隧道盾構帶壓開倉作業中的潛水技術應用研究

薛利群　張國光

(上海交通大學海洋水下工程科學研究院　上海　200231)

隧道盾構帶壓開倉作業中的潛水技術應用研究

薛利群張國光

(上海交通大學海洋水下工程科學研究院上海200231)

摘要從潛水技術的專業視角，概述盾構帶壓開倉作業的主要難點和關鍵技術，評價并介紹施工作業中所需采用的各類潛水技術及設備的應用特征，提出不同盾構施工條件下潛水技術在帶壓開倉作業中的應用原則。

關鍵詞盾構施工帶壓開倉潛水技術飽和潛水

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

1　盾構帶壓作業主要問題及技術條件

1.1主要問題

與常壓開倉技術相比，盾構帶壓開倉作業的主要問題在于：

(1) 帶壓開倉作業需要有人進入盾構開挖倉內部(干式或濕式環境)，其高氣壓作業環境類似于水下施工作業。對于工作壓力高于0.6MPa，且盾構內作業周期時間較長的帶壓開倉工作，需要采用飽和潛水技術。

(2) 水下情況復雜(如泥漿、水壓、塌方、有害氣體等)，易發意外事件，可能危及進入壓力區作業人員的安全。

(3) 需要對盾構面進行壓力平衡。水土壓力將視盾構現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，現有工程案例最大已達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性差、易塌陷，以及淺覆土容易引發冒頂、通透水流等。

(5) 由于盾構直徑較大(可達10～15m)，存在較大的過剩壓力區，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)狀況下，泥漿對作業者(潛水員)的呼吸、視覺影響較大，需采取相應防護措施。

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

1.2技術條件

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

(1) 盾構頭部(開挖倉)具備帶壓開倉的設備條件，能夠配置盾構人閘艙(人員平衡艙)。(2) 潛水設備，即與潛水作業相關的設備。如適合相應潛水作業方式需要的潛水裝備系統，人閘艙、人員轉運艙、醫療減壓艙，以及在隧道內運輸、吊裝、轉接等設施的配置。

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

①潛水綜合指揮協調人員。應對盾構內刀具更換情況、對潛水作業技術、對各類潛水裝備裝具、對潛水醫學均有一定的了解，可通盤指揮整個帶壓開倉的作業過程。

②潛水或高氣壓作業人員。應具有潛水作業技能，同時掌握盾構刀具更換以及相應檢修任務的專業技能。

③潛水醫學保障人員。能夠根據實際作業情況，選擇潛水方案、減壓方案及應急減壓病治療方案的制定。

④設備的操作人員。飽和艙，轉運艙及平衡艙的操作、維護保養人員；使用飽和艙潛水，通常需24h連續運轉。

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

(5) 應急處理能力及預案。實施盾構氣壓開倉作業，應具備潛水意外事件的應急處置能力，并編制相應的應急處置預案。

2　潛水作業技術及特征

可用于隧道盾構施工的潛水作業技術，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，有常規潛水與飽和潛水之分。常規潛水又分為空氣常規潛水、氮氧常規潛水和氦氧常規潛水，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的應用性分析比較。

表1　典型潛水技術的應用性分析比較

3　潛水技術用于盾構帶壓作業的一般準則

遵循國家相關潛水作業安全標準法規，根據隧道盾構項目帶壓開倉作業的最大工作深度(或壓力范圍)，及進倉作業的可能持續時間要求，潛水方案及潛水作業技術的應用大致可分為：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方式、人員及裝備配置

通過對潛水技術特征及盾構帶壓開倉作業要求的分析可見，盡管可以將盾構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，但潛水作業技術方案的選用并不是機械的教條。同樣環境條件下的帶壓開倉，可以通過不同的潛水手段來實現，技術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為根據我國潛水實踐和標準法規，對不同水深(壓力)范圍的超壓盾構施工推薦的潛水作業方法。

圖2　不同作業方式介入超壓隧道盾構

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

3.1低壓開倉作業

根據《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，潛水現場應備有甲板減壓艙，并應備有用于減壓和治療的氧氣。

對于盾構作業水深(或地下水頭壓力)小于24m的低壓作業，一般可選擇身體健康、經過培訓的專業技術工人(高氣壓工)，按照《盾構法開倉及氣壓作業技術規范》(CJJ217-2014)的要求，采用壓縮空氣為呼吸氣，在基本干式環境下，通過人員平衡艙(人艙)承壓進倉作業。

3.2中壓開倉作業

對于盾構作業水深(或地下水頭壓力)在24～60m之間的中壓作業，應采用經過專業技能培訓(如維修、換刀技能等)的空氣潛水員進倉作業。

利用常規空氣潛水技術作業，工作人員在盾構內一般無需著潛水裝具，作業效率較高。所需潛水設備也較簡單，主要是人閘艙和移動式醫療加壓艙，不需要諸如轉運艙、飽和艙等設備支持，技術難度底，操作簡單。潛水作業及減壓，按照《空氣潛水安全要求》(GB26123-2010)和《空氣潛水減壓技術要求》(GB/T12521-2008)執行。

采用混合氣潛水作業，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)執行。

3.3高壓開倉作業

通常，水深大于60m(0.60MPa)的盾構施工視高壓作業(也有將0.68MPa以上為稱為超高水壓)。當空氣潛水深度超過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，其作業周期內很難完成一次盾構刀具作業，且由于氮麻醉的影響，“次生事故”發生概率增加。因此，對于水深大于60m的項目，應根據盾構工程的綜合情況，采用混合氣常規潛水或飽和潛水作業，并在作業地點配置相應的潛水減壓艙或轉運艙。

3.3.1氦氧常規潛水進倉作業

按我國《混合氣潛水安全要求》(GB28396-2012)要求，氦氧常規潛水的最大潛水深度應不大于120m。作業現場，通常應配備水面減壓艙及其有關設備。

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

混合氣深潛水的作業安全保障要點：①對混合氣體配置的準確性實施監督；②嚴格控制呼吸氣中的氧濃度；③根據潛水深度的不同，監督呼吸氣體的轉換；④減壓結束后出艙的潛水員，應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內不宜飛行或去高海拔地區旅行。

3.3.2飽和潛水進倉作業

氦氧飽和潛水、氮氧飽和空氣巡潛技術，大大方便了開倉換刀作業的順利進行。根據飽和潛水理論，在一定的飽和深度內，其作業時間基本不受限制。

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)執行。采用氦氧飽和潛水，按照《200m氦氧飽和潛水作業要求》(GB/T24555-2009)執行。對于遇到的緊急情況或減壓病處置，應遵循《200m氦氧飽和潛水作業應急措施》(GB/T24556-2009)、《200m氦氧飽和潛水減壓病處置原則》(JT/T744-2009)等實施。

4　討論與結語

(1) 經過最近20余年的工程實踐，潛水技術適用于隧道盾構施工作業已日漸成熟。一般壓力不超過24m(0.24MPa)的盾構作業，由經過基本培訓的高氣壓工(也稱沉箱工)足以適應工作需要。水深大于24m的作業任務，應該由專業潛水員完成。國內多年來隧道施工企業對高氣壓工的潛水培訓和實踐，基本遵循這一原則。

(2) 與隧道盾構施工所需的潛水作業相比，海上潛水(包括油氣開發、救助打撈)面對的環境更嚴酷，更復雜，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域的常規空氣潛水實踐及300m以淺飽和潛水的研究和應用，均躋身先進國家之列，國家及行業層面的相關潛水安全標準、法規框架已基本構建完成，可供隧道盾構施工的潛水作業應用借鑒。

(3) 潛水技術用于隧道盾構作業，需要解決的支持條件，不僅僅是裝備設施、潛水規程及減壓表等軟硬件，潛水人員及作業管理(特別是有經驗的現場指揮人員)亦不可或缺，甚至是其成敗之關鍵。其中飽和潛水更是一項“人員-設備-法規-管理”環環相扣且復雜的系統工程。這對于隧道盾構施工企業來說，有著相當大的壓力和挑戰。

(4) 未來我國隧道盾構施工帶壓作業潛水技術的應用和發展前景廣闊。根據我國可預見未來的水下或地下高水位的隧道建設前景(水深基本在150m以內，即便考慮海底埋深覆蓋層，極限深度亦小于200m)，目前需要優先關注的是如何將海洋水下工程潛水技術，包括潛水裝備、標準法規、作業規程、加壓/減壓表，以及應急預案等，科學有效地移植于隧道盾構施工領域，以推進我國隧道盾構施工技術的發展和完善。

參考文獻

[1]陳饋.盾構法施工超高水壓換刀技術研究[J].隧道建設，2013，33(8)：627-632.

[2]吳忠善，楊釗，楊擎.超大直徑泥水盾構帶壓進艙換刀技術研究與應用[J].隧道建設，2014(7)：673-678.

[3]吳植恩，馮承忠，吳家偉.港九海底鐵路建設中的減壓病：工作條件與發病關系探討[J].中國工業醫學雜志，1989(2):15-18.

[4]ANDERSENHL,DecompressionsicknessduringconstructionoftheGreatBeltTunnel,Denmark[J].UnderseaHyperbMed，2002，29(3):172-188.

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