压气条件下大直径泥水盾构饱和法开舱技术

姚占虎，陈方伟，陈 郁

(1.中交隧道工程局有限公司，北京 100088;2.中交投资有限公司，北京 100029)

0 引言

盾构技术以其安全、快速、高效等优势已成为重大交通等基础设施建设中不可或缺的关键技术，尤其在大型穿江越海隧道建设中得到了广泛应用。然而，由于穿越的地层复杂多变，盾构不可避免地会遭遇被迫停机、开舱检修等问题［1－2］。由于无法采用常规的地层加固等方法实施常压开舱，因此带压进舱方法常被采用，如德国易北河第四隧道、荷兰Westerschelde隧道、南京长江隧道等工程，均采用常规的压缩空气方法进行了带压开舱检修或刀具更换等工作［3］。然而采用常规压缩空气带压开舱工法进舱，每次均需要加压和减压流程，耗费大量时间，实际舱内工作时间仅40～120 min，会导致工期严重拖延。同时，进舱人员在频繁的加减压流程中，增加了出现加减压病症的风险，如易北河第四隧道共进行了2 738人次的进舱换刀作业，21人次出现减压病症状;南京长江隧道也进行了约3个月的开舱作业。快速、安全地完成繁重的盾构刀具更换工作，成为目前我国盾构行业关注的难题之一［4－5］。

饱和法开舱作业技术是将饱和潜水技术与复合式泥水平衡盾构的工作原理结合，形成一套适用于盾构带压开舱的技术。该技术首先要求在开挖面上形成稳定泥膜，以高压气体置换出泥浆，在泥水舱前壁与掌子面之间形成一个高压空气的环境，这与常规压缩空气的方法类似。所不同的是，作业人员在进舱作业期间一直生活在地面高压生活舱内，由高压穿梭舱与盾构气压舱对接，作业人员进入压力舱中工作，完成一次作业后再由高压穿梭舱回到地面高压生活舱内，如此往复，直到工作完成后进行一次性减压出舱。饱和法开舱作业技术工作人员呼吸的是氦氧混合气体，一次停机过程中仅需1次加减压，大大降低了加减压病症，且每次进舱作业不需要单独进行加减压，使得舱内工作时间大大增加，解决了常规带压进舱的两大缺陷。

本文以南京纬三路过江通道工程S线在里程SDK4+710处，距北岸大堤约260 m，盾心距江面百年一遇洪水位约57 m的硬岩段中停机开舱作业为背景，首次在国内采用压气条件下饱和法开舱作业技术对盾构刀具进行开舱检修，本文将对掌子面压力计算、闭气泥膜形成、饱和法盾构开舱设备及其开舱技术工艺流程等进行介绍。

1 工程概况

南京纬三路过江通道工程位于南京长江大桥和纬七路过江通道之间，距离南京长江大桥约5 km，S线起于浦口区浦珠路转盘西侧止于江东路，和定淮门大街(纬三路)连接，设计为双层双向四车道，上层为北岸至南岸方向，下层为南岸至北岸方向。

本工程S线盾构段采用直径14.93 m的气垫式泥水平衡复合式盾构进行施工，盾构刀盘结构采用辐条+面板式，刀盘开口率约25.7%，开挖直径达15 020 mm。刀盘上主要配置切削刀和滚刀等，共计717把刀具。其中可更换切削刀80把、滚刀45把、刮刀172把。盾构刀盘后面为泥水舱(如图1所示)，掘进过程中刀盘旋转将切削的土体刮入泥水舱内，通过泥浆循环将新切削土体外排至地面泥水处理系统，泥水舱起到存储、搅拌形成混合浆液的作用。气垫舱位于切口环内部呈马蹄形，以平衡泥水舱内泥水，从而保证掌子面平衡。在切口环上部装设有双人闸舱，双人闸舱主要由冷却水系统、加热系统、气体检测系统、通讯系统以及控制台等组成。其中，控制台位于主舱舱门附近，便于操作人员随时监视舱内作业人员情况，通过控制阀以及压力仪表等装置手动操作，实现双人闸舱加、减压的目的。检修性作业时，当加压达到气垫舱压力后方能打开舱门，工作人员可从气垫舱进入泥水舱作业。

图1 泥水舱及气垫舱位置示意Fig.1 Slurry chamber and air cushion chamber

南京市纬三路过江通道工程S线盾构段长约4 135 m，需穿越卵石层、泥岩层、砂岩层等，其穿越地质为国内最复杂的复合地质条件之一，本文以盾构位于SDK4+710里程停机换刀位置为例介绍饱和法开舱作业技术。盾构穿越地质纵断面如图2所示。由图2可见，圆内区域为盾构穿越区域，主要穿越地层为⑤2砾砂、⑥1圆砾、卵石和⑧1强风化粉砂岩。上部砂砾、卵石地层，其母岩成分以石英砂岩、燧石及灰岩为主，渗透系数为10－4m/s，为高透水的砂卵石地质，自稳性差;下部为强风化粉砂岩，石英含量达到65%，平均强度为60～80 MPa、最高达120 MPa，属高强度硬岩，对刀具磨损严重，需要换刀的频率高。因复合地层掌子面上下软硬不均、岩性差异明显，且上部砂砾、卵石地层渗透性高，自稳性差，给换刀过程中高质量优质泥膜的形成和掌子面压力的平衡稳定带来较大难度［6－10］。

2 饱和法盾构开舱技术研究

2.1 泥水舱压力确定

盾构泥水舱压力设置直接影响掌子面的稳定，盾构在停机开舱过程中最重要的工作就是确保开挖掌子面的稳定，为开舱作业人员提供一个安全稳定的工作环境，这就需要对切口水压做出准确合理的计算，确保掌子面土体的稳定。据理论计算及现场施工经验，该停机处掌子面压力初始设定为679 kPa，在使用过程中根据现场施工经验和水位变化及时进行修正和调整。

2.2 闭气泥膜的形成

为形成满足开舱作业闭气要求的泥膜，工程采用泥皮+渗透带形式的泥膜。通过室内模拟试验确定合理的泥浆参数。泥膜形成分为3个阶段:1)渗透阶段。采用小比重低黏度泥浆进行渗透，通过进排泥浆管路偏差流量计算泥浆渗透入地层的速率，渗入速率一般控制在1.0 m3/min以下，当泥浆渗入地层速率超过1.0 m3/min，可适当提高泥浆黏度，如泥浆黏度提高10 s以上渗透速率仍无减小，可适当向泥浆内加入锯末、谷壳等颗粒物以填充地层孔隙。本阶段总渗透时间约18 h。2)泥皮形成阶段。采用大比重高黏度泥浆形成泥皮，泥浆循环时间约8 h，待泥水舱内泥浆比重达1.1 g/cm3，黏度45 s以上，即达到进舱要求。3)泥皮修复和加厚阶段。采用比重1.15 g/cm3，黏度80 s以上的泥浆对已经形成的泥皮进行局部修复和加厚。通常泥膜形成需1～2 d。闭气性能良好的泥膜效果如图3所示。

图3 闭气性能良好的泥膜Fig.3 Filter membrane with good air-tightness

2.3 压气条件下饱和法盾构开舱设备

饱和法开舱作业的主要设备有生活舱、穿梭舱、盾构人闸舱、物料舱以及穿梭舱运输设备等。

生活舱设置独立操控面板，主要包括控制主、辅舱的压力控制系统、通讯系统、气体供应系统、气体成分分析系统、温度调控系统、湿度调控系统及紧急措施系统。生活舱如图4所示。

穿梭舱是运输进舱人员的交通工具，承担着运输进舱人员从生活舱进入盾构人闸舱的任务，穿梭舱设置9 L物料舱，可与外界联系，提供生活及工作必备品。舱内配有应急混合气瓶及粉灭火器，以备紧急情况下使用。穿梭舱如图5所示。穿梭舱运输设备主要有平板运输车运、运送平台、拼装平台等。

人闸舱置于盾构上，是检修换刀人员进入掌子面的通道，人闸舱分为主舱和辅舱2部分。主舱为舱内作业人员提供电源、水和呼吸气体等作业必备条件，主舱与盾构泥水舱和气泡舱连接;辅舱作为备用舱，可用于应急救援，2舱之间设置闸门，使其能够既相互独立又相互连通。人闸舱如图6所示。

物料舱是在进舱作业过程中向舱内输送或与外界相互传递机具、材料和刀具等物资的通道。饱和带压进舱更换刀具的设备还包括地面生命保障系统、运输车、吊机、固定平台等。其中生命保障系统由控制室、氧气站、空压机、备用发电机等组成。

图5 穿梭舱Fig.5 Shuttle lock

图6 人闸舱Fig.6 Man lock

2.4 呼吸气体

饱和法开舱方法作业人员呼吸的是氦氧混合气体，避免了呼吸压缩空气情况下氮麻醉现象的发生，安全性好。饱和法开舱技术所需气体主要包括:

1)5%的氦氧混合气体。气体成分主要包括5%的氧气、75%的氦气和20%的氮气，是饱和法开舱技术中主要使用的气体类型，是进舱人员整个开舱过程中呼吸的主要气体。

2)10%的氦氧混合气体。气体成分主要包括10%的氧气、55%的氦气和35%的氮气。

3)医用氧气。主要用于调控生活舱及穿梭舱氧气含量以及减压病的治疗。

2.5 饱和法盾构开舱技术工艺流程

饱和法带压作业时作业人员首先进入生活舱，用混合气体加压生活舱和穿梭舱，使生活舱和穿梭舱压力与泥水舱作业压力相同。待作业人员适应后，穿梭舱与生活舱对接，作业人员进入穿梭舱;穿梭舱用吊机放置在运输车上，固定好以后运送到隧道内;穿梭舱运送至3号台车下部后用口字型构件吊机放置在轨道上，通过轨道滑行至管片拼装机底部;再通过管片拼装机旋转至固定平台上与人闸舱副舱对接。作业人员从穿梭舱进入人闸舱开始刀具更换作业。

作业完成后，作业人员从人闸舱返回穿梭舱，穿梭舱运回地面。在穿梭舱和生活舱对接前采用混合气体对穿梭舱进行洗舱，使穿梭舱内的混合气体含量达到标准要求后再与生活舱对接，作业人员从穿梭舱进入生活舱内休息。饱和带压更换刀具完成一个工作循环。开舱作业流程图见图7。

图7 盾构开舱技术工艺流程Fig.7 Working procedure of hyperbaric operation in shield tunneling

2.6 医疗保障及安全措施

压气条件下饱和法盾构开舱作业需在高压空气环境中长时间工作，因此进舱人员需经过严格体检和培训后方可进舱作业。体检主要参照《职业潜水员体格检查要求》进行体检，检查项目主要包括一般检查、各科常规检查、特殊检查和辅助检查。特殊检查包括肺功能检查、咽鼓管功能，加压试验，氧敏感试验。此外，由于进舱人员需在生活舱内持续居住14～24 d，因此还需要对进舱人员进行心理测试和评估。

饱和法盾构开舱作业人员需要在高压空气环境中一次工作4～6 h，在高压环境中如果减压过快，机体组织溶解的气体无法及时排出，将在机体组织和血液中以气泡形式存在产生病理综合症，并且在加压过程中因体内含气体的气压与周围环境压力不平衡而可能引起气压压伤病症。因此在整个开舱过程中，高压氧医生应携带必备医疗器械及救护车辆分班次在人闸舱外值班，一旦人员出现病症能及时处理。

在整个饱和法盾构开舱作业期间，需随时保证舱内人员与舱外人员联系畅通。作业前详细检查盾构各个设备，特别是空气压缩机，确保设备的安全运作，发现问题及时解决。另需派专人值守空气压缩机，观察空压机供气是否正常(即空压机压力是否稳定)，发现问题立即处理。进舱作业过程中出现异常情况时，应立即出舱，停止开舱作业。

3 工程应用效果

在盾构掘进约593环位置时，刀盘扭矩异常增大，盾构地处强风化粉砂岩、中风化砂岩区域，经判断需停机进行刀具的检修与更换。首先计算出中心切口水土压力为0.63 MPa，而后进行泥浆调制并形成稳定性好的泥皮+渗透带形式的泥膜，待泥膜形成以后，通过排浆管降低泥水舱液面，液面降到盾构中心以下2.5 m的高度后带压更换刀具的准备工作完成。而后，作业人员从约0.63 MPa生活舱中进入穿梭舱，穿梭舱运至盾构处通过管片拼装机旋转至固定平台上与人闸舱副舱对接。作业人员从穿梭舱进入人闸舱开始刀具更换作业，一次作业时间约为4 h。作业完成后，作业人员从人闸舱返回穿梭舱，同时开始回升泥水舱泥浆液面，修复掌子面泥膜;穿梭舱被运回地面，作业人员从穿梭舱进入生活舱内休息，这样饱和带压更换刀具完成一个工作循环。如此重复待一次停机饱和法开舱作业完成后，工作人员在生活舱内进行一次性减压，减压共分为10个阶段，当压力减小到0.12 MPa时，作业人员开始吸氧，直至减压结束，至此一个作业循环全部完成。

南京纬三路过江通道工程分为S线和N线2条隧道，其中S线隧道盾构段全长约4 135 m，共计2 070环，穿越粉砂岩总计560 m。从2013年9月10日至2014年6月26日先后停机进舱检修及更换刀具6次，更换滚刀及刮刀300余把，采用饱和法进舱作业约240次，共计饱和带压进舱作业1 000 h。如果采用常规的压缩空气进舱初步预计需上万小时的作业，且相关费用会增加20倍左右。截至目前本工程饱和法进舱作业人员尚未出现减压病病例，由此可以得出饱和法开舱作业具有高效率、高效益及作业安全等优势，可成功处理盾构隧道施工中遇到无法采用常规方式进行停机检查或刀具更换等作业的施工难题。

4 结论与讨论

1)饱和法开舱作业适用于复杂地质条件下，盾构开舱作业工作量较大的复合式泥水平衡盾构工程，当前研究限于工作压力为0.5～0.7 MPa。

2)应用饱和法开舱技术时停机位置刀盘前方周围地层需通过泥浆渗透形成稳定泥膜，保证开挖面具有良好的气密性，满足保压效果。

3)饱和法开舱作业技术作业人员呼吸专用的压缩氦氧混合气体(以氦气代替空气中的氮气)，可降低作业人员呼吸阻力、避免氮麻醉情况的发生。应用完善的生活舱、穿梭舱等相关配套设施，规避了常规压缩空气进舱时每班次必须加压减压的过程，极大地降低了进舱作业人员患减压病的风险。

4)饱和法开舱作业每班次工作时间可达4～6 h，且每班次作业前后无需加压减压(综合比较每班次作业时间是常规压缩空气进舱作业时间的20倍)，可见饱和法开舱作业工作效率高，可大幅缩短工期。

综上可知，饱和法开舱作业可安全、高效地处理盾构施工中无法采用常规方式进行刀盘检查、刀具更换等施工作业难题，提高了盾构对复杂地层的适应性，拓宽了盾构的适用范围，对同类施工问题处理具有较高的参考价值。

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