超大直径泥水盾构带压进舱换刀技术研究与应用

吴忠善，杨 钊 ，杨 擎

(1．中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 4 30040;2．中交第二航务工程局有限公司技术中心，湖北 武汉 4 30040)

0 引言

自1996年世界上第一个直径大于14 m的超大直径盾构隧道工程——日本东京湾海底隧道工程建成至今，国内外已经陆续建成了德国易北河第四隧道、绿色心脏隧道、马德里M30环线隧道、崇明长江隧道、南京纬七路长江隧道、上海上中路隧道和上海军工路隧道等超大型盾构隧道，目前国内在建的超大直径泥水盾构还有南京纬三路长江隧道和钱江隧道等。

如今，过江及海底隧道呈现出了大直径、长距离、高水压和开挖面上软下硬等特点。长距离上软下硬地层掘进对于刀具的寿命提出了更高的要求，在掘进过程中对刀具进行修复或者更换是不可避免的，但由于地质条件本身的复杂性、多变性和周边条件的局限性，在开挖面前方进行土体加固从而实施常压进舱作业往往难以实现［1］。带压进舱技术［2-3］以无需地层加固、地质适应性强、对周边环境要求低和影响小等特点成为了目前复杂地质条件下泥水盾构进舱作业的优先选择。

虽然国内大直径泥水盾构施工已有了很多成功的实例［4-8］，但对超高水压(0．68 MPa 以上)、强透水地层带压换刀技术的研究还处于起步阶段［9］。带压进舱作业是泥水盾构施工的最大风险之一，安全、高效、经济的进舱作业技术是目前盾构施工技术领域研究的热点。

1 泥膜及建膜技术

泥水盾构带压进舱更换刀具，通常需要降低泥水舱液位，以方便带压进舱作业人员作业。此时盾构开挖面前方上部与中部土层全由气体支撑，如图1所示。

图1 带压进舱开挖面受力示意图Fig．1 Pressure on tunnel face during hyperbaric intervention

在不(弱)透水地层，压缩空气可直接支撑于开挖面，气压能平衡开挖面的水土压力。在强透水地层，大量的压缩空气会通过地层之间的孔隙携带细颗粒向上逃逸，加大地层孔隙造成气压不稳定，无法平衡开挖面的水土压力。为实现强透水地层开挖面稳定，需在开挖面表面建立一层气密性泥膜。

为了得到气密性泥膜，在实验室内进行了泥膜渗透试验，试验装备如图2所示。试验结果如表1所示。

图2 泥浆渗透成膜的实验装置Fig．2 Filter membrane test devices

实验结果表明:先使用高比重低黏度泥浆形成渗透带泥膜，再使用高黏度纯膨润土浆形成致密的泥皮型泥膜，可以使泥膜能够在压差(气压与孔隙水压之间的差值)0．2 MPa的条件下闭气达到24 h。

2 带压换刀技术

2．1 带压作业流程

带压作业流程如图3所示。

2．2 常规压缩空气带压换刀与饱合潜水带压换刀

常规压缩空气带压换刀人员呼吸的是压缩空气，作业人员直接进入盾构的压力人闸，在人闸内加压后进入泥水舱进行换刀作业，作业完成后，由泥水舱返回人闸逐步减压，减压完成后返回地面常压状态休息。

表1 泥膜气密性试验结果Table 1 Results of test on air tightness of filter membrane

饱合气体带压换刀作业人员需一直生活在一定压力的氦氧饱合气体环境的地面生活舱内，开始作业时，由地面生活舱经穿棱舱摆渡至盾构，作业完成后，再由盾构经穿棱舱摆渡至地面生活舱，饱合气体加压作业人员运输流程如图4所示。

采用常规压缩空气带压作业时，当作业压力超过一定限度(0．45 MPa)之后，作业人员患上减压病及“氮麻醉”的风险将显著增大，而且由于减压时间会随着作业时间及作业压力的增加而增加，作业效率将大打折扣。

饱和气体带压作业时呼吸的是由氦气、氧气和氮气组成的混合气体，避免了“氮麻醉”对身体造成的伤害，且避免了作业人员每次作业后繁琐的减压程序，使减压时间并不随着带压作业的延长而增加，大大提高了工作效率。

图3 带压作业流程图Fig．3 Flowchart of hyperbaric intervention

图4 饱合潜水作业人员运输流程Fig．4 Procedure of transporting of saturated divers

2．3 作业要点

常规压缩空气带压换刀在盾构人闸内减压，减压作业由专业医生操舱，专业操舱医生要严格按照相关潜水作业规范所规定的减压方案进行减压。通常情况下，减压速率不能大于 0．018 MPa/min，减压至0．12 MPa时开始吸氧。

饱合潜水带压换刀作业人员完成工作后，经由人闸进入穿棱舱，在穿棱舱内减压至生活压力(通常比作业压力低大约0．05 MPa)后，再进入地面生活舱生活。饱和潜水作业周期一般在2～4周，完成一个作业周期后减压出舱时间大约为3 d。

盾构配置的刀具，特别是滚刀质量较大，刀具的更换和搬运须通过专用机具和人工搬运相结合的方式来完成。考虑到带压环境下作业人员的体力消耗远比常压下同等作业要大，因此，应尽量缩短搬运路径，减少倒运次数，特别是垂直搬运量。通常安排在时钟的3点和9点位置拆装刀具比较安全省力。

3 应用实例

3．1 工程概况

南京市纬三路过江通道采用2台直径为14．93 m的泥水盾构掘进，开挖直径为15．01 m。隧道穿越江中段最大水压为0．74 MPa。根据近10年河床监测数据，最薄覆土厚度仅为13．5 m。盾构隧道沿线穿越淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、砾砂、卵石、强风化粉砂岩和中风化粉砂岩，各地层分布图如图5所示。其中，中风化粉砂岩区域位于江底，长度为500 m，具有上软下硬、上层砾砂与卵石层透水性强、岩层石英含量高和单轴抗压强度大等特点。卵石层渗透系数高达6．8 m/d，对开挖面泥膜形成非常不利，对在此地层形成气密性泥膜提出了严峻考验。

3．2 带压换刀应用实例

1)纬三路过江通道N线工程掘进至513环进行了首次带压进舱换刀。带压换刀工位在盾构泥水舱内3点钟位置，为了创造无水作业工作环境，需将泥水舱液位降低9 m，本次作业是国内首次在大断面砂卵石地层采用压缩空气支护进行舱内作业，该位置开挖面地层示意图如图6所示。

针对该地段特殊的地质条件，采用的气密性泥膜由渗透带泥膜+泥皮型泥膜组成，在开挖面上形成气密性良好的泥膜。带压作业过程中开挖面泥膜部分图片如图7所示。

2)纬三路过江通道N线工程掘进至江底段616环进行了第2次带压进舱换刀，本次换刀作业启用了最高作业压力0．65 MPa的饱和气体带压进舱作业。对于常规压缩空气作业，1 d(4个班次)最高效时仅可以完成1把质量为277 kg的19″双刃滚刀的拆装工作;而启用饱和气体带压作业，1 d(2个班次)则可以实现3～5把19″双刃滚刀的拆装工作，其工作效率大大高于常规压缩空气作业。

本工程饱和潜水作业系统构成如图8所示。

图5 隧道轴线地质断面图Fig．5 Geological profile of tunnel

图6 513环开挖面地层示意图Fig．6 Geological profile of tunnel face at No．513 ring position

图7 带压进舱作业开挖面泥膜Fig．7 Filter membrane on tunnel face during hyperbaric intervention

图8 饱和潜水作业系统Fig．8 Saturated diving system

3．3 开挖面漏气应急处理及分析实例

带压作业漏气的原因主要有以下几个方面:开挖面漏气、盾壳周围地层漏气、盾构内部管线漏气和盾尾漏气等［10］。一般来讲，开挖面与气体接触面积最大，开挖面漏气为带压作业漏气的主要原因。地层漏气时，气体通过破损或老化的泥膜裂隙向地层渗透，逐步形成漏气通道。漏气过程为气压作用下泥膜破损的过程，泥膜破坏将进一步增大漏气量，形成恶性循环。

3．3．1 开挖面漏气事例描述

2013年10月6日6点50分，完成降液位，通知带压进舱作业人员进舱作业。

7点10分，人员进舱后发现刀盘未转到位，通知操作室转刀盘。

7点20分，刀盘转动到位。

8点15分至8点20分，空压机出口压力曲线骤降。

8点20分至8点35分，空压机出口压力降至与泥水舱压力基本一致。

8点30分，立即通知舱内作业人员退回至盾构人闸内保压，并启动备用空压机供气。

8点35分，空压机出口压力值回升，但并未达到设定压力值。

8点40分，启动送泥泵，回升液位，空压机出口压力曲线恢复正常。

盾构掘进参数曲线如图9所示。

3．3．2 开挖面漏气判断

8点15分至8点35分，空压机出口压力曲线骤降且不回升，表明开挖面已经开始严重漏气，空压机供气量小于漏气量，供耗失衡。启用备用空压机后，出口压力值虽然回升，但仍未达到设定的安全压力值，表明启用备用空压机后供气量达不到安全储备量，需对开挖面泥膜进行修复和重建。

图9 盾构掘进参数曲线Fig．9 Curves of shield boring parameters

3．3．3 开挖面漏气原因分析

本次换刀刀盘回缩5 cm，建膜后开挖面与滚刀刀刃之间的实际间距不到3 cm。而新更换的滚刀刀刃较旧滚刀刀刃(滚刀磨损)高出3 cm多，新刀刃与开挖面泥膜相接触。刀盘旋转时，新更换的滚刀切削开挖面泥膜，滚刀轨迹线区域的气密性仅依靠渗透带泥膜保持。7点20分至8点20分，空压机出口压力曲线正常，渗透带泥膜气密性可靠;8点20分，空压机出口压力曲线骤降，渗透带泥膜气密性失效，这与室内试验渗透带泥膜气密性不足1 h的结论基本吻合。

3．3．4 开挖面漏气应急处理

开挖面漏气应急处理的最佳方案为以最快的速度回升泥水舱内液位。升液位不仅可以减少漏气量，同时还可对受损泥膜进行修复。

4 结论与讨论

1)对于无法实施常压进舱检查及更换刀具的盾构隧道工程，带压进舱作业技术可以避免进行地层加固，很大程度地节约时间成本，尤其是长距离、复杂地层的盾构施工，需要频繁地进行进舱作业。

2)在开挖面建立泥膜是带压进舱作业的前提保证，试验研究结果表明，气密性好且稳定的泥膜由2部分组成，即开挖面上的泥皮型泥膜和地层中的渗透带泥膜。

3)饱和气体带压进舱作业的效率大大高于常规压缩空气带压进舱作业，但是饱和气体系统的建立及日常维护成本较高，通常在高水压以及需要长时间作业的情况下才推荐采用饱和气体带压作业技术。

4)盾构带压进舱作业时，开挖面漏气是最常见的问题之一，该问题的最佳解决方案是作业人员紧急撤出泥水舱后立即以最快的速度回升泥水舱液位，以减少漏气量并修复受损泥膜。

目前，我国城市建设正在飞速发展，越来越多的越江及跨海隧道将投入建设，因此高水压下大直径泥水盾构的带压换刀技术需要进一步的深入研究。

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