吳忠善，楊 釗 ，楊 擎

(1．中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 4 30040;2．中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 4 30040)

0 引言

自1996年世界上第一個直徑大于14 m的超大直徑盾構(gòu)隧道工程——日本東京灣海底隧道工程建成至今，國內(nèi)外已經(jīng)陸續(xù)建成了德國易北河第四隧道、綠色心臟隧道、馬德里M30環(huán)線隧道、崇明長江隧道、南京緯七路長江隧道、上海上中路隧道和上海軍工路隧道等超大型盾構(gòu)隧道，目前國內(nèi)在建的超大直徑泥水盾構(gòu)還有南京緯三路長江隧道和錢江隧道等。

如今，過江及海底隧道呈現(xiàn)出了大直徑、長距離、高水壓和開挖面上軟下硬等特點。長距離上軟下硬地層掘進對于刀具的壽命提出了更高的要求，在掘進過程中對刀具進行修復(fù)或者更換是不可避免的，但由于地質(zhì)條件本身的復(fù)雜性、多變性和周邊條件的局限性，在開挖面前方進行土體加固從而實施常壓進艙作業(yè)往往難以實現(xiàn)［1］。帶壓進艙技術(shù)［2-3］以無需地層加固、地質(zhì)適應(yīng)性強、對周邊環(huán)境要求低和影響小等特點成為了目前復(fù)雜地質(zhì)條件下泥水盾構(gòu)進艙作業(yè)的優(yōu)先選擇。

雖然國內(nèi)大直徑泥水盾構(gòu)施工已有了很多成功的實例［4-8］，但對超高水壓(0．68 MPa 以上)、強透水地層帶壓換刀技術(shù)的研究還處于起步階段［9］。帶壓進艙作業(yè)是泥水盾構(gòu)施工的最大風(fēng)險之一，安全、高效、經(jīng)濟的進艙作業(yè)技術(shù)是目前盾構(gòu)施工技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點。

1 泥膜及建膜技術(shù)

泥水盾構(gòu)帶壓進艙更換刀具，通常需要降低泥水艙液位，以方便帶壓進艙作業(yè)人員作業(yè)。此時盾構(gòu)開挖面前方上部與中部土層全由氣體支撐，如圖1所示。

圖1 帶壓進艙開挖面受力示意圖Fig．1 Pressure on tunnel face during hyperbaric intervention

在不(弱)透水地層，壓縮空氣可直接支撐于開挖面，氣壓能平衡開挖面的水土壓力。在強透水地層，大量的壓縮空氣會通過地層之間的孔隙攜帶細顆粒向上逃逸，加大地層孔隙造成氣壓不穩(wěn)定，無法平衡開挖面的水土壓力。為實現(xiàn)強透水地層開挖面穩(wěn)定，需在開挖面表面建立一層氣密性泥膜。

為了得到氣密性泥膜，在實驗室內(nèi)進行了泥膜滲透試驗，試驗裝備如圖2所示。試驗結(jié)果如表1所示。

圖2 泥漿滲透成膜的實驗裝置Fig．2 Filter membrane test devices

實驗結(jié)果表明:先使用高比重低黏度泥漿形成滲透帶泥膜，再使用高黏度純膨潤土漿形成致密的泥皮型泥膜，可以使泥膜能夠在壓差(氣壓與孔隙水壓之間的差值)0．2 MPa的條件下閉氣達到24 h。

2 帶壓換刀技術(shù)

2．1 帶壓作業(yè)流程

帶壓作業(yè)流程如圖3所示。

2．2 常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀與飽合潛水帶壓換刀

常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀人員呼吸的是壓縮空氣，作業(yè)人員直接進入盾構(gòu)的壓力人閘，在人閘內(nèi)加壓后進入泥水艙進行換刀作業(yè)，作業(yè)完成后，由泥水艙返回人閘逐步減壓，減壓完成后返回地面常壓狀態(tài)休息。

表1 泥膜氣密性試驗結(jié)果Table 1 Results of test on air tightness of filter membrane

飽合氣體帶壓換刀作業(yè)人員需一直生活在一定壓力的氦氧飽合氣體環(huán)境的地面生活艙內(nèi)，開始作業(yè)時，由地面生活艙經(jīng)穿棱艙擺渡至盾構(gòu)，作業(yè)完成后，再由盾構(gòu)經(jīng)穿棱艙擺渡至地面生活艙，飽合氣體加壓作業(yè)人員運輸流程如圖4所示。

采用常規(guī)壓縮空氣帶壓作業(yè)時，當作業(yè)壓力超過一定限度(0．45 MPa)之后，作業(yè)人員患上減壓病及“氮麻醉”的風(fēng)險將顯著增大，而且由于減壓時間會隨著作業(yè)時間及作業(yè)壓力的增加而增加，作業(yè)效率將大打折扣。

飽和氣體帶壓作業(yè)時呼吸的是由氦氣、氧氣和氮氣組成的混合氣體，避免了“氮麻醉”對身體造成的傷害，且避免了作業(yè)人員每次作業(yè)后繁瑣的減壓程序，使減壓時間并不隨著帶壓作業(yè)的延長而增加，大大提高了工作效率。

圖3 帶壓作業(yè)流程圖Fig．3 Flowchart of hyperbaric intervention

圖4 飽合潛水作業(yè)人員運輸流程Fig．4 Procedure of transporting of saturated divers

2．3 作業(yè)要點

常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀在盾構(gòu)人閘內(nèi)減壓，減壓作業(yè)由專業(yè)醫(yī)生操艙，專業(yè)操艙醫(yī)生要嚴格按照相關(guān)潛水作業(yè)規(guī)范所規(guī)定的減壓方案進行減壓。通常情況下，減壓速率不能大于 0．018 MPa/min，減壓至0．12 MPa時開始吸氧。

飽合潛水帶壓換刀作業(yè)人員完成工作后，經(jīng)由人閘進入穿棱艙，在穿棱艙內(nèi)減壓至生活壓力(通常比作業(yè)壓力低大約0．05 MPa)后，再進入地面生活艙生活。飽和潛水作業(yè)周期一般在2～4周，完成一個作業(yè)周期后減壓出艙時間大約為3 d。

盾構(gòu)配置的刀具，特別是滾刀質(zhì)量較大，刀具的更換和搬運須通過專用機具和人工搬運相結(jié)合的方式來完成?？紤]到帶壓環(huán)境下作業(yè)人員的體力消耗遠比常壓下同等作業(yè)要大，因此，應(yīng)盡量縮短搬運路徑，減少倒運次數(shù)，特別是垂直搬運量。通常安排在時鐘的3點和9點位置拆裝刀具比較安全省力。

3 應(yīng)用實例

3．1 工程概況

南京市緯三路過江通道采用2臺直徑為14．93 m的泥水盾構(gòu)掘進，開挖直徑為15．01 m。隧道穿越江中段最大水壓為0．74 MPa。根據(jù)近10年河床監(jiān)測數(shù)據(jù)，最薄覆土厚度僅為13．5 m。盾構(gòu)隧道沿線穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細砂、中粗砂、礫砂、卵石、強風(fēng)化粉砂巖和中風(fēng)化粉砂巖，各地層分布圖如圖5所示。其中，中風(fēng)化粉砂巖區(qū)域位于江底，長度為500 m，具有上軟下硬、上層礫砂與卵石層透水性強、巖層石英含量高和單軸抗壓強度大等特點。卵石層滲透系數(shù)高達6．8 m/d，對開挖面泥膜形成非常不利，對在此地層形成氣密性泥膜提出了嚴峻考驗。

3．2 帶壓換刀應(yīng)用實例

1)緯三路過江通道N線工程掘進至513環(huán)進行了首次帶壓進艙換刀。帶壓換刀工位在盾構(gòu)泥水艙內(nèi)3點鐘位置，為了創(chuàng)造無水作業(yè)工作環(huán)境，需將泥水艙液位降低9 m，本次作業(yè)是國內(nèi)首次在大斷面砂卵石地層采用壓縮空氣支護進行艙內(nèi)作業(yè)，該位置開挖面地層示意圖如圖6所示。

針對該地段特殊的地質(zhì)條件，采用的氣密性泥膜由滲透帶泥膜+泥皮型泥膜組成，在開挖面上形成氣密性良好的泥膜。帶壓作業(yè)過程中開挖面泥膜部分圖片如圖7所示。

2)緯三路過江通道N線工程掘進至江底段616環(huán)進行了第2次帶壓進艙換刀，本次換刀作業(yè)啟用了最高作業(yè)壓力0．65 MPa的飽和氣體帶壓進艙作業(yè)。對于常規(guī)壓縮空氣作業(yè)，1 d(4個班次)最高效時僅可以完成1把質(zhì)量為277 kg的19″雙刃滾刀的拆裝工作;而啟用飽和氣體帶壓作業(yè)，1 d(2個班次)則可以實現(xiàn)3～5把19″雙刃滾刀的拆裝工作，其工作效率大大高于常規(guī)壓縮空氣作業(yè)。

本工程飽和潛水作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。

圖5 隧道軸線地質(zhì)斷面圖Fig．5 Geological profile of tunnel

圖6 513環(huán)開挖面地層示意圖Fig．6 Geological profile of tunnel face at No．513 ring position

圖7 帶壓進艙作業(yè)開挖面泥膜Fig．7 Filter membrane on tunnel face during hyperbaric intervention

圖8 飽和潛水作業(yè)系統(tǒng)Fig．8 Saturated diving system

3．3 開挖面漏氣應(yīng)急處理及分析實例

帶壓作業(yè)漏氣的原因主要有以下幾個方面:開挖面漏氣、盾殼周圍地層漏氣、盾構(gòu)內(nèi)部管線漏氣和盾尾漏氣等［10］。一般來講，開挖面與氣體接觸面積最大，開挖面漏氣為帶壓作業(yè)漏氣的主要原因。地層漏氣時，氣體通過破損或老化的泥膜裂隙向地層滲透，逐步形成漏氣通道。漏氣過程為氣壓作用下泥膜破損的過程，泥膜破壞將進一步增大漏氣量，形成惡性循環(huán)。

3．3．1 開挖面漏氣事例描述

2013年10月6日6點50分，完成降液位，通知帶壓進艙作業(yè)人員進艙作業(yè)。

7點10分，人員進艙后發(fā)現(xiàn)刀盤未轉(zhuǎn)到位，通知操作室轉(zhuǎn)刀盤。

7點20分，刀盤轉(zhuǎn)動到位。

8點15分至8點20分，空壓機出口壓力曲線驟降。

8點20分至8點35分，空壓機出口壓力降至與泥水艙壓力基本一致。

8點30分，立即通知艙內(nèi)作業(yè)人員退回至盾構(gòu)人閘內(nèi)保壓，并啟動備用空壓機供氣。

8點35分，空壓機出口壓力值回升，但并未達到設(shè)定壓力值。

8點40分，啟動送泥泵，回升液位，空壓機出口壓力曲線恢復(fù)正常。

盾構(gòu)掘進參數(shù)曲線如圖9所示。

3．3．2 開挖面漏氣判斷

8點15分至8點35分，空壓機出口壓力曲線驟降且不回升，表明開挖面已經(jīng)開始嚴重漏氣，空壓機供氣量小于漏氣量，供耗失衡。啟用備用空壓機后，出口壓力值雖然回升，但仍未達到設(shè)定的安全壓力值，表明啟用備用空壓機后供氣量達不到安全儲備量，需對開挖面泥膜進行修復(fù)和重建。

圖9 盾構(gòu)掘進參數(shù)曲線Fig．9 Curves of shield boring parameters

3．3．3 開挖面漏氣原因分析

本次換刀刀盤回縮5 cm，建膜后開挖面與滾刀刀刃之間的實際間距不到3 cm。而新更換的滾刀刀刃較舊滾刀刀刃(滾刀磨損)高出3 cm多，新刀刃與開挖面泥膜相接觸。刀盤旋轉(zhuǎn)時，新更換的滾刀切削開挖面泥膜，滾刀軌跡線區(qū)域的氣密性僅依靠滲透帶泥膜保持。7點20分至8點20分，空壓機出口壓力曲線正常，滲透帶泥膜氣密性可靠;8點20分，空壓機出口壓力曲線驟降，滲透帶泥膜氣密性失效，這與室內(nèi)試驗滲透帶泥膜氣密性不足1 h的結(jié)論基本吻合。

3．3．4 開挖面漏氣應(yīng)急處理

開挖面漏氣應(yīng)急處理的最佳方案為以最快的速度回升泥水艙內(nèi)液位。升液位不僅可以減少漏氣量，同時還可對受損泥膜進行修復(fù)。

4 結(jié)論與討論

1)對于無法實施常壓進艙檢查及更換刀具的盾構(gòu)隧道工程，帶壓進艙作業(yè)技術(shù)可以避免進行地層加固，很大程度地節(jié)約時間成本，尤其是長距離、復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工，需要頻繁地進行進艙作業(yè)。

2)在開挖面建立泥膜是帶壓進艙作業(yè)的前提保證，試驗研究結(jié)果表明，氣密性好且穩(wěn)定的泥膜由2部分組成，即開挖面上的泥皮型泥膜和地層中的滲透帶泥膜。

3)飽和氣體帶壓進艙作業(yè)的效率大大高于常規(guī)壓縮空氣帶壓進艙作業(yè)，但是飽和氣體系統(tǒng)的建立及日常維護成本較高，通常在高水壓以及需要長時間作業(yè)的情況下才推薦采用飽和氣體帶壓作業(yè)技術(shù)。

4)盾構(gòu)帶壓進艙作業(yè)時，開挖面漏氣是最常見的問題之一，該問題的最佳解決方案是作業(yè)人員緊急撤出泥水艙后立即以最快的速度回升泥水艙液位，以減少漏氣量并修復(fù)受損泥膜。

目前，我國城市建設(shè)正在飛速發(fā)展，越來越多的越江及跨海隧道將投入建設(shè)，因此高水壓下大直徑泥水盾構(gòu)的帶壓換刀技術(shù)需要進一步的深入研究。

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