻结为一块“大冰块”，隔绝地下水，保证泥水不会通过损坏的盾尾刷涌入隧道内部。冻结后，进行管片拆除和盾尾刷更换作业，这一技术取得了良好的效果。

(摘自 岩土网 http://news.yantuchina.com/26568.html2015-12-14)

Diving Technology for Operation in Pressurized Excavation

Chamber in Shield Tunneling

XUE Liqun, ZHANG Guoguang

(InstituteofUnderwaterTechnology,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200231,China)

Abstract:Shield machines are commonly used in tunneling. In the paper, the main difficulties, technical requirements, required techniques, features, main equipment and general guidelines for the diving operations under pressure in shield tunneling are studied, so as to solve the problems in the application of diving operation in shield tunneling. Conclusions drawn are as follow: 1) Diving technology is suitable for shield tunneling; 2) In the case of diving in shield tunneling, in addition to the equipment, procedures and decompression tables, the divers and the diving operation management are also key factors for the success of the diving; 3) Compared to the diving in shield tunneling, marine diving faces more severe environment, more complexity and more demanding personnel and equipment; 4) Regarding diving in shield tunneling in China, the priority is to transplant the marine diving technology into the shield boring rationally and effectively.

Keywords:shield tunneling; operation in pressurized chamber; diving techniques; saturation diving

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2015)12-1306-09

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.012

作者简介：第一 薛利群(1958—)，男，山东淄博人，1982年毕业于武汉水运工程学院(现武汉理工大学)，船舶设计与制造专业，本科，研究员，主要从事潜水高气压设备、海洋水下特殊环境机械及装备的开发研究工作。

收稿日期：2015-06-20; 修回日期: 2015-09-20