隧道盾构带压开仓作业中的潜水技术应用研究

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)

隧道盾构带压开仓作业中的潜水技术应用研究

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，概述盾构带压开仓作业的主要难点和关键技术，评价并介绍施工作业中所需采用的各类潜水技术及设备的应用特征，提出不同盾构施工条件下潜水技术在带压开仓作业中的应用原则。

关键词盾构施工带压开仓潜水技术饱和潜水

盾构施工是一种机械化和自动化程度较高的隧道掘进施工方法，其最大特点是适用于软土地质的隧道开挖。随着水下及地下高水位隧道建设需求的增加，盾构带压进仓及带压潜水换刀等新技术的应用，已引起隧道工程界的关注。但迄今的文献，大多从隧道工程建设的角度进行总结研究，缺乏对潜水技术与盾构施工应用的系统研究或阐述[1-2]。本文结合近来参与完成的若干工程项目，从潜水技术及装备应用的专业视角，探讨我国盾构带压开仓作业面临的问题，介绍现有常用的成熟潜水技术及其特征，并提出不同盾构施工条件下潜水技术的应用原则，以期对我国日趋频繁应用的盾构开仓施工实践及确保开仓作业人员的生命安全提供借鉴。

1　盾构带压作业主要问题及技术条件

1.1主要问题

与常压开仓技术相比，盾构带压开仓作业的主要问题在于：

(1) 带压开仓作业需要有人进入盾构开挖仓内部(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0.6MPa，且盾构内作业周期时间较长的带压开仓工作，需要采用饱和潜水技术。

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

(3) 需要对盾构面进行压力平衡。水土压力将视盾构现场的水深或地下水头压力情况而不同(图1为平衡气压值的确定计算示意图)。一般不大于0.65MPa，现有工程案例最大已达1.20和1.30MPa。

图1　平均气压值的确定计算示意图

(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沙、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10～15m)，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) 带压盾构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年)，发生减压病1 534例，发病率为0.53×10-6[3]；丹麦大贝尔特海峡(GreatBelt)铁路隧道(1992～1996年)，发生减压病13例，发病率0.001 4×10-6。其中2例永久残留症状[4]。

1.2技术条件

在水下及地下高水位条件下实施盾构带压开仓作业(潜水作业)，通常应具备的基本条件包括：

(1) 盾构头部(开挖仓)具备带压开仓的设备条件，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开仓的作业过程。

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24h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24m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50m以浅，可以选择空气潜水作业方式；在50m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。实施盾构气压开仓作业，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、氮氧饱和、氦氧饱和以及氦氮氧饱和潜水等。表1为几种典型潜水技术的应用性分析比较。

表1　典型潜水技术的应用性分析比较

3　潜水技术用于盾构带压作业的一般准则

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开仓作业的最大工作深度(或压力范围)，及进仓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24m)、中压(在24～60m之间)及高压(大于60m)3个层次，见表2。

表2　带压开仓的水深与作业方式、人员及装备配置

通过对潜水技术特征及盾构带压开仓作业要求的分析可见，尽管可以将盾构带压开仓的压力范围划分为小于24m、在24～60m之间、大于60m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开仓，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40～60m水深(或0.40～0.60MPa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。图2为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。

图2　不同作业方式介入超压隧道盾构

*目前海工饱和潜水深度一般可达200～300m，最大海中作业深度534m，模拟饱和潜水最大深度680m巡潜701m。

3.1低压开仓作业

根据《空气潜水安全要求》(GB26123-2010)，潜水深度大于24m或减压时间超过20min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24m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《盾构法开仓及气压作业技术规范》(CJJ217-2014)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)承压进仓作业。

3.2中压开仓作业

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

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《空气潜水安全要求》(GB26123-2010)和《空气潜水减压技术要求》(GB/T12521-2008)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《混合气潜水安全要求》(GB28396—2012)执行。

3.3高压开仓作业

通常，水深大于60m(0.60MPa)的盾构施工视高压作业(也有将0.68MPa以上为称为超高水压)。当空气潜水深度超过50m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60m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。

3.3.1氦氧常规潜水进仓作业

按我国《混合气潜水安全要求》(GB28396-2012)要求，氦氧常规潜水的最大潜水深度应不大于120m。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仓检查或更换磨损刀具等。其进仓作业程序与空气常规潜水相同，按照《混合气潜水安全要求》(GB28396-2012)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2h，以观察有无异常感觉和不适。之后仍要追踪观察12h，以确保潜水员的安全；⑤完成混合气潜水后24h内不宜飞行或去高海拔地区旅行。

3.3.2饱和潜水进仓作业

氦氧饱和潜水、氮氧饱和空气巡潜技术，大大方便了开仓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《氮氧饱和或空气饱和-空气巡回潜水减压程序》(GB/T17871-1999)执行。采用氦氧饱和潜水，按照《200m氦氧饱和潜水作业要求》(GB/T24555-2009)执行。对于遇到的紧急情况或减压病处置，应遵循《200m氦氧饱和潜水作业应急措施》(GB/T24556-2009)、《200m氦氧饱和潜水减压病处置原则》(JT/T744-2009)等实施。

4　讨论与结语

(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日渐成熟。一般压力不超过24m(0.24MPa)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。水深大于24m的作业任务，应该由专业潜水员完成。国内多年来隧道施工企业对高气压工的潜水培训和实践，基本遵循这一原则。

(2) 与隧道盾构施工所需的潜水作业相比，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，无论是人员还是装备的要求更高。我国海上救捞及水下工程领域的常规空气潜水实践及300m以浅饱和潜水的研究和应用，均跻身先进国家之列，国家及行业层面的相关潜水安全标准、法规框架已基本构建完成，可供隧道盾构施工的潜水作业应用借鉴。

(3) 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)亦不可或缺，甚至是其成败之关键。其中饱和潜水更是一项“人员-设备-法规-管理”环环相扣且复杂的系统工程。这对于隧道盾构施工企业来说，有着相当大的压力和挑战。

(4) 未来我国隧道盾构施工带压作业潜水技术的应用和发展前景广阔。根据我国可预见未来的水下或地下高水位的隧道建设前景(水深基本在150m以内，即便考虑海底埋深覆盖层，极限深度亦小于200m)，目前需要优先关注的是如何将海洋水下工程潜水技术，包括潜水装备、标准法规、作业规程、加压/减压表，以及应急预案等，科学有效地移植于隧道盾构施工领域，以推进我国隧道盾构施工技术的发展和完善。

参考文献

[1]陈馈.盾构法施工超高水压换刀技术研究[J].隧道建设，2013，33(8)：627-632.

[2]吴忠善，杨钊，杨擎.超大直径泥水盾构带压进舱换刀技术研究与应用[J].隧道建设，2014(7)：673-678.

[3]吴植恩，冯承忠，吴家伟.港九海底铁路建设中的减压病：工作条件与发病关系探讨[J].中国工业医学杂志，1989(2):15-18.

[4]ANDERSENHL,DecompressionsicknessduringconstructionoftheGreatBeltTunnel,Denmark[J].UnderseaHyperbMed，2002，29(3):172-188.

StudyofDivingTechniquesApplicationinTunnel

ShieldwithPressurizedExcavationChamberOperation

Xue Liqun, Zhang Guoguang

(InstituteofUnderwaterTechnology，ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200231,China)

Abstract：Inthispaper,basedontheprofessionalperspectiveofdivingtechniques,themaindifficuitiesandkeytechnologiesoftheshieldpressurizedexcavationchamberworkweresummarized,aswellasthecharacteristicsofthedivingtechniquesandmainlydivingequipmentthatneededtousewereevaluated.Finally,werecommendedtheapplicationprinciplesofdivingtechniqueswithpressurizedexcavationunderthedifferentshiedtunnelingconditions.

Keywords:shieldtunneling;pressurizedchamberoperation;divingtechniques;saturationdiving

收稿日期：2015-06-19

SubwayTunnelSettlementSafetyPrediction
BaseonOpticalFiberSensingTechnology

Qiao Wei

(WuhanMetroGroup,Wuhan430077,China)

Abstract：The fiber grating displacement sensor technology applied in the subway tunnel settlement safety prediction was introduced in this article. We could use the FBG sensingonline-monitoring system for the subway-tunnel settlement data. The developing trend could be accurately and effectively predicted by utilizing the BP neural network algorithm. This system could provide timely forecast information and safety suggestion for the operating environment state of subway tunnel.

Key words:optical fiber sensing; settlement monitoring; neural network

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.034