超大直径泥水盾构在复合地层中饱和带压进仓技术

超大直径泥水盾构在复合地层中饱和带压进仓技术

莫康康乔世冶

中交隧道工程局有限公司北京100102

摘要：由于地层的复杂性和未知性，超大直径泥水盾构施工中对盾构刀盘的刀具选型具有一定的局限性。以南京纬三路过江通道工程为背景，对盾构段施工复杂地层研究，分析显示，南京纬三路过江通道带压开舱作业是盾构机长距离穿越高水压、强透水复合地层的必定工作，虽然通过设定合理的切口压力、推进速度、推力和泥浆指标等方面减少了掘进过程中对刀具的磨损，但盾构开挖直径大，刀盘配置的刀具数量庞大，一次空气带压换刀作业时间太长，严重影响了工期进度，成功的运行了饱和带压换刀技术为盾构换刀技术带来了突破性的技术变革，该研究对类似工程的风险分析和控制有参考意义。

关键词：南京纬三路过江通道；盾构机；饱和带压进仓

1工程概况

南京市纬三路过江通道是南京城市总体规划确定的城市重要过江通道之一，。位于南京长江大桥上游约5km和已建成通车的南京纬七路长江隧道下游约4km处。南线盾构段由江北工作井始发，通过江北长江大堤经潜州、梅子洲，在江南上岸后与定淮门大街和江东北路顺接，盾构段4.135km；盾构开挖直径15.02m。江中最高水压0.74Mpa，岩层段石英含量高达65%。江底隧道覆土厚度浅，S线隧道局部覆土厚度只有0.6盾构直径；一次掘进距离长，S线隧道盾构段长4.135km盾构掘进需穿越卵石层、泥岩层、砂岩层，同时沿线需穿越桩群和风井，并存在孤石、漂木、铁锚、沉船等不明障碍物。

2进仓地质情况与刀具情况

2.1进仓地质情况

当盾构掘进长度1188m，刀盘里程到达SDK4+749.6。盾构在此掘进期间，所穿越的地层有淤泥质粉质粘土地层、粉质粘土、粉细砂、中粗砂、砾砂、圆砾、卵石地层。地层分段情况见下表：

表1地层分段情况表

地层淤泥质粉质粘土地层粉细砂地层中粗砂地层砾砂、圆砾、卵石地层粉砂岩

里程SDK3+553～SDK3+612SDK3+612～SDK4+170SDK4+170～SDK4+316SDK4+316～SDK4+710SDK4+710～SDK5+274

环号1～3031～308309～381382～578579～860

长度(m)6571587129394564

3盾构仓室结构

泥水仓和气泡仓是泥水平衡试盾构机的不可缺少的部分，它们之间通过一道钢板隔开，并通过底部两侧的开口相连。泥水仓是泥水盾构隧道施工掘进时碴土和泥浆的混合仓，仓内充满泥浆，进入泥水仓前需要将泥浆置换成空气；气泡仓是通过盾构机配置的保压系统调节实现稳定掌子面的，气泡仓上部为通常为压缩空气，下部充满泥浆。工作仓由工作仓和应急仓组成，工作仓用于人员工作进入及与气泡仓连接,应急仓用于工作时应急人员进入以及材料的倒运。工作仓通过一道仓门与气泡仓连接。

图2工作仓结构图

4进仓准备工作

4.1停机前的注浆密封作业

泥水平衡盾构机带压进仓前需对盾尾管片、盾壳与地层间隙采用二次注浆或者盾体注入聚氨酯密封，防止带压人员仓内工作时，压缩空气通过盾尾管片、盾壳与地层间隙窜通泄漏，造成泥水仓切口压力波动，影响作业安全。一般采用在盾尾后两环管片开孔注入注浆或者注聚氨酯密封。

4.2穿梭舱运输平台、轨道安装

穿梭舱大约5.5T重，盾构机空间又小，机械化设备无法利用，因此设计了适应本盾构机的穿梭舱平台和轨道，充分利用盾构机自带设备机械化施工。当盾构机掘进至底部油缸行程大于2450mm时停止掘进，将盾尾污水及渣土全部清理干净。安装顺序为：轨道的安装→拼装机真空吸盘和真空泵的拆除→底部转动平台及小车安装→穿梭舱搬运用具的安装→穿梭舱对接平台立柱的安装→穿梭舱对接平台的安装→穿梭舱试运行及调整。

4.3泥浆的制备和泥膜的形成

根据开挖面地层情况，配制不同指标的泥浆。饱和带压进仓泥浆指标控制值为：比重1.08~1.15，粘度（马氏）>50s，使用纯膨润土材料进行制浆，并且不能含有石棉成分。盾构机停止推进后，将切口水压上升0.2~0.5bar，对掌子面进行渗透压浆，压浆结束标准为每小时泥浆漏失量小于15cm，且压浆时间不小于4h。压浆完成后，将切口水压下调至正常值形成渗透型泥膜。当渗透型泥膜形成后使用高粘度泥浆来形成泥皮，泥浆粘度120s。泥皮制作完成后开始用膨润土原浆置换泥水舱与气垫舱内泥浆，置换泥浆前期，送排泥流量尽可能大，泥浆置换按从下到上置换的原则进行置换，即以逆洗模式走机内循环。当泥浆置换方量达到送泥管浆量+泥水舱浆量+气垫舱浆量时，对泥水舱上、下部位及气垫舱中部泥浆指标进行测量。若泥水舱上部泥浆指标不达标，继续进行泥浆置换，并每隔10min测量一次，直到泥浆指标达标。若泥水舱上部泥浆指标达标，但气垫舱中部指标不达标，继续置换，每置换10min停机2h，以便气垫舱泥浆与泥水舱泥浆充分混合。

4.4人员和物资准备

（1）作业人员准备

带压进舱前必须对进舱人员进行身体检查、理论与实践培训，并配备专业的高压氧医生，进仓人员以3人一组为宜。操仓工作须有压缩空气下作业资质的单位技术人员进行。穿梭舱运输过程涉及到的吊机（车）操作手、平板车司机及管片拼装手需通过相关资格认证，其他所有相关操作人员需经过专门培训。

（2）气体储备

饱和作业气体储备通常由下面的气体组成：

基础混合气体(5%O2/75%He/20%N2)

运输用混合气体(10%O2/55%He/35%N2)

医用氧气(100%O2)

氦氧治疗气体(50%He/50%O2,35%He/65%O2,20%He/80%O2)

校准气体(100%N2,100%O2,5.0ppmCO2,25%He/75%O2)

以基础混合气体为主，一个作业班组工作四小时通常消耗2.5组气体（每组15瓶，15bar），由于穿梭舱与工作仓对接后仓内气体混有压缩空气，所以在人员完成工作后回到穿梭舱后要进行洗仓工作，所以一个作业班组至少在隧道内准备4组混合气体。

5穿梭舱运输

穿梭舱运输时间需控制在1h之内，保证车载混合气体满足穿梭舱进出隧道时舱内人员的正常生命呼吸。

（1）进舱作业之前，作业人员一直在生活舱内的高压环境中生活（呼吸基础混合气体），生活舱压力根据作业压力进行设定。

（2）穿梭舱与生活舱对接，作业人员从生活舱进入穿梭舱。运输过程中，穿梭舱内压力与生活舱压力相同，作业人员将呼吸运输用混合气体。

（3）将穿梭舱、混合气体气瓶组、发电机及其它配套设备吊运至专用运输平板车上，见图3。

图3穿梭舱及配套设施吊装、使用管片拼装机旋转运输穿梭图

（4）运输穿梭舱及配套设备至盾构机内指定位置。

（5）将穿梭舱吊运至盾构机内运输轨道，采用卷扬机将穿梭舱沿轨道运输至下部平台。

（6）采用卷扬机将穿梭舱平移至指定位置，并将穿梭舱与改造之后的管片拼装机连接，使用管片拼装机将穿梭舱旋转至上部平台，准备与上部人闸对接。

（7）微调平台，使穿梭舱与上部人闸法兰接口对齐，并进行对接。

（8）上部人闸及对接法兰段加压（与穿梭舱压力相同），作业人员从穿梭舱进入上部人闸后即关闭人闸舱门，装备饱和潜水头盔及服装。作业人员在人闸内加压至作业压力后，即可开始进舱作业。

6进仓工作

6.1进仓加压和压力保持

工作仓加压前检查高压水、气动工具工作良好，将备用24VLED灯、换刀工具、螺栓等材料、机具放入主仓或通道仓，关闭仓门，准备对工作仓加压。专业操仓人员打开进气阀，保持恒定升压速度向工作仓内压入压缩空气，直至达到穿梭舱设定压力，在加压过程中，主司机通过空压机数据监控观察空压机的工作情况，通过液位计密切注意泥水仓内的液位变化和切口压力的变动。达到设定压力后，操仓人员等待穿梭舱与工作仓对接，穿梭舱操仓人员与工作仓操仓人员通过调压配合打开工作仓舱门，使工作人员进入工作仓。工作人员进入工作仓后佩戴头盔和穿戴工作服，工作仓继续加压使穿梭舱舱门关闭并打开工作仓与气泡仓联通门，使工作仓和气泡仓压力相等后进入气泡仓。人员入泥水仓进行作业时，盾构司机应时刻注意空压机的启动频率和补气频率，确保仓内压力的稳定平衡，当空压机启动频繁、泥水仓补气持续，或者泥水仓切口压力有所减小时，及时与仓内人员沟通仓内包压情况或者检查设备状况，紧急情况下应立即启用减压、出仓返回穿梭舱。

6.2仓内带压作业

加压操作完成后，作业人员开仓进入作业面。当带压作业人员进入工作状态后，如果舱内温度过高，应打开工作仓外的卸压球阀，以保证人员舱内一定的通风量，降低仓内的温度。一般而言，饱和带压进仓不受泥水仓内的压力影响，工作时间为4个小时甚至更多，由于作业时间长，泥膜在空气中暴露的时间很长，容易使泥皮干裂破损，仓内作业人员直观观察泥膜情况，掌握工作时间。仓内通风调节温度时应注意主仓进气阀、泥水仓排气阀的使用方法，严格观察控制气体流量，以保证人员的安全。

6.3减压出仓作业

工作人员离开气泡仓进入主仓。关闭主仓与气泡仓之间的门，人员仓管理员打开泄压阀门快速降低主仓中的压力，使主仓和气泡仓有明显的压差来关闭气泡仓舱门，并同时观察压力表和流量计。待气泡仓舱门完全关闭后打开泥水仓排气阀，尽快完成泥水仓的液位恢复来修复泥膜。同时调节工作仓与穿梭舱压力值打开穿梭舱舱门，作业人员进入穿梭舱后继续降低工作仓压力至常压。

7出舱运输

（1）进舱作业完成后，作业人员返回人闸减压，待压力降至与穿梭舱压力相同时解除饱和潜水装备，并返回穿梭舱。

（2）作业人员全部进入穿梭舱后，解除穿梭舱与人闸的连接，使用管片拼装机将穿梭舱旋转回下部平台，并通过轨道将穿梭舱运输至盾构机内指定位置。

（3）穿梭舱及配套设备吊运回专用运输平板车，随后运输回地面。

（4）由于对接过程中，穿梭舱内气体成分发生改变，作业人员从作业结束返回穿梭舱到返回生活舱的过程中，将佩戴呼吸面罩进行呼吸（运输用混合气体）。

（5）穿梭舱返回地面后，对舱内的气体成分进行调节。调节完成之后，穿梭舱与生活舱对接，作业人员返回生活舱。

8减压出舱

一个作业周期（通常为14d）完成后，作业人员将在生活舱内减压（约3.5d），减压完成后即可出舱生活。

结语：

盾构隧道一次性掘进距离长，地层复杂，需要更换刀具较多并且频繁的需要换刀作业，饱和带压换刀满足盾构刀盘刀具更换和换刀周期的要求。在此总结复合地层饱和带压更换刀具施工技术，可供类似大型泥水盾构换刀作业借鉴。

参考文献：

[1]张智博．南京长江隧道大型泥水盾构施工风险分析及对策［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程），2011,38（6）：65-69．

[2]缪忠尚,黄雷.NFM盾构机带压开舱换刀技术[J].现代隧道技术,2012,49(2):99-103.

[3]施笋.土压平衡盾构在富含水砂层中加压开舱技术[J].现代隧道技术,2013,50(1):54-60.