薛利群　張國光

(上海交通大學(xué)海洋水下工程科學(xué)研究院　上?！?00231)

隧道盾構(gòu)帶壓開倉作業(yè)中的潛水技術(shù)應(yīng)用研究

薛利群張國光

(上海交通大學(xué)海洋水下工程科學(xué)研究院上海200231)

摘要從潛水技術(shù)的專業(yè)視角，概述盾構(gòu)帶壓開倉作業(yè)的主要難點和關(guān)鍵技術(shù)，評價并介紹施工作業(yè)中所需采用的各類潛水技術(shù)及設(shè)備的應(yīng)用特征，提出不同盾構(gòu)施工條件下潛水技術(shù)在帶壓開倉作業(yè)中的應(yīng)用原則。

關(guān)鍵詞盾構(gòu)施工帶壓開倉潛水技術(shù)飽和潛水

盾構(gòu)施工是一種機械化和自動化程度較高的隧道掘進(jìn)施工方法，其最大特點是適用于軟土地質(zhì)的隧道開挖。隨著水下及地下高水位隧道建設(shè)需求的增加，盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉及帶壓潛水換刀等新技術(shù)的應(yīng)用，已引起隧道工程界的關(guān)注。但迄今的文獻(xiàn)，大多從隧道工程建設(shè)的角度進(jìn)行總結(jié)研究，缺乏對潛水技術(shù)與盾構(gòu)施工應(yīng)用的系統(tǒng)研究或闡述[1-2]。本文結(jié)合近來參與完成的若干工程項目，從潛水技術(shù)及裝備應(yīng)用的專業(yè)視角，探討我國盾構(gòu)帶壓開倉作業(yè)面臨的問題，介紹現(xiàn)有常用的成熟潛水技術(shù)及其特征，并提出不同盾構(gòu)施工條件下潛水技術(shù)的應(yīng)用原則，以期對我國日趨頻繁應(yīng)用的盾構(gòu)開倉施工實踐及確保開倉作業(yè)人員的生命安全提供借鑒。

1　盾構(gòu)帶壓作業(yè)主要問題及技術(shù)條件

1.1主要問題

與常壓開倉技術(shù)相比，盾構(gòu)帶壓開倉作業(yè)的主要問題在于：

(1) 帶壓開倉作業(yè)需要有人進(jìn)入盾構(gòu)開挖倉內(nèi)部(干式或濕式環(huán)境)，其高氣壓作業(yè)環(huán)境類似于水下施工作業(yè)。對于工作壓力高于0.6MPa，且盾構(gòu)內(nèi)作業(yè)周期時間較長的帶壓開倉工作，需要采用飽和潛水技術(shù)。

(2) 水下情況復(fù)雜(如泥漿、水壓、塌方、有害氣體等)，易發(fā)意外事件，可能危及進(jìn)入壓力區(qū)作業(yè)人員的安全。

(3) 需要對盾構(gòu)面進(jìn)行壓力平衡。水土壓力將視盾構(gòu)現(xiàn)場的水深或地下水頭壓力情況而不同(圖1為平衡氣壓值的確定計算示意圖)。一般不大于0.65MPa，現(xiàn)有工程案例最大已達(dá)1.20和1.30MPa。

圖1　平均氣壓值的確定計算示意圖

(4) 加壓及保持壓力平衡過程中的施工安全。比如易液化土層的流沙、管涌，含水砂卵礫石層自穩(wěn)性差、易塌陷，以及淺覆土容易引發(fā)冒頂、通透水流等。

(5) 由于盾構(gòu)直徑較大(可達(dá)10～15m)，存在較大的過剩壓力區(qū)，會加大空氣消耗量，使得壓縮空氣的單位時間總耗量難以確定。

(6) 泥水加壓平衡(泥水盾構(gòu))狀況下，泥漿對作業(yè)者(潛水員)的呼吸、視覺影響較大，需采取相應(yīng)防護(hù)措施。

(7) 帶壓盾構(gòu)作業(yè)可能影響操作人員的健康，易發(fā)生減壓病。如香港九龍海底鐵路隧道(1976～1979年)，發(fā)生減壓病1 534例，發(fā)病率為0.53×10-6[3]；丹麥大貝爾特海峽(GreatBelt)鐵路隧道(1992～1996年)，發(fā)生減壓病13例，發(fā)病率0.001 4×10-6。其中2例永久殘留癥狀[4]。

1.2技術(shù)條件

在水下及地下高水位條件下實施盾構(gòu)帶壓開倉作業(yè)(潛水作業(yè))，通常應(yīng)具備的基本條件包括：

(1) 盾構(gòu)頭部(開挖倉)具備帶壓開倉的設(shè)備條件，能夠配置盾構(gòu)人閘艙(人員平衡艙)。(2) 潛水設(shè)備，即與潛水作業(yè)相關(guān)的設(shè)備。如適合相應(yīng)潛水作業(yè)方式需要的潛水裝備系統(tǒng)，人閘艙、人員轉(zhuǎn)運艙、醫(yī)療減壓艙，以及在隧道內(nèi)運輸、吊裝、轉(zhuǎn)接等設(shè)施的配置。

(3) 合格操作人員。掌握潛水技術(shù)，能夠運用所配置的潛水裝備系統(tǒng)的相關(guān)人員，包括：

①潛水綜合指揮協(xié)調(diào)人員。應(yīng)對盾構(gòu)內(nèi)刀具更換情況、對潛水作業(yè)技術(shù)、對各類潛水裝備裝具、對潛水醫(yī)學(xué)均有一定的了解，可通盤指揮整個帶壓開倉的作業(yè)過程。

②潛水或高氣壓作業(yè)人員。應(yīng)具有潛水作業(yè)技能，同時掌握盾構(gòu)刀具更換以及相應(yīng)檢修任務(wù)的專業(yè)技能。

③潛水醫(yī)學(xué)保障人員。能夠根據(jù)實際作業(yè)情況，選擇潛水方案、減壓方案及應(yīng)急減壓病治療方案的制定。

④設(shè)備的操作人員。飽和艙，轉(zhuǎn)運艙及平衡艙的操作、維護(hù)保養(yǎng)人員；使用飽和艙潛水，通常需24h連續(xù)運轉(zhuǎn)。

(4) 合理的潛水作業(yè)方案。根據(jù)不同水壓(深度)、不同作業(yè)要求，采用合理的潛水作業(yè)方式。比如在24m以淺干式環(huán)境，可采用經(jīng)培訓(xùn)合格的隧道工人作業(yè)方式，而濕式及水下環(huán)境，應(yīng)采用空氣潛水作業(yè)；在50m以淺，可以選擇空氣潛水作業(yè)方式；在50m以深，可以采用飽和潛水作業(yè)方式等。

(5) 應(yīng)急處理能力及預(yù)案。實施盾構(gòu)氣壓開倉作業(yè)，應(yīng)具備潛水意外事件的應(yīng)急處置能力，并編制相應(yīng)的應(yīng)急處置預(yù)案。

2　潛水作業(yè)技術(shù)及特征

可用于隧道盾構(gòu)施工的潛水作業(yè)技術(shù)，按潛水員呼吸氣體的組成，分為空氣潛水與混合氣潛水；按潛水的實施程序，有常規(guī)潛水與飽和潛水之分。常規(guī)潛水又分為空氣常規(guī)潛水、氮氧常規(guī)潛水和氦氧常規(guī)潛水，飽和潛水又分為空氣飽和、氮氧飽和、氦氧飽和以及氦氮氧飽和潛水等。表1為幾種典型潛水技術(shù)的應(yīng)用性分析比較。

表1　典型潛水技術(shù)的應(yīng)用性分析比較

3　潛水技術(shù)用于盾構(gòu)帶壓作業(yè)的一般準(zhǔn)則

遵循國家相關(guān)潛水作業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，根據(jù)隧道盾構(gòu)項目帶壓開倉作業(yè)的最大工作深度(或壓力范圍)，及進(jìn)倉作業(yè)的可能持續(xù)時間要求，潛水方案及潛水作業(yè)技術(shù)的應(yīng)用大致可分為：低壓(小于24m)、中壓(在24～60m之間)及高壓(大于60m)3個層次，見表2。

表2　帶壓開倉的水深與作業(yè)方式、人員及裝備配置

通過對潛水技術(shù)特征及盾構(gòu)帶壓開倉作業(yè)要求的分析可見，盡管可以將盾構(gòu)帶壓開倉的壓力范圍劃分為小于24m、在24～60m之間、大于60m等不同等級，但潛水作業(yè)技術(shù)方案的選用并不是機械的教條。同樣環(huán)境條件下的帶壓開倉，可以通過不同的潛水手段來實現(xiàn)，技術(shù)方法具有一定的可重疊性。比如40～60m水深(或0.40～0.60MPa水頭壓力)既可以采用空氣潛水或混合氣潛水，也可以選用飽和潛水。圖2為根據(jù)我國潛水實踐和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，對不同水深(壓力)范圍的超壓盾構(gòu)施工推薦的潛水作業(yè)方法。

圖2　不同作業(yè)方式介入超壓隧道盾構(gòu)

*目前海工飽和潛水深度一般可達(dá)200～300m，最大海中作業(yè)深度534m，模擬飽和潛水最大深度680m巡潛701m。

3.1低壓開倉作業(yè)

根據(jù)《空氣潛水安全要求》(GB26123-2010)，潛水深度大于24m或減壓時間超過20min且在水下不能安全減壓時，潛水現(xiàn)場應(yīng)備有甲板減壓艙，并應(yīng)備有用于減壓和治療的氧氣。

對于盾構(gòu)作業(yè)水深(或地下水頭壓力)小于24m的低壓作業(yè)，一般可選擇身體健康、經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)技術(shù)工人(高氣壓工)，按照《盾構(gòu)法開倉及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》(CJJ217-2014)的要求，采用壓縮空氣為呼吸氣，在基本干式環(huán)境下，通過人員平衡艙(人艙)承壓進(jìn)倉作業(yè)。

3.2中壓開倉作業(yè)

對于盾構(gòu)作業(yè)水深(或地下水頭壓力)在24～60m之間的中壓作業(yè)，應(yīng)采用經(jīng)過專業(yè)技能培訓(xùn)(如維修、換刀技能等)的空氣潛水員進(jìn)倉作業(yè)。

利用常規(guī)空氣潛水技術(shù)作業(yè)，工作人員在盾構(gòu)內(nèi)一般無需著潛水裝具，作業(yè)效率較高。所需潛水設(shè)備也較簡單，主要是人閘艙和移動式醫(yī)療加壓艙，不需要諸如轉(zhuǎn)運艙、飽和艙等設(shè)備支持，技術(shù)難度底，操作簡單。潛水作業(yè)及減壓，按照《空氣潛水安全要求》(GB26123-2010)和《空氣潛水減壓技術(shù)要求》(GB/T12521-2008)執(zhí)行。

采用混合氣潛水作業(yè)，潛水員需配備符合混合氣潛水要求的專用裝具及潛水減壓艙，按照《混合氣潛水安全要求》(GB28396—2012)執(zhí)行。

3.3高壓開倉作業(yè)

通常，水深大于60m(0.60MPa)的盾構(gòu)施工視高壓作業(yè)(也有將0.68MPa以上為稱為超高水壓)。當(dāng)空氣潛水深度超過50m后，在水下的適宜工作時間大大縮短，減壓時間則大大增加，其作業(yè)周期內(nèi)很難完成一次盾構(gòu)刀具作業(yè)，且由于氮麻醉的影響，“次生事故”發(fā)生概率增加。因此，對于水深大于60m的項目，應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)工程的綜合情況，采用混合氣常規(guī)潛水或飽和潛水作業(yè)，并在作業(yè)地點配置相應(yīng)的潛水減壓艙或轉(zhuǎn)運艙。

3.3.1氦氧常規(guī)潛水進(jìn)倉作業(yè)

按我國《混合氣潛水安全要求》(GB28396-2012)要求，氦氧常規(guī)潛水的最大潛水深度應(yīng)不大于120m。作業(yè)現(xiàn)場，通常應(yīng)配備水面減壓艙及其有關(guān)設(shè)備。

氦氧常規(guī)潛水在一定深度內(nèi)的作業(yè)時間有限，且減壓時間相對較長，主要用于短時間的進(jìn)倉檢查或更換磨損刀具等。其進(jìn)倉作業(yè)程序與空氣常規(guī)潛水相同，按照《混合氣潛水安全要求》(GB28396-2012)執(zhí)行。

混合氣深潛水的作業(yè)安全保障要點：①對混合氣體配置的準(zhǔn)確性實施監(jiān)督；②嚴(yán)格控制呼吸氣中的氧濃度；③根據(jù)潛水深度的不同，監(jiān)督呼吸氣體的轉(zhuǎn)換；④減壓結(jié)束后出艙的潛水員，應(yīng)囑其在艙旁或附近休息2h，以觀察有無異常感覺和不適。之后仍要追蹤觀察12h，以確保潛水員的安全；⑤完成混合氣潛水后24h內(nèi)不宜飛行或去高海拔地區(qū)旅行。

3.3.2飽和潛水進(jìn)倉作業(yè)

氦氧飽和潛水、氮氧飽和空氣巡潛技術(shù)，大大方便了開倉換刀作業(yè)的順利進(jìn)行。根據(jù)飽和潛水理論，在一定的飽和深度內(nèi)，其作業(yè)時間基本不受限制。

采用氮氧飽和潛水，按照《氮氧飽和或空氣飽和-空氣巡回潛水減壓程序》(GB/T17871-1999)執(zhí)行。采用氦氧飽和潛水，按照《200m氦氧飽和潛水作業(yè)要求》(GB/T24555-2009)執(zhí)行。對于遇到的緊急情況或減壓病處置，應(yīng)遵循《200m氦氧飽和潛水作業(yè)應(yīng)急措施》(GB/T24556-2009)、《200m氦氧飽和潛水減壓病處置原則》(JT/T744-2009)等實施。

4　討論與結(jié)語

(1) 經(jīng)過最近20余年的工程實踐，潛水技術(shù)適用于隧道盾構(gòu)施工作業(yè)已日漸成熟。一般壓力不超過24m(0.24MPa)的盾構(gòu)作業(yè)，由經(jīng)過基本培訓(xùn)的高氣壓工(也稱沉箱工)足以適應(yīng)工作需要。水深大于24m的作業(yè)任務(wù)，應(yīng)該由專業(yè)潛水員完成。國內(nèi)多年來隧道施工企業(yè)對高氣壓工的潛水培訓(xùn)和實踐，基本遵循這一原則。

(2) 與隧道盾構(gòu)施工所需的潛水作業(yè)相比，海上潛水(包括油氣開發(fā)、救助打撈)面對的環(huán)境更嚴(yán)酷，更復(fù)雜，無論是人員還是裝備的要求更高。我國海上救撈及水下工程領(lǐng)域的常規(guī)空氣潛水實踐及300m以淺飽和潛水的研究和應(yīng)用，均躋身先進(jìn)國家之列，國家及行業(yè)層面的相關(guān)潛水安全標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)框架已基本構(gòu)建完成，可供隧道盾構(gòu)施工的潛水作業(yè)應(yīng)用借鑒。

(3) 潛水技術(shù)用于隧道盾構(gòu)作業(yè)，需要解決的支持條件，不僅僅是裝備設(shè)施、潛水規(guī)程及減壓表等軟硬件，潛水人員及作業(yè)管理(特別是有經(jīng)驗的現(xiàn)場指揮人員)亦不可或缺，甚至是其成敗之關(guān)鍵。其中飽和潛水更是一項“人員-設(shè)備-法規(guī)-管理”環(huán)環(huán)相扣且復(fù)雜的系統(tǒng)工程。這對于隧道盾構(gòu)施工企業(yè)來說，有著相當(dāng)大的壓力和挑戰(zhàn)。

(4) 未來我國隧道盾構(gòu)施工帶壓作業(yè)潛水技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景廣闊。根據(jù)我國可預(yù)見未來的水下或地下高水位的隧道建設(shè)前景(水深基本在150m以內(nèi)，即便考慮海底埋深覆蓋層，極限深度亦小于200m)，目前需要優(yōu)先關(guān)注的是如何將海洋水下工程潛水技術(shù)，包括潛水裝備、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、作業(yè)規(guī)程、加壓/減壓表，以及應(yīng)急預(yù)案等，科學(xué)有效地移植于隧道盾構(gòu)施工領(lǐng)域，以推進(jìn)我國隧道盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展和完善。

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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