盾构法施工超高水压换刀技术研究

陈 馈

(1.中铁隧道集团盾构及掘进技术国家重点实验室，河南郑州 450001;2.天津大学，天津 300192)

0 引言

目前，国内盾构施工高水压(0.35 ～0.68 MPa，0.68 MPa以上为超高水压)工况下更换刀具及观察开挖舱掌子面地层情况一般采用进舱作业的方式，进舱换刀主要有敞开式进舱(较好地质条件下)、带压进舱及低压限排进舱等，具体采用何种方式需要根据进舱目的、检查工作内容、盾构形式及停机所处位置的水文地质情况来决定。

带压进舱基本适用于盾构施工的各种地层，特别针对掌子面自稳能力差及富水地层，如全断面软弱地层、软硬不均富水地层、破碎带等不良地层，采用带压进舱换刀是最安全的作业方法，但带压进舱工效较低［1－2］。目前，带压进舱换刀有压缩空气(即常规)带压进舱换刀和饱和气体带压进舱换刀2种模式。采用压缩空气作为呼吸空气，最大潜水深度是50 m左右;采用可呼吸饱和气体，潜水深度可大于800 m，采用潜水工作的方法可以连续工作几天甚至几个星期。因此，出现了潜水与饱和气体相结合的工法，扩展了该工法在地下工程领域的应用范围［3－6］。

前人关于盾构换刀技术的研究主要有:赫学林等［7］总结了土压盾构在上软下硬特殊地层条件下的加固换刀方法，实现了低成本及短时间的恢复掘进;段浩等［8］以成都地铁1号线盾构隧道工程为例，提出了适合富水砂卵石地质条件的合理换刀方案;鲁号等［9］研究了深圳地铁1号线盾构穿越软硬复合地层时的最优换刀方案;程新军［10］以南水北调中线一期工程为例，总结了土压盾构换刀风险常规控制方法;曹宏亮等［11］以AVN2440DS泥水平衡盾构为例，分析了其在城陵矶长江穿越隧道施工过程中所采用的快速常压换刀技术;程明亮等［12］基于北京铁路地下直径线工程盾构工程，总结了大埋深富水砂卵石地层泥水盾构施工中带压换刀技术;贺婷［13］探讨了泥水盾构在浅覆土砂层施工中的带压换刀施工工艺。以上研究主要集中于土压平衡盾构换刀技术，而对于泥水盾构在(超)高水压下换刀技术的研究较少。本文从换刀装置、换刀模式等方面详细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。

1 高水压换刀装置研究

1.1 带压进舱换刀装置

盾构人舱包括主舱和副舱，安装在盾构的中上部(见图1)。人舱安装有温度计和压力计等，每个人舱均可在舱内或舱外进行升压或减压操作。人舱外安装有压力计，显示主舱、紧急人舱以及开挖舱内的压力，条带记录机实时记录压力的变化。

图1 盾构人舱Fig.1 Man lock of shield

目前，国内在压缩空气条件下带压进舱下最高压力可以达到0.65 MPa，在如此高压条件下作业，大大增加了工作人员出现“减压病”的风险。通过国内外技术交流，普遍认为进舱压力在0.45 MPa以下宜采用常规压缩空气进舱，高于0.45 MPa则需采用饱和惰性混合气体法进舱。如果在超高压条件下采用饱和气体法进舱，同时还需要配备饱和居住舱(见图2)、中间对接运输舱(见图3)和医疗舱(见图4)。

1.2 高压条件下常压换刀装置

对于直径大于14 m的盾构，刀盘可以进行单独设计，即刀盘辐条内部设计成空腔，施工人员可以在常压下进入该空腔内检查和更换刀具，从而避免了施工人员带压进入开挖舱检查及更换刀具;对于直径小于14 m的盾构，由于受刀盘尺寸的限制，较难进行这种设计，所以不具备此项功能。由于目前国际上直径大于14 m的盾构数量较少，故采用这种常压检查及更换刀具的施工实例较少。南京长江隧道项目首次在国内进行常压下刀具的检查及更换，避免了高压进舱检查及刀具更换，取得了较好的效果［14］。

可在常压下更换的刀具主要由刀齿、刀座、固定螺栓、刀腔和闸门等组成，刀齿和刀座通过固定螺栓连接为整体，安装固定在刀腔内，刀腔焊接在刀盘上，可利用专用螺杆使刀齿和刀座沿刀具轴线方向在刀腔内前后移动(见图5)。由于滚刀安装机构的复杂性，目前尚无用于滚刀的常压换刀装置，这也是今后需进一步研究的方向。

图5 常压换刀装置结构示意图Fig.5 Structure of device to replace cutters under atmospheric pressure

2 开挖面透气标准及控制措施

2.1 开挖面透气标准

1)满足稳定开挖面需求。压缩空气气压大小的确定与覆土厚度、工程地质、水文等条件密切相关，而由于地质条件的多变性，往往使压缩气体施工法难以达到预期的效果，故作业前必须仔细分析两者之间的关系。压缩空气对开挖面的稳定作用主要有3点:①阻止开挖面涌水及坍塌;②压缩气体本身的挡土功效，能够对开挖面的稳定起到辅助作用;③由压气产生的围岩脱水作用提高了粉砂、黏土层或含有粉砂黏土成分的砂质土的强度。

压缩空气的效果还受围岩条件影响，故在带压进舱前，应充分调查土的颗粒级配、透水性、透气性及地下水的状态等。在施工过程中，应仔细观察开挖面的状态，严密观察并记录补气量，及时通知到下一施工工序。

2)确保作业人员健康与安全。为确保作业人员的健康与安全，在高压作业时气体压力波动应小于0.01 MPa，故采用该压缩气体工法进舱换刀时，应严格确保补气量与地层漏气量处于平衡状态。如果地层漏气量大，补气量难以平衡，则必须采取措施降低地层的透气性。

2.2 盾构带压换刀中漏气原因

根据盾构带压进舱作业的特点，带压换刀过程中(盾构设备完好前提下)出现漏气现象的原因主要是源于地层，具体可分为2个方面:1)掌子面地层漏气。若地层孔隙率较大，掌子面未能充分形成良好的泥膜，则压缩空气会向地层中逃逸而造成漏气。2)盾壳周围地层漏气。当刀盘舱内的泥浆液位降低时，盾壳上部的泥浆将下降，从而使盾壳上部形成气体逃逸通道。

2.3 带压进舱换刀气密性控制措施

提高盾构气密性是保证带压进舱换刀安全性的前提，针对可能造成盾构带压换刀过程中漏气的原因，可从以下方面采取适当措施。

1)根据盾构运行状况，在预计的带压进舱换刀点前5～15 m开始提高泥浆质量，制备比重为1.05、黏度为18～20 s的新鲜泥浆来携碴循环，使高黏度泥浆充分渗入到盾壳周围地层中，形成良好的泥膜，以保证盾壳周围地层不会漏气［15］。

2)检查盾构本身的气密性，包括人舱、气垫舱门的密封性，同步注浆管路、中盾注脂孔、超前注浆孔、冲刷管等各个管路阀门关闭后的密封性，防止因盾构设备本身密封不严而造成漏气。

3)加强同步注浆量，保证至少有4根同步注浆管通畅，且能够同时注浆。在不超过盾尾密封油脂的注脂压力前提下，适当提高同步注浆压力，以使同步注浆系统的浆液充分填充管片壁后的空隙，并充分渗入到地层的空隙中，并配合二次注浆来隔断压缩空气向管片壁后地层中逃逸的通道。

4)盾构到达预定的带压进舱换刀地点后，主要采取泥浆置换和向中盾及盾尾注入高浓度泥浆及堵漏剂的方法来增加气密性，防止气体逃逸。具体施工方法如下:①盾构停机后先进行泥浆循环，将刀盘舱内切屑下的渣土完全循环出地面，使刀盘舱内全部为泥浆充填。②在新浆池拌制高黏度泥浆，并适量添加Ⅱ型制浆剂(堵漏剂)。泥浆黏度控制在90～100 s，比重为1.05，新浆拌制总量为刀盘舱内总容量。③向盾尾注入高浓度泥浆。在地面搅拌站拌制高浓度膨润土浆，并添加堵漏剂或细锯末，通过同步注浆管路向盾尾脱出的管片壁后注入高浓度泥浆。注浆压力根据停机点的静止水土压力之和设定，一般压注泥浆的最终压力比该点水土压力和大0.05～0.1 MPa。④向中盾壁后注高浓度泥浆。向盾尾注入高黏度泥浆完成后，利用中盾预留的6个注脂口向盾壳背后注入高黏度泥浆。浆液拌制及浆液配比同第③步，采用同步注浆系统间隔跳孔进行注浆，注浆压力控制在比刀盘舱对应位置的压力大0.02 MPa左右。注浆顺序是先向下部注入比重为1.2左右的大比重泥浆，然后在上部注入比重为1.05左右的小比重泥浆，发现盾构气垫舱液位上升10%后停止注浆，更换位置再继续注入。⑤在刀盘舱内置换高黏度泥浆。首先将新拌制的高黏度泥浆从新浆池通过泥浆管输送到盾构储存罐中，然后在刀盘舱内开始置换泥浆，直至置换完成。⑥泥浆置换完成后，即开始缓慢转动刀盘5～10 r。⑦开始保压，保压压力要比起始压力高0.03～0.05 MPa，保压时间不得小于3 h。⑧为防止盾壳周围填充的高黏度泥浆流失，在刀盘舱保压期间，应继续向中盾壁后补注高黏度泥浆，发现气垫舱液位上升即停止注浆。⑨带压进舱期间，根据补气量情况向中盾补注高黏度泥浆和补充新的高质量泥浆［16］。如果补气量大、漏气严重，则必须重新对刀盘舱重新置换高黏度泥浆，以确保掌子面的气密性，同时向中盾补注高黏度泥浆。高分子聚合物泥浆效果见图6。

图6 高分子聚合物泥浆效果图Fig.6 Effect of high molecular polymer slurry

3 超高水压作业模式研究

目前，超高水压作业中已经出现潜水、饱和气体和压缩空气相结合的工法，综合国内外带压作业技术现状，一般根据不同的工作压力来确定高水压作业方式(见表1)。

表1 高水压作业方式Table 1 Modes of hyperbaric operation

国外高水压作业工法已成功用于易北河第4条隧道(工作压力超过0.5 MPa)、“Weser”河隧道工程(工作压力超过0.55 MPa)及“Westerschelde”隧道工程(工作压力最大0.85 MPa)。中铁隧道集团有限公司在武汉长江隧道工程施工过程中，成功带压潜水进仓作业(工作压力达0.45 MPa)，打捞、修复损坏的泥浆门，创造了国内盾构在水底高水压带压潜水作业的新纪录，社会经济效益显著。带压作业时，如果采用压缩空气，作业人员会随压力的增加而引起氮中毒。工作压力超过0.85 MPa，压缩空气就不能再使用了，需采用饱和气体，用氦气代替空气中的氮气。混合气体的配比通常是依据所需压力的特性、保证工作人员在压力下工作数天或数周而配制的，以减少“减压病”的发生。在超高水压条件下进行带压作业技术含量高，潜水员经常处于危险的加压与减压交替过程中，他们需经长期的训练才能满足高难度的高压换刀作业要求。

3.1 饱和气体潜水作业

目前，世界上利用饱和气体潜水作业最大模拟潜水深度为700 m，其作业程序为:首先，潜水作业人员进入高压居住舱，按照加压表缓慢加压至预定压力;然后，观察其作业人员在全天高压环境下的身体、心理及生活状态，确认安全后，再将中转舱与生活舱对接，潜水作业人员进入转运舱，转运舱下潜至预定深度(即与舱内同等压力)，打开中转舱舱门，人员出舱开始工作(见图7)。

3.2 饱和气体盾构进舱换刀

目前，世界上盾构施工利用饱和气体进舱作业最大压力为0.85 MPa，德国北海潜水公司进行饱和气体进舱试验已经达到1.2 MPa。饱和气体带压进舱换刀程序为:首先，换刀作业人员进入高压居住舱，按照加压表缓慢加压至预定压力;然后，全天观察作业人员在高压环境下的身体、心理及生活状态，确认安全后，将中转舱与生活舱对接，进舱换刀作业人员进入转运舱;接着，将中转舱转移到盾构人舱进行对接，打开中转舱进入盾构人舱;最后，到达刀盘舱开始工作(见图8)。

图7 超高压饱和潜水作业流程示意图Fig.7 Procedure of operation under ultra-high saturated water pressure

超高水压进舱换刀的程序可概括如下。

1)进舱人员进入盾构自备的高压生活舱加压、生活。

2)转运舱加压至生活舱相同压力，然后生活舱、转运舱对接，调整两舱室压力，待平衡后，人员进入转运舱。

3)利用运输车辆将转运舱送到盾构主机人舱区域。

4)转运舱与盾构主人舱对接，盾构主人舱加压至转运舱同等压力，调整两舱室压力，待平衡后，人员进入盾构主人舱，最后到达刀盘区域进行换刀作业。

图8 盾构超高压进舱换刀示意图Fig.8 Procedure of replacing cutters of shield under ultra-high pressure

3.3 方案对比分析

由3.1和3.2分析可以看出，饱和潜水作业与盾构饱和进舱作业工法、原理是相同的，仅仅是工作环境和所处介质不同而已。饱和潜水作业所处工作环境为海(湖)底，介质为海(湖)水;盾构带压进舱作业所处环境为刀盘舱，介质为舱内压缩空气。原理在本质上是相同的，故可以判定盾构在超高压(可达7 MPa)下可实现进舱换刀作业。但是由于目前国内盾构施工领域尚没有超高压条件下作业的相关规范及行业标准，所以还需要联合国内知名盾构制造商、专业潜水公司及海军潜水队进行精细研究和实验，不断摸索、提高和熟练掌握盾构超高压进舱技术，包括不同压力条件下混合气体的配比、加压及减压标准等。

4 饱和气体超高压作业关键技术

4.1 压缩气体压力确定

设定确保开挖面稳定和防止涌水所必须的最低压缩气体压力，以避免施工对周边环境及附近地区产生影响。一般，在不发生漏气和喷发的情况下，设定压力越高，开挖面稳定效果越好，而压力越高势必影响带压作业工作效率和人员健康。因此，必须综合研究上述情况，选择最合适的压缩气体压力［17］。

4.2 漏气对策

在超高压缩气体下作业时，为了防止漏气和喷发等现象发生，要充分研究事前调查结果并采取相应的措施，制作高质量和高性能泥膜，盾构中盾及尾盾要充分注浆(防止压缩空气从隧道结构顶部向后逃逸)，同时在施工过程中应注意压气压力和送气量的变化。

4.3 升压和减压控制

为了避免带压作业人员发生“减压病”，相关国家对最大气压和不同气压的工作时间及减压过程进行了实验，并制定了相应的减压表。外国减压图如图9所示。

图9 外国减压图Fig.9 Decompression curves adopted in foreign countries

4.4 超高压作业要点

超高压条件下进舱作业，有效工作时间和所需要减压时间之间的比例目前在国内没用相应的标准，为了保证进舱工作人员在超压下工作的健康和安全，其作业要点如下:

1)在高压下尽可能减少作业时间。

2)配备高压辅助作业人员，联系工作人员和合格的高压医生及高压心理医生(因为饱和气体进舱作业一般延续时间较长，作业人员长期处于高压枯燥的生活环境中，会出现心理失衡、焦躁不安、食欲不振等相关反应，这都需要心理医生进行及时疏导)。

3)超压工作人员必须严格体检并进行专门高压培训。

4)第1次在超压下进行作业之前，在应急室内对全体工作人员进行额外的“高压检测”。

5)为作业人员设置警报及监控系统，医生和潜水员随叫随到。

6)油性、挥发性及可燃性物品不得进入舱内，若需要带入酒精和药品，应严格控制数量，并采取有效的防护措施。

7)在加压过程中如发现严重漏气、管道损坏、仪表失灵及控制系统故障时，操作人员应及时采取有效措施来保证舱压，并及时排除故障。

8)高压舱室系统应指定专人管理、使用，所有系统均应保持完好。

9)高压舱和各种设施及物品进舱期间严禁随意拆卸或挪用，不得乱动室内设备，更不要拧动控制台上的仪表和阀门。

10)高压舱设备应定期进行维护保养，并按国家对高压容器的使用规定进行检修和检验。

5 结论与讨论

1)从盾构施工装备层面对常压换刀装置、超高水压作业设备的配置等进行了研究，得出采用常压换刀装置不仅能提高换刀效率，减少施工风险，而且已经在盾构工程中得到初步应用。

2)超高水压工况下的饱和气体盾构进舱作业原理与饱和气体潜水作业原理基本相同，可行性较强，相信随着科技发展，饱和气体进舱作业技术一定会得到成功应用。

3)从盾构施工技术层面对超高水压进舱换刀开挖面透气控制标准与降低开挖面透气性的措施、超高水压作业程序及超高水压作业模式的确定等进行了研究，为我国盾构施工过程中超高水压工况下进行换刀提供了一定的思路。

随着我国城市建设的发展，跨江越海等水底隧道越来越多，为适应水底隧道盾构法技术的大深度化施工需求，超高水压条件下盾构刀具更换技术仍需进一步研究。

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