压气条件下大直径泥水盾构饱和法开舱技术-发表于隧道建设

1、压气条件下大直径泥水盾构饱和法开舱技术陈郁（中交隧道工程局有限公司北京 100088）摘要：本文针对目前大直径盾构在水文地质条件复杂、江河湖海底部等不利环境下，排除盾构机故障、清理障碍开舱方法的缺陷，提出了盾构压气条件下饱和法开舱作业技术。首先研究地质勘查报告了解本次盾构停机区域地质情况，而后在介绍饱和法开舱作业原理的基础上介绍了掌子面压力计算、闭气泥膜的形成、饱和法盾构开舱设备及其开舱技术工艺流程等。通过工程实际应用得出饱和法开舱作业可成功处理施工中遇到无法采用常规方式进行停机检查或刀具更换等作业的施工难题，提高了盾构机对复杂地层的适应性，拓宽了盾构机的应用范畴。关键词：泥水盾构开舱饱和法T

2、echnology of saturation method for entering into the slurry chamber under the condition of compressed air for large diameter slurry shield（CCCC Tunnel Engineering Co.，Ltd. BeiJing 100088）ABSTRACT：This article with the purpose for the defects of the methods for entering into slurry chamber to rule ou

3、t shield machine faults which are usually used in the large diameter shield tunnel in the complicated hydrogeological conditions or at the bottom of the rivers and lakes and other adverse circumstances at present, put forward theshield saturation method under hyperbaric conditions .Firstly, study th

4、e geology exploration report to understand the regional geological situation where the shield stays, and then stress calculation , formation of the closed filtercake , shield driving equipments, technology process and so on are introduced on the basis of the principle of saturation method. The pract

5、ical engineering application proves that saturation method can deal with construction problems such as checking and exchanging the disks, which can not through the conventional way, improving the adaptability to complicated hydrogeological conditions of shield machine and broadening the application

6、scope of shield machine.Key words:slurry shield, entering into the slurry chamber, saturation method0. 前言盾构隧道技术以其安全、快速、高效等优势已成为重大交通等基础设施建设中不可或缺的关键技术，尤其在大型穿江越海隧道建设中得到广泛应用。然而，由于穿越的地层复杂多变，盾构机不可避免的会遭遇被迫停机、开舱检修等问题12。由于无法采用常规的地层加固等方法实施常压开舱，因此带压进舱方法常被采用，如德国易北河第四隧道、荷兰Westerschelde隧道、南京长江隧道等工程，均采用常规的压缩空气方法进行

7、了带压开舱检修或刀具更换等工作3。然而采用常规压缩空气带压开舱工法进舱，每次均需要加压和减压流程，耗费大量时间，实际舱内工作时间仅40min-2h左右，会导致工期严重拖延。同时，进舱人员在频繁的加减压流程中，加大了出现加减压病症的风险，如易北河第四隧道共进行了2738人次的进舱换刀作业，21人次出现减压病症状；南京长江隧道也进行了约3个月的开舱作业。如何快速、安全的完成繁重的盾构刀具更换工作，成为目前我国盾构行业关注的难题之一4 5。饱和法开舱作业技术是将饱和潜水技术与复合式泥水平衡盾构机的工作原理结合，形成一套适用于盾构带压开舱的技术。该技术首先要求在开挖面上形成稳定泥膜，以高压气体置换出泥

8、浆，在泥水舱前壁与掌子面之间形成一个高压空气的环境，这与常规压缩空气的方法类似。所不同的是，作业人员在进舱作业期间一直生活在地面高压生活舱内，由高压穿梭舱与盾构机气压舱对接，作业人员进入压力舱中工作，完成一次作业后再由高压穿梭舱回到地面高压生活舱内，如此往复，直到工作完成后进行一次减压出舱。饱和法开舱作业技术工作人员呼吸的是氦氧混合气体安全性高，一次停机过程中仅需一次加减压，大大降低了加减压病症，且每次进舱作业不需要进行加减压，使得舱内工作时间大大增加，解决了常规带压进舱的两大缺陷。本文以南京纬三路过江通道工程S线在里程SDK4+710处，距北岸大堤约260米，盾心距江面百年一遇洪水位约57米

9、的硬岩段中停机开舱作业为背景，通过大量研究、积极创新，首次在国内采用压气条件下饱和法开舱作业技术对盾构机刀具进行开舱检修，对国内类似工程开舱作业具有重要的借鉴和参考意义。1. 工程概况与地质特点1.1工程概况南京纬三路过江通道工程位于南京长江大桥和纬七路过江通道之间，距离南京长江大桥约5km，S线起于浦口区浦珠路转盘西侧止于江东路，和定淮门大街（纬三路）连接，设计为双层双向四车道，上层为北岸至南岸方向，下层为南岸至北岸方向。本工程S线盾构段采用直径14.93m的气垫式泥水平衡复合式盾构机进行施工，盾构刀盘结构采用辐条+面板式，刀盘开口率约25.7%，开挖直径达15020mm。刀盘上主要配置切削

10、刀和滚刀等，共计717把刀具，其中可更换切削刀80把，可更换滚刀45把，刮刀172把。盾构机刀盘后面为泥水舱位，置如图1所示，掘进过程中刀盘旋转将切削的土体刮入泥水舱内，通过泥浆循环将新切削土体外排至地面泥水处理系统，泥水舱起到存储、搅拌形成混合浆液的作用；气垫舱位于切口环内部呈马蹄形，以平衡泥水舱内泥水，从而保证掌子面平衡。在切口环上部装设有双人闸舱，双人闸舱主要由冷却水系统、加热系统、气体检测系统、通讯系统以及控制台等组成；其中，控制台位于主舱舱门附近，便于操作人员随时监视舱内作业人员情况，通过控制阀以及压力仪表等装置手动操作，实现双人闸舱加、减压的目的。检修性作业时，当加压达到气垫舱压力

11、后方能打开舱门，工作人员可从气垫舱进入泥水舱作业。气垫舱位置泥水舱图1泥水舱及气泡舱位置示意图2停机位置地质纵断面图Fig.1 Position maps of front cabin Fig.2 Geological vertical section of stopping南京市纬三路过江通道工程S线盾构段长约4135米，需穿越卵石层、泥岩层、砂岩层等，其穿越地质为国内最复杂的复合地质条件之一，本文以盾构机位于SDK4+710里程停机换刀位置为例介绍饱和法开舱作业技术。其盾构穿越地质纵断面如图2所示，由上图可见圆内区域为盾构穿越区域，主要穿越地层为2砾砂、1圆砾、卵石和1强风化粉砂

12、岩。上部砂砾、卵石地层，其母岩成分以石英砂岩、燧石及灰岩为主，渗透系数104m/s，为高透水的砂卵石地质，自稳性差；下部为强风化粉砂岩，石英含量达到 65%，平均强度约6080MPa、最高达120 MPa，属高强度硬岩对刀具磨损严重，需要换刀的频率高。因复合地层掌子面上下软硬不均、岩性差异明显，且上部砂砾、卵石地层渗透性高自稳性差，为换刀过程中泥膜制备及前舱压力设定带来巨大难度610。2.饱和法盾构开舱技术研究2.1泥水舱压力确定盾构机泥水舱压力设置直接影响掌子面稳定，盾构机停机开舱过程中最重要的工作就是确保开挖掌子面稳定，为开舱作业人员提供一个安全稳定的工作环境，这就需要对切口水压做出准确合

13、理的计算，确保掌子面土体的稳定。盾构中心理论切口水压计算公式如下： +式中：P切口水压设定值（KPa）P1地下水压力（KPa）P2主动土压力（KPa）P3变动土压力，一般取30KPa；w水的容重（KN/m3）；h地下水位以下的隧道埋深（算至隧道中心）（m）土的容重（KN/m3）H隧道埋深（算至隧道中心）（m）Ka主动土压力系数Cu土的凝聚力（KPa）泥土和地下水压力分层进行计算，得出SDK4+710处盾中部位切口泥水压力理论值为679KPa。理论切口水压计算值在使用过程中要根据现场施工经验和水位变化及时进行修正和调整。2.2闭气泥膜的形成为形成满足开舱作业闭气要求的泥膜，工程采用泥皮+渗透带形

14、式的泥膜。通过室内模拟试验确定合理的泥浆参数。泥膜形成分为三个阶段：第一个阶段渗透阶段，采用小比重低粘度泥浆进行渗透，通过进排泥浆管路偏差流量计算泥浆渗透入地层的速率，渗入速率一般控制在1.0m3/min以下，当泥浆渗入地层速率超过1.0m3/min，可适当提高泥浆粘度，如泥浆粘度提高10s以上渗透速率仍无减小，可适当向泥浆内加入锯末、谷壳等颗粒物以填充地层孔隙；本阶段总渗透时间约18小时。第二阶段为泥皮形成阶段，采用大比重高粘度泥浆形成泥皮，泥浆循环时间约8小时，待泥水舱内泥浆比重达1.1g/cm3，粘度45s以上，即达到进舱要求。第三个阶段为泥皮修复和加厚阶段，采用比重1.15g/cm3，

15、粘度80s以上的泥浆对已经形成的泥皮进行局部修复和加厚。通常泥膜形成需12天，闭气性能良好的泥膜效果见图3。图3 闭气性能良好的泥膜Fig.3 Good obturator performance of mud film2.3压气条件下饱和法盾构开舱设备饱和法开舱作业的主要设备有生活舱、穿梭舱、盾构机人闸舱、物料舱以及穿梭舱运输设备等。生活舱设置独立操控面板，可分别控制主、辅舱的压力控制系统、通讯系统、气体供应系统、气体成分分析系统、温度调控系统、湿度调控系统及紧急措施系统。（生活舱如图4）。图4-a生活舱图4-b生活舱控制室Fig.4-a Life cabin

16、Fig.4-b Control room of life cabin穿梭舱是运输进舱人员的交通工具，承担着运输进舱人员从生活舱进入盾构机人闸舱的任务，穿梭舱设置9L物料舱，可与外界联系，提供生活及工作必备品。舱内配有应急混合气瓶及粉灭火器，以备紧急情况使用（穿梭舱如图5）。穿梭舱运输设备主要有平板运输车运、运送平台、拼装平台等。人闸舱是工作人员从常压进入高压作业区的通道，人闸舱分为主舱和辅舱两部分，主舱为舱内作业人员提供电源、水和呼吸气体等作业必备条件，主舱与盾构机泥水舱和气泡舱连接；辅舱作为备用舱，可用于应急救援，两舱之间设置闸门，使其能够既相互独立又相互连通（人闸舱如图6）。图5

17、穿梭舱图6人闸舱 Fig.5 Transporter-cabin Fig.6 Human-cabin物料舱是在进舱作业过程中向舱内输送或与外界相互传递机具、材料和刀具等物资的通道。饱和带压进舱更换刀具的设备还包括：地面生命保障系统、运输车、吊机、固定平台等；其中生命保障系统由控制室、氧气站、空压机、备用发电机组成。2.4呼吸气体饱和法开舱方法作业人员呼吸的是氦氧混合气体，避免了呼吸压缩空气情况下氮麻醉现象的发生，安全性好；饱和法开舱技术所需气体主要包括三类：(1) 5%的氦氧混合气体，气体成分主要包括5%的氧气、75%的氦气和20%的氮气，是饱和法开舱技术中主要使用的气体类型，是进舱人员整个开

18、舱过程中呼吸的主要气体；(2) 10%的氦氧混合气体，气体成分主要包括10%的氧气、55%的氦气和35%的氮气；(3) 10%的氦氧混合气体及医用氧气主要用于调控生活舱及穿梭舱氧气含量以及减压病的治疗过程。2.5饱和法盾构开舱技术工艺流程饱和法带压作业时作业人员首先进入生活舱，用混合气体加压生活舱和穿梭舱，使生活舱和穿梭舱压力与泥水舱作业压力相同。待作业人员适应后，穿梭舱与生活舱对接，作业人员进入穿梭舱；穿梭舱用吊机放置在运输车上，固定好以后运送到隧道内；穿梭舱运送至三号台车下部后用口字型构件吊机放置在轨道上，通过轨道滑行至管片拼装机底部；再通过管片拼装机旋转至固定平台上与人闸舱副舱对接。作业

19、人员从穿梭舱进入人闸舱开始刀具更换作业。作业完成后，作业人员从人闸舱返回穿梭舱，穿梭舱运回地面。在穿梭舱和生活舱对接前采用混合气体对穿梭舱进行洗舱，使穿梭舱内的混合气体含量达到标准要求后再与生活舱对接，作业人员从穿梭舱进入生活舱内休息。这样饱和带压更换刀具完成一个工作循环。开舱作业流程图见图7。图7盾构开舱技术工艺流程Fig.7 Cabin opening technological processes of shield2.6医疗保障及安全措施压气条件下饱和法盾构开舱作业是在高压空气环境中长时间工作，因此进舱人员需经过严格体检后方可进舱作业。体检主要参照职业潜水员体格检查

20、要求进行体检，检查项目主要包括：一般检查、各科常规检查、特殊检查和辅助检查。特殊检查包括肺功能检查、咽鼓管功能，加压试验，氧敏感试验。此外，由于进仓人员需在生活舱内持续居住1424天，因此还需要对进舱人员进行心理测试和评估。饱和法盾构开舱作业人员需要在高压空气环境中一次工作46h，在高压环境中如果减压过快，机体组织溶解的气体无法及时排出，将在机体组织和血液中以气泡形式存在产生病理综合症。并且在加压过程中因体内含气体的气压与周围环境压力不平衡而可能引起气压压伤病症。因此在整个开舱过程中，高压氧医生应携带必备医疗器械及救护车辆分班次在人闸舱外值班，一旦人员出现病症能及时处理。在整个饱和法盾构开舱作

21、业期间，需随时保证舱内人员与舱外人员联系畅通。作业前详细检查盾构机各个设备，特别是空气压缩机；确保设备的安全运作，发现问题及时解决。另需派专人值守空气压缩机，观察空压机供气是否正常（即空压机压力是否稳定），发现问题立即处理。进舱作业过程中出现异常情况时，应立即出舱，停止开舱作业。3.工程应用效果在盾构掘进约593环位置时，刀盘扭矩异常增大，盾构机地处强风化粉砂岩、中风化砂岩区域，经判断需停机进行刀具的检修与更换。首先计算出中心切口水土压力为0.63MPa，而后进行泥浆调制并形成稳定性好的泥皮+渗透带形式的泥膜，待泥膜形成以后，通过排浆管降低泥水舱液面，液面降到盾构中心以下2.5m的高度后带压更

22、换刀具的准备工作完成。而后，作业人员从约0.63MPa生活舱中进入穿梭舱，穿梭舱运至盾构机处通过管片拼装机旋转至固定平台上与人闸舱副舱对接。作业人员从穿梭舱进入人闸舱开始刀具更换作业，一次作业时间约为4个小时。作业完成后，作业人员从人闸舱返回穿梭舱，同时开始回升泥水舱泥浆液面，修复掌子面泥膜；穿梭舱被运回地面，作业人员从穿梭舱进入生活舱内休息，这样饱和带压更换刀具完成一个工作循环。如此重复待一次停机饱和法开舱作业完成后，工作人员在生活舱内进行一次减压，减压分为10个阶段进行减压，当压力减小到0.12兆帕时，作业人员开始吸氧，直至减压结束，至此一个作业循环全部完成。南京纬三路过江通道工程分为S线

23、和N线两条隧道，其中S线隧道盾构段全长约4135m，共计2070环，穿越粉砂岩总计560m。从2013.9.102014.6.26期间先后停机进舱检修及更换刀具6次，更换滚刀及刮刀300余把，采用饱和法进舱作业约240次，共计饱和带压进舱作业1000h。如果采用常规的压缩空气进舱初步预计需上万小时的作业，且相关费用会增加20倍左右。截止目前本工程饱和法进舱作业人员尚未出现减压病病例，可以得出饱和法开舱作业具有高效率、高效益、作业安全等优势，可成功处理盾构隧道施工中遇到无法采用常规方式进行停机检查或刀具更换等作业的施工难题。4.结论与讨论饱和法开舱作业适用于复杂地质条件下，盾构机开舱作业工作量较

24、大的复合式泥水平衡盾构工程，当前研究限于工作压力57bar（1bar=0.1MPa）范围内；应用饱和法开舱技术时停机位置刀盘前方周围地层需通过泥浆渗透形成稳定泥膜，保证开挖面具有良好的气密性，满足保压效果。饱和法开舱作业技术作业人员呼吸专用的压缩氦氧混合气体（以氦气代替空气中的氮气），可降低作业人员呼吸阻力、避免氮麻醉情况的发生；应完善的生活舱、穿梭舱等相关配套设施，规避了常规压缩空气进舱时每班次必须加压减压的过程，极大的降低了进舱作业人员患减压病的风险。同时饱和法开舱作业每一班次工作时间可达46h，且每班次作业前后无需加压减压过程（综合比较每班次作业时间是常规压缩空气进舱作业时间的20倍），

25、可见饱和法开舱作业工作效率高，可大幅节约工期。综上可知，饱和法开舱作业可安全、高效的处理盾构施工中无法采用常规方式进行刀盘检查、刀具更换等施工作业难题，提高了盾构机对复杂地层的适应性拓宽了盾构机的适用范围，对同类施工问题处理具有较高的参考价值。参考文献(References)1孙善辉，洪开荣，陈馈. 盾构饱和气体带压进舱技术研究J.理论研究, 2012,增刊2:119-123. (SUN Shanhui，HONG Kairong，CHEN KuiResearch on shield with saturated gas entering the pressured cabin technolo

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