于寶敏， 季玉國

(1. 中鐵十九局集團有限公司， 北京 102600； 2. 上海建通工程建設有限公司， 上海 200031)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，地鐵隧道及過江跨海隧道建設得到突飛猛進的發(fā)展，盾構(gòu)隧道占有絕對優(yōu)勢。同時，盾構(gòu)技術(shù)以其安全、快速、高效等優(yōu)勢成為了重大交通等基礎設施建設中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，尤其在大型穿江越海隧道建設中得到了廣泛應用。

由于盾構(gòu)工程的復雜性，盾構(gòu)在掘進較長的距離后，其刀具、刀盤的磨損將不可避免； 地層的特殊性以及操作管理上的失誤，也會造成盾構(gòu)刀盤、刀具和機械的磨損及損壞，不可避免地要進行停機開艙檢修。因此，選擇合適的開艙方式和開艙時機對盾構(gòu)進行檢修并對刀具進行檢查和更換已成了盾構(gòu)隧道施工中一項無法回避的任務。目前成功完成盾構(gòu)開艙、刀盤修復及換刀的工程案例有： 南京地鐵某盾構(gòu)區(qū)間的豎井刀盤修復、南京地鐵過江隧道直徑11.76 m的泥水盾構(gòu)江底帶壓刀盤修復及換刀、南京長江隧道江底帶壓刀盤修復及帶壓換刀、南京揚子江隧道飽和帶壓換刀及刀具改進、南京地鐵寧和城際盾構(gòu)帶壓換刀、成都地鐵挖孔樁輔助降水進行的常壓換刀、廣深獅子洋隧道帶壓換刀以及長沙湘江隧道基坑降水開挖進行的刀具更換等。

盾構(gòu)開艙作業(yè)量大、風險大、危險性高。因此，需要認真對待，以減少事故的發(fā)生。目前關(guān)于盾構(gòu)開艙技術(shù)已有不少文獻進行了介紹和分析。姜騰等[1]針對泥水盾構(gòu)開艙采用自制的泥膜氣密性試驗裝置開展了泥膜氣密性試驗； 羅忠等[2]對土壓平衡盾構(gòu)壓氣開艙的風險進行了分析，并提出了一些控制措施； 王海濤等[3]針對無水砂卵石地層下土壓平衡盾構(gòu)常壓開艙施工，簡要介紹了常壓開艙艙內(nèi)地層加固施工方法； 姚占虎等[4]針對大直徑盾構(gòu)提出了盾構(gòu)壓氣條件下飽和法開艙作業(yè)技術(shù)； 孫善輝等[5]研究了大直徑泥水盾構(gòu)飽和氣體帶壓進艙技術(shù)，為國內(nèi)飽和氣體帶壓技術(shù)提供了依據(jù)和技術(shù)支持； 文獻[6-9]分別研究和介紹了國內(nèi)超大直徑泥水盾構(gòu)在復合地層及超高壓條件下水下盾構(gòu)帶壓開艙和換刀技術(shù)； 黃學軍等[10]進行了泥水大直徑盾構(gòu)帶壓進艙氣密性分析試驗； 翟世鴻等[11]介紹了國內(nèi)首例泥水盾構(gòu)泥漿潛水帶壓進艙作業(yè)技術(shù)，討論了潛水帶壓進艙的優(yōu)點和下一步研究方向； 張英明等[12]對飽和帶壓開艙技術(shù)的相關(guān)設備及操作方法進行了詳細介紹。這些研究和分析主要集中在某種盾構(gòu)類型或某一項關(guān)鍵技術(shù)，未對盾構(gòu)開艙技術(shù)進行全面系統(tǒng)的分析，因此，有必要對盾構(gòu)開艙技術(shù)進行歸納總結(jié)，分別對土壓盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)開艙作業(yè)和動火作業(yè)進行全面的分析和研究。本文主要以南京揚子江隧道飽和氣體開艙帶壓換刀、南京地鐵過江隧道及國內(nèi)軌道交通盾構(gòu)帶壓開艙等工程為例，對國內(nèi)盾構(gòu)開艙技術(shù)現(xiàn)狀、開艙目的和開艙風險管控進行總結(jié)，并對盾構(gòu)開艙以及刀盤修復和換刀的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，以期為國內(nèi)盾構(gòu)開艙技術(shù)提供指導。

1 國內(nèi)盾構(gòu)開艙技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 專業(yè)隊伍狀況

目前，國內(nèi)的安全生產(chǎn)許可證和業(yè)績評定體系尚需健全，盾構(gòu)開艙作業(yè)專業(yè)隊伍培訓亟需加強。例如，作業(yè)壓力為0.65～0.75 MPa的南京長江隧道和南京揚子江隧道等大型泥水盾構(gòu)隧道的換刀作業(yè)，主要委托國外公司的專業(yè)隊伍完成，作業(yè)費用很高，不容易管理，且需要適應我國建筑業(yè)的相關(guān)管理制度，因此在許多方面需要協(xié)調(diào)和監(jiān)管。天津、浙江、南京等地審批了可以進行盾構(gòu)開艙的企業(yè)，資質(zhì)為潛水作業(yè)或盾構(gòu)相關(guān)技術(shù)服務，作業(yè)人員多為退伍軍人或培訓人員，可以在0.3 MPa的壓力下作業(yè)。個別地區(qū)和單位也認可上崗培訓，也有單位采用潛水資質(zhì)和盾構(gòu)相關(guān)技術(shù)服務資質(zhì)，但這種培訓和潛水資質(zhì)是否被建筑主管部門認可存在疑問。

1.2 企業(yè)內(nèi)部培訓作業(yè)人員

目前，關(guān)于盾構(gòu)開艙高壓下作業(yè)的培訓及認證體系還很不完善。針對地鐵和隧道盾構(gòu)常壓換刀和大型泥水盾構(gòu)常壓換刀作業(yè)，國內(nèi)還沒有特種工種的專業(yè)培訓，也無相關(guān)資質(zhì)的認證機構(gòu)，仍使用潛水作業(yè)的資質(zhì)。我國大多數(shù)中鐵企業(yè)主要采用企業(yè)內(nèi)部的培訓方式培訓作業(yè)人員，培訓合格和完成安全技術(shù)交底后即進行帶壓作業(yè)。因此，完善帶壓作業(yè)人員培訓制度和資格認證制度是亟需解決的問題。

1.3 盾構(gòu)開艙換刀技術(shù)現(xiàn)狀

目前，關(guān)于帶壓換刀的作業(yè)手冊和風險管理尚不規(guī)范成熟，基本按照企業(yè)內(nèi)部的標準管理，主要由建設單位、施工單位、監(jiān)理單位和安全管理部門共同完成，盾構(gòu)開艙作業(yè)安全專項方案主要由專家進行評審通過。因此，對于帶壓作業(yè)風險管理體系和評審體系尚需進一步進行探索和完善。

1.4 盾構(gòu)開艙動火技術(shù)

目前，在常壓和帶壓以及陸地和江海湖泊水下作業(yè)條件下，均進行過土壓盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)的開艙動火作業(yè)，但至今尚未形成一套完整的盾構(gòu)開艙作業(yè)操作技術(shù)規(guī)程和規(guī)范，動火作業(yè)的安全形勢依然很嚴峻。因此，亟需提高盾構(gòu)開艙的安全技術(shù)管理水平。

1.5 盾構(gòu)法開艙的標準和規(guī)范

國內(nèi)關(guān)于盾構(gòu)開艙的標準和規(guī)范還不完善，需進一步提高和完善編制工作。現(xiàn)執(zhí)行的標準和規(guī)范主要有 CJJ 217—2014《盾構(gòu)法開艙及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》[13]、GB 50446—2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》[14]、GB 20827—2007《職業(yè)潛水員體格檢查要求》、GB/T 17870—1999《減壓病加壓治療技術(shù)要求》、《煤礦安全規(guī)程》、《艙內(nèi)氣體檢測標準》、GB/T 19284—2003《醫(yī)用氧氣加壓艙》、GB/T 12130—2005《醫(yī)用空氣加壓氧艙》以及省市及地方關(guān)于地鐵行業(yè)的相關(guān)規(guī)定文件等。

2 盾構(gòu)開艙的目的和風險分析

2.1 盾構(gòu)開艙的目的

盾構(gòu)開艙的目的主要包括以下幾方面： 1)需定期對刀具進行檢查和更換； 2)盾構(gòu)因故障必須停機進行開艙檢查； 3)事故處理，例如遇到大的漂石、孤石需要開艙進行劈裂破碎處理和清艙； 4)艙內(nèi)動火作業(yè)維修，包括刀盤、刀具維修； 5)機械設備損壞需進行艙內(nèi)維修。

2.2 盾構(gòu)開艙的風險分析

盾構(gòu)開艙存在著極大的安全隱患，開艙難度和風險較大，因此應嚴格加強盾構(gòu)開艙的風險防范。盾構(gòu)開艙前首先應進行開艙的難點和風險分析，確定開艙的方法和方案，并制定相應的安全措施保證工程和作業(yè)人員的安全，這是目前盾構(gòu)開艙面臨的主要挑戰(zhàn)。

盾構(gòu)開艙存在極大的工程風險，例如： 土壓盾構(gòu)開艙作業(yè)可能會引起掌子面或隧道頂部發(fā)生塌方事故，導致盾構(gòu)被埋或塌方土體進入盾構(gòu)土艙或泥土涌入人閘，造成機械的損害和人員的傷亡； 泥水盾構(gòu)開艙作業(yè)過程中若發(fā)生掌子面坍塌和漏氣，則會出現(xiàn)“冒頂”事故，造成盾構(gòu)被埋及人員傷亡。對于作業(yè)人員的安全問題，即人員風險問題，首先要防范作業(yè)人員中毒、窒息傷亡以及減壓病事件的發(fā)生，并注意機械事故、不可預見的人員傷亡事故及艙內(nèi)火災事故的發(fā)生。盾構(gòu)開艙的主要風險見表1。

表1 盾構(gòu)開艙的主要風險Table 1 Main risks of shield chamber opening

根據(jù)風險分析的不同方面對風險進行分類，可分為7類： 1)空氣支護開挖風險，包括支護壓力設定過低，無法支護開挖面，造成開挖面坍塌事故； 支護壓力設定過高，擊穿開挖面泥膜，造成冒頂事故； 形成的泥膜質(zhì)量差，導致開挖面漏氣，無法實現(xiàn)空氣支護開挖面； 盾尾密封失效，導致空氣無法支護開挖面。2)升、降泥水艙液位操作風險。3)泥水艙內(nèi)作業(yè)安全風險。4)作業(yè)人員壓力疾病風險。5)飽和潛水作業(yè)盾構(gòu)艙內(nèi)風險。6)飽和潛水作業(yè)穿梭艙運輸風險。7)飽和潛水作業(yè)氣體質(zhì)量風險。

3 盾構(gòu)開艙分類及輔助措施和檢查

3.1 盾構(gòu)開艙分類

按照開艙原因可將盾構(gòu)開艙分為主動開艙和被動開艙。主動開艙是主動進行盾構(gòu)刀具檢查和更換而進行的開艙； 被動開艙是因不可預見事件需要處理而必須進行的開艙，例如進行泥餅、孤石、不明障礙物(如鋼樁、混凝土樁)和硬巖等處理及刀盤、刀具磨損嚴重時的檢查更換而被迫進行的開艙。

按照盾構(gòu)類型可將盾構(gòu)開艙分為土壓盾構(gòu)開艙和泥水盾構(gòu)開艙。土壓盾構(gòu)開艙、泥水盾構(gòu)開艙又可以分別分為常壓開艙和帶壓開艙。盾構(gòu)開艙的具體分類如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)開艙分類Fig. 1 Classification of shield chamber opening

3.2 盾構(gòu)開艙的輔助措施

盾構(gòu)開艙的輔助措施主要包括： 1)根據(jù)盾構(gòu)停機位置的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合實際情況，確定開艙方法和地面加固方法； 2)選擇掌子面泥膜制作的方法和化學材料； 3)在盾殼后部3～5段進行二次注漿封堵止水； 4)加大同步注漿、盾構(gòu)徑向注漿以及組合注漿； 5)在停機位置的盾尾加注優(yōu)質(zhì)油脂； 6)采用水平或垂直形式注漿或平面旋噴樁加固工法進行地面加固，并避免加固時漿液固結(jié)刀盤或盾環(huán)； 7)艙內(nèi)回填材料宜采用強度低于M5的砂漿，并防止砂漿包裹刀盤； 8)制作的泥膜應致密、牢固、堅韌； 9)若需長時間停機開艙應采取相應的措施，以保證盾構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3 盾構(gòu)開艙檢查

盾構(gòu)開艙檢查主要包括： 1)對開艙安全專項方案評審和應急預案落實情況的檢查； 2)對專業(yè)隊伍、人員作業(yè)資質(zhì)、醫(yī)療監(jiān)護人員及安全技術(shù)交底的檢查； 3)對作業(yè)人閘和配套設備以及安全措施的檢查； 4)對地層加固、泥膜制作質(zhì)量及止水效果的檢查； 5)對艙內(nèi)氣體檢測合格的結(jié)果進行驗收； 6)對開艙動火作業(yè)方案和動火條件的檢查； 7)對開艙時掌子面是否穩(wěn)定以及止水效果的檢查； 8)對盾尾二次注漿、中盾注漿及加注的油脂封堵效果的檢查； 9)對開艙審批和動火條件的檢查； 10)對開艙作業(yè)意外事故防范措施的檢查。

4 土壓盾構(gòu)開艙技術(shù)

4.1 土壓盾構(gòu)常壓開艙技術(shù)

土壓盾構(gòu)常壓開艙的加固方法主要有： 1)旋噴樁加固法和壓密注漿加固法，例如在北京地區(qū)砂卵石地層得到應用； 2)深層攪拌樁加固法，例如在南京地區(qū)砂層及淤泥質(zhì)地層得到應用； 3)鉆孔排樁法，例如在南京地鐵4號線混合地層中得到應用； 4)WSS注漿加固法，例如在合肥地區(qū)砂層中得到應用； 5)降水加固法，例如在成都卵石地層中得到應用； 6)人工挖孔樁+降水的方法，例如在成都地鐵開艙換刀中得到應用； 7)雙液注漿加固法，例如在北京地區(qū)壓密注漿和雙液注漿法中得到應用； 8)克泥效工法和衡盾泥工法，在廈門和武漢地區(qū)得到應用； 9)垂直凍結(jié)法和水平凍結(jié)法。

土壓盾構(gòu)常壓開艙的換刀方法主要有： 1)基坑降水開挖換刀修復法，例如在長沙湘江隧道工程得到應用； 2)基坑放坡開挖工法，在南京地鐵4號線得到了應用； 3)構(gòu)筑小豎井開挖換刀法，在沈陽和南京地鐵施工中得到了應用； 4)利用刀盤的伸縮裝置或?qū)⒁蜒b在刀盤內(nèi)的刀具推出的換刀方法，例如在南京揚子江長江隧道中得到應用； 5)使用特殊機械裝置換刀的方法，包括球形刀盤裝置換刀、刀盤伸縮裝置換刀和SharkBite工法換刀。

4.2 土壓盾構(gòu)帶壓開艙技術(shù)

土壓盾構(gòu)帶壓開艙的條件主要為： 1)實施帶壓的掌子面刀盤前方周圍地層不發(fā)生大的氣體泄露或該段地層經(jīng)加固處理后滿足帶壓作業(yè)氣密性以及作業(yè)安全性的要求； 2)刀盤前方無大量的水或經(jīng)加固后無大量的流水。

土壓盾構(gòu)泥膜制作工序包括： 泥漿制備、渣土置換(濃泥漿置換渣土)、氣體置換(泥漿置換)、土艙壓力的氣密性試驗和泥漿封堵輔助技術(shù)措施等。

土壓平衡盾構(gòu)帶壓開艙作業(yè)流程和程序如圖2所示。

(a)作業(yè)流程(b)連續(xù)作業(yè)程序

圖2帶壓開艙作業(yè)流程和程序

Fig. 2 Operation process and program of shield chamber opening under hyperbaric condition

由于帶壓開艙作業(yè)的特殊性，施工前必須進行充分的準備，并經(jīng)過技術(shù)部門的檢查和確認后才能作業(yè)。1)進艙作業(yè)前技術(shù)人員及操作工人必須對盾構(gòu)上的自帶設備進行檢查和試運行； 2)對作業(yè)人員的身體情況進行檢查； 3)應委托有經(jīng)驗的專業(yè)單位進行開艙前檢查； 4)對帶壓開艙地段水下的情況進行探測，檢查帶壓開艙的邊界條件是否發(fā)生變化，為注漿封水和注漿加固方案的制定提供依據(jù)。

因帶壓作業(yè)屬于特種作業(yè)，除盾構(gòu)自帶的氣壓設備外，還應配置一些設備和機具，如表2所示。

植物學博士、玉米實驗室創(chuàng)始人史軍先生是原產(chǎn)地派的發(fā)聲者，他分享的主題是：“復古和創(chuàng)新：從原產(chǎn)地到優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)”。他認為，好的品種、好的氣候條件、好的土壤條件、嚴格的耕作標準和質(zhì)量控制體系，才能出好食材。

表2帶壓作業(yè)需配置的設備和機具

Table 2 Equipments equipped with operation under hyperbaric condition

設備或機具名稱規(guī)格數(shù)量備注應急備用設備換刀機具內(nèi)燃空壓機 體積10m3，壓力100．3kg/m21臺電動空壓機 體積10m3，壓力100．3kg/m21臺減壓醫(yī)療艙1套用于急救對講機3臺風動扳手1把轉(zhuǎn)矩扳手1把導鏈1臺照明燈若干 備用手電筒4把

表2中的10 m3內(nèi)燃空壓機是在供風量不足、帶壓條件下須使用風動機具或突然停電須供風等情況時啟用； 10 m3電動空壓機是在供風量不足、盾構(gòu)自帶空壓機發(fā)生故障時啟用； 對于減壓醫(yī)療艙(含供氧裝置)，是指自帶人員艙減壓發(fā)生故障或作業(yè)人員患減壓病時，進艙施工人員應迅速進入醫(yī)療艙進行減壓。

5 超大直徑泥水盾構(gòu)開艙技術(shù)

5.1 超大直徑泥水盾構(gòu)的常壓換刀技術(shù)

超大直徑泥水盾構(gòu)的常壓換刀技術(shù)是指在不采取地面或掌子面加固措施、開挖艙充滿泥漿的情況下，作業(yè)人員在常壓下進入特殊設計的盾構(gòu)刀盤主臂空腔內(nèi)進行刀具檢查和更換的作業(yè)方法。國內(nèi)南京長江隧道、南京揚子江隧道、武漢三陽路過江隧道等超大直徑盾構(gòu)隧道等成功地應用了常壓換刀技術(shù)。

常壓換刀技術(shù)刀具更換流程： 1)打開位于刀具基座上的水管球閥，選擇合適的位置安裝油缸； 2)將刀具背部端蓋拆掉，安裝多級油缸； 3)安裝伸縮油缸，根據(jù)設計圖紙查找刀具需要使用的多級油缸； 4)安裝刀具更換裝置，查找換刀設備表格對應的導向限位筒； 5)松開刀具固定螺栓； 6)連接液壓管路； 7)抽出刀具，關(guān)閉閥門，多級液壓油壓收縮，直至完全收縮到位，將閘門關(guān)閉，油缸回縮，關(guān)閉閥門； 8)壓力補償需要在閘門關(guān)閉之前、油缸回縮的過程中一直進行，閘門關(guān)閉后，必須關(guān)閉壓力補償； 9)拆卸刀具之前應通過開啟壓力補償球閥檢查有無泥漿噴出，以確定閘門是否完全閉合； 10)對于尚不需更換的刀具，可立即裝回刀腔內(nèi)固定。

5.2 超大直徑泥水盾構(gòu)帶壓進艙換刀作業(yè)

根據(jù)開挖面支護形式的不同，可以將帶壓進艙作業(yè)分為空氣支護開挖面帶壓進艙作業(yè)和泥漿潛水帶壓進艙作業(yè)，如表3所示。

表3 帶壓進艙作業(yè)分類Table 3 Classification of shield opening and operation under hyperbaric condition

注： 滾刀更換作業(yè)效率的數(shù)據(jù)來源于南京揚子江隧道工程帶壓進艙作業(yè)記錄。

泥水盾構(gòu)以壓力泥漿支護開挖面，泥膜的形成對開挖面的穩(wěn)定性非常重要。根據(jù)泥漿滲透形態(tài)的不同，泥膜可以分為滲透帶泥膜和泥皮型泥膜。滲透帶泥膜的建膜速度快，對泥漿指標變化的敏感度低，適用于盾構(gòu)掘進中開挖面的動態(tài)支護，缺點是泥漿濾量大；泥皮型泥膜的建膜速度慢，密封性好，對泥漿指標變化的敏感度高，泥漿濾失量小，一般用于盾構(gòu)掘進中開挖面的靜態(tài)支護，缺點是失水易開裂和剝落。將滲透帶泥膜和泥皮型泥膜混合形成了復合型泥膜，其具有良好的氣密性和較長的壽命。滲透帶泥膜的形成如圖3所示，泥皮型泥膜的形成如圖4所示，泥模制作壓力試驗檢測如圖5所示。

圖3 滲透帶泥膜Fig. 3 Permeable mud membrane

圖4 泥皮型泥膜Fig. 4 Mud skin type mud membrance

圖5 泥膜制作壓力試驗檢測Fig. 5 Pressurized test for mud membrane preparation

5.2.1 常規(guī)壓縮空氣帶壓進艙作業(yè)

常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀作業(yè)工序具體為： 1)每天安排4個班次，每班一般為3人進入盾構(gòu)上部人閘； 2)在人閘內(nèi)加壓，使工作壓力達到設定值； 3)作業(yè)人員通過人閘進入盾構(gòu)刀盤后部工作面(泥水艙內(nèi))； 4)作業(yè)人員在工作壓力條件下工作至預定時間； 5)作業(yè)人員從工作面進入盾構(gòu)上的人閘進行減壓； 6)作業(yè)人員回到地面恢復正常的工作和生活，即完成了一個班次的常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀作業(yè)。常規(guī)壓縮空氣帶壓進艙作業(yè)流程如圖6所示。

5.2.2 飽和潛水帶壓進艙作業(yè)

圖6 常規(guī)壓縮空氣帶壓進艙作業(yè)流程Fig. 6 Operation flowchart of conventional compressed air under hyperbaric condition

圖7 飽和潛水帶壓進艙作業(yè)流程Fig. 7 Operation flowchart of saturation diving under hyperbaric condition

在南京揚子江隧道進行的氦氧飽和氣體帶壓換刀作業(yè)具體情況如下： 1)每天安排2個班次； 2)每班3人進入地面生活艙，生活艙用氦氧飽和氣體，加壓至0.6 MPa，加壓時間為15 min； 3)在地面上，將穿梭艙與生活艙對接，作業(yè)人員從生活艙進入穿梭艙； 4)將穿梭艙運輸至盾構(gòu)上與人閘對接； 5)工作人員從穿梭艙進入人閘，進入盾構(gòu)后部壓力為0.6 MPa的工作面(泥水艙)工作4 h； 6)從生活艙—穿梭艙—人閘—工作面完成氦氧飽和帶壓換刀1個班次的作業(yè)； 7)作業(yè)人員在0.6 MPa壓力下工作、生活共15 d，然后在生活艙減壓3 d，最后回到地面正常工作和生活。氦氧飽和氣體帶壓換刀作業(yè)減少了換刀加、減壓時間以及工作人員減壓病的發(fā)生，提高了工作效率。南京揚子江隧道氦氧飽和氣體帶壓換刀作業(yè)如圖8所示。

(a)穿梭艙調(diào)離生活艙(b)穿梭艙與生活艙對接(c)地面生活艙(d)吊運至運輸軌道(e)飽和帶壓換刀生活艙

圖8南京揚子江隧道氦氧飽和氣體帶壓換刀作業(yè)

Fig. 8 Cutting tool replacement of Yangtze River Tunnel in Nanjing under helium-oxygen saturated hyperbaric condition

5.2.3 泥漿潛水帶壓進艙作業(yè)

泥漿潛水帶壓進艙作業(yè)是指工作人員在高壓環(huán)境下潛入泥漿內(nèi)盲視工作，是帶壓換刀作業(yè)中最危險、工作效率最低的一種換刀作業(yè)方式，只有在開挖面無法形成氣密性泥膜時選擇使用。另外，泥漿潛水帶壓進艙作業(yè)是一種帶壓換刀搶險作業(yè)方式，多應用于帶壓換刀開挖面坍塌后的事故處理。

南京揚子江隧道盾構(gòu)第3次帶壓換刀[11]期間，在泥水艙內(nèi)修復刀盤正面時，由于在開挖面上開挖作業(yè)操作不當，導致隧道開挖面失穩(wěn)。經(jīng)過長時間的泥漿壓漿修復作業(yè)仍無法實現(xiàn)空氣支護開挖面，換刀作業(yè)停滯。在多次嘗試重建開挖面泥膜失敗之后，最終采用了直接潛水帶壓換刀作業(yè)，這是國內(nèi)首次在高水壓(最大作業(yè)壓力0.65 MPa)條件下實施泥水盾構(gòu)泥漿潛水帶壓換刀作業(yè)，如圖9所示。

(a) 艙外監(jiān)控系統(tǒng)(攝像頭置于氣墊艙上部)

(b) 潛水員潛入氣墊艙內(nèi)圖9 南京揚子江隧道泥漿潛水帶壓換刀作業(yè)

Fig. 9 Diving cutting tool replacement of Yangtze River Tunnel in Nanjing under hyperbaric condition

6 盾構(gòu)開艙動火作業(yè)技術(shù)

盾構(gòu)掘進過程中，因地質(zhì)條件、地下障礙物等影響，刀盤、刀具不可避免地會遭到磨損，因此，需及時對刀盤、刀具進行修復。修復方法主要分為常壓動火作業(yè)和高壓動火作業(yè)。

6.1 高壓條件下刀盤修復與動火作業(yè)

高壓動火作業(yè)是指在停機位置刀盤前方建立作業(yè)空間，由維修人員在該空間內(nèi)進行動火作業(yè)。這種方法適用于受環(huán)境條件限制無法開鑿豎井或進行地面加固的情況，例如江河、海底、建筑物或密集管線的下方。因此，針對復雜條件下的盾構(gòu)事故處理，高壓動火作業(yè)具有一定的優(yōu)勢。

南京揚子江隧道盾構(gòu)掘進時發(fā)現(xiàn)阻力和轉(zhuǎn)矩較大，通過開艙檢查發(fā)現(xiàn)刀盤出現(xiàn)溝槽磨損，寬度約30 cm，深度為2～6 cm，原因可能是滾刀掉落磨損或其他物品磨損。刀盤溝槽磨損情況示意圖如圖10所示； 作業(yè)人員現(xiàn)場量測溝槽照片如圖11所示； 溝槽兩端加焊刮刀如圖12所示。

(a) 溝槽磨損寬度

(b) 溝槽磨損區(qū)域圖10 刀盤溝槽磨損情況示意圖Fig. 10 Sketches of groove wear of cutterhead

圖11 作業(yè)人員量測刀盤磨損溝槽情況Fig. 11 Groove wear measuring of cutterhead

圖12 溝槽兩端加焊刮刀Fig. 12 Scraper welded on both end of groove of cutterhead

6.2 作業(yè)原理與工藝流程

高壓環(huán)境下的動火作業(yè)實質(zhì)是帶壓進艙作業(yè)的延伸。盾構(gòu)的刀盤刀具根據(jù)掘進參數(shù)預估損壞或突發(fā)損壞停機后，首先，需要通過一定的技術(shù)措施在掌子面下方構(gòu)建安全的地下高壓作業(yè)空間，以氣壓替代掘進過程的泥水壓； 然后，作業(yè)人員通過盾構(gòu)的人艙加壓進入高壓作業(yè)空間內(nèi)，按照規(guī)定程序進行焊接、切割以及刀盤修復作業(yè)。在此修復過程中，需要通過一定的技術(shù)措施維持地下高壓空間的作業(yè)安全和氣密性要求，并按照規(guī)定和要求保障作業(yè)人員的安全和健康。

在高壓環(huán)境下動火作業(yè)前，應做好以下準備工作： 1)選擇合適的停機位置； 2)進行地層加固； 3)建立高壓作業(yè)空間。高壓動火作業(yè)工藝流程如圖13所示。

圖13 高壓動火作業(yè)工藝流程Fig. 13 Working flowchart of high pressure fire operation

6.3 高壓動火作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)

目前，國內(nèi)關(guān)于高壓動火作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的研究主要包括： 1)封閉條件下火災煙流特性動力學仿真研究，主要通過高壓焊接作業(yè)試驗系統(tǒng)(如圖14所示)開展試驗研究和計算分析，火災煙流特性仿真試驗模型如圖15所示。 2)壓縮空氣環(huán)境下焊接電弧行為和地下高壓作業(yè)空間構(gòu)建技術(shù)的研究，主要是通過工程實踐進行總結(jié)，形成相關(guān)技術(shù)標準或規(guī)范，指導盾構(gòu)開艙動火作業(yè)。

圖14 高壓焊接作業(yè)試驗系統(tǒng)Fig. 14 Experimental test system of high pressure welding

圖15 火災煙流特性仿真試驗模型Fig. 15 Simulation test model of smoke flow characteristics

6.4 南京過江大直徑盾構(gòu)刀盤帶壓修復案例

南京地鐵過江隧道盾構(gòu)刀盤直徑為11.76 m，盾構(gòu)一次性穿越長江，在長距離掘進卵礫石地層中，由于地質(zhì)條件等原因，發(fā)生了刀盤外圈磨損30～50 cm的嚴重事故，刀盤外圈刀具全部損毀，如圖16所示。事故發(fā)生后，由德國北海公司、上海打撈局和中交一航局聯(lián)合作業(yè)，采用江底高壓動火修復技術(shù)進行了事故處理，修復時間7個月，成功完成了刀盤修復和刀具更換。刀盤修復方案參數(shù)如表4所示。

圖16盾構(gòu)刀盤外圈磨損

Fig. 16 Outer ring wear of shield cutterhead

表4 刀盤修復方案參數(shù)Table 4 Cutterhead repairing scheme

7 結(jié)論與討論

1)高度重視，強化監(jiān)管。嚴格執(zhí)行盾構(gòu)開艙專家評審和開艙作業(yè)審批制度，規(guī)范作業(yè)、重視風險細節(jié)管理，加強風險分析，落實應急措施預案，杜絕事故的發(fā)生。

2)加快國內(nèi)盾構(gòu)開艙專業(yè)隊伍的建設，完善企業(yè)資質(zhì)和安全生產(chǎn)許可證手續(xù)。目前，國內(nèi)開艙作業(yè)的勞務隊伍僅使用潛水作業(yè)和潛水資質(zhì)人員崗位證書，而開艙作業(yè)與潛水作業(yè)有著實質(zhì)性的區(qū)別。個別地區(qū)和單位認可潛水作業(yè)人員上崗培訓資格，也有單位采用潛水資質(zhì)和盾構(gòu)相關(guān)技術(shù)服務資質(zhì)，因此，需要統(tǒng)一規(guī)范管理。此外，政府建設行政主管部門對開艙勞務隊伍的安全生產(chǎn)許可證尚未進行審批，嚴重影響了盾構(gòu)開艙技術(shù)的發(fā)展和對本行業(yè)的監(jiān)管。

3)加快國內(nèi)大盾構(gòu)常壓刀盤可伸縮裝置的系統(tǒng)研發(fā)和應用，確保其可靠性和耐久性。大直徑刀盤多采用常壓刀盤的可伸縮性裝置進行刀具更換和檢查，從國內(nèi)典型盾構(gòu)隧道工程的應用來看，由于一些原因，部分刀盤的常壓可伸縮裝置在經(jīng)過長時間掘進后，可伸縮系統(tǒng)失效或發(fā)生事故，被迫采用帶壓作業(yè)。因此，加強常壓可更換裝置的技術(shù)研發(fā)，確保其可靠性和耐久性十分重要。

4)強化盾構(gòu)設計選型和刀盤、刀具的設計研究工作，減少開艙作業(yè)頻率是盾構(gòu)設計和安全風險防范的根本。通過對國內(nèi)大直徑泥水復合盾構(gòu)隧道工程進行研究和分析發(fā)現(xiàn)，制約工程的最大原因和風險是盾構(gòu)刀盤和刀具與地層的不適應性，其導致刀具頻繁更換，造成項目成本和工程換刀風險增加，如果能從根本上解決這一難題，將大大減少盾構(gòu)開艙換刀和動火作業(yè)的次數(shù)和頻率，降低工程安全風險。

5)完善開艙和艙內(nèi)動火作業(yè)技術(shù)規(guī)范、規(guī)程。國內(nèi)開艙和動火作業(yè)的規(guī)范尚不完善和健全，應制定完善的操作規(guī)程，完善開艙作業(yè)的標準規(guī)范。

6)加強國際、國內(nèi)行業(yè)間的盾構(gòu)技術(shù)交流，共同推動我國盾構(gòu)事業(yè)的發(fā)展。目前，國內(nèi)各部門及國內(nèi)與國際間的技術(shù)交流不暢，行業(yè)間技術(shù)發(fā)展不平衡，交流不密切，需在統(tǒng)一的技術(shù)條件下共同發(fā)展。

7)加強開艙風險分析，完善崗位責任制度，共同推動盾構(gòu)開艙技術(shù)的健康發(fā)展。重視對盾構(gòu)掘進和開艙的技術(shù)管理和風險分析，加強對停機開艙位置地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的研究，制定完善的開艙和動火作業(yè)方案，加強作業(yè)程序?qū)徟捅O(jiān)管，落實安全責任制和應急預案，確保工程安全施工。

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