帶壓進(jìn)艙換刀技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用

帶壓進(jìn)艙換刀技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用

0國(guó)內(nèi)大直徑泥水盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙技術(shù)自1996年世界上首次大型直徑超過14m的盾隧道工程竣工以來，已在國(guó)內(nèi)外完成了德國(guó)易北河第四隧道、綠色心臟隧道、馬蘇3m0環(huán)線隧道、崇明河隧道、南京七路江南隧道、上海上下中街隧道和上海五路隧道的綜合隧道。目前，我國(guó)最大的礦坑結(jié)構(gòu)有南京七路長(zhǎng)江隧道和錢江隧道。如今,過江及海底隧道呈現(xiàn)出了大直徑、長(zhǎng)距離、高水壓和開挖面上軟下硬等特點(diǎn)。長(zhǎng)距離上軟下硬地層掘進(jìn)對(duì)于刀具的壽命提出了更高的要求,在掘進(jìn)過程中對(duì)刀具進(jìn)行修復(fù)或者更換是不可避免的,但由于地質(zhì)條件本身的復(fù)雜性、多變性和周邊條件的局限性,在開挖面前方進(jìn)行土體加固從而實(shí)施常壓進(jìn)艙作業(yè)往往難以實(shí)現(xiàn)。帶壓進(jìn)艙技術(shù)以無需地層加固、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)周邊環(huán)境要求低和影響小等特點(diǎn)成為了目前復(fù)雜地質(zhì)條件下泥水盾構(gòu)進(jìn)艙作業(yè)的優(yōu)先選擇。雖然國(guó)內(nèi)大直徑泥水盾構(gòu)施工已有了很多成功的實(shí)例,但對(duì)超高水壓(0.68MPa以上)、強(qiáng)透水地層帶壓換刀技術(shù)的研究還處于起步階段。帶壓進(jìn)艙作業(yè)是泥水盾構(gòu)施工的最大風(fēng)險(xiǎn)之一,安全、高效、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)艙作業(yè)技術(shù)是目前盾構(gòu)施工技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。1氣密性泥膜滲透試驗(yàn)研究泥水盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙更換刀具,通常需要降低泥水艙液位,以方便帶壓進(jìn)艙作業(yè)人員作業(yè)。此時(shí)盾構(gòu)開挖面前方上部與中部土層全由氣體支撐,如圖1所示。在不(弱)透水地層,壓縮空氣可直接支撐于開挖面,氣壓能平衡開挖面的水土壓力。在強(qiáng)透水地層,大量的壓縮空氣會(huì)通過地層之間的孔隙攜帶細(xì)顆粒向上逃逸,加大地層孔隙造成氣壓不穩(wěn)定,無法平衡開挖面的水土壓力。為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)透水地層開挖面穩(wěn)定,需在開挖面表面建立一層氣密性泥膜。為了得到氣密性泥膜,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了泥膜滲透試驗(yàn),試驗(yàn)裝備如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:先使用高比重低黏度泥漿形成滲透帶泥膜,再使用高黏度純膨潤(rùn)土漿形成致密的泥皮型泥膜,可以使泥膜能夠在壓差(氣壓與孔隙水壓之間的差值)0.2MPa的條件下閉氣達(dá)到24h。2帶壓縫技術(shù)2.1加壓操作流程帶壓作業(yè)流程如圖3所示。2.2飽和氣體加壓作業(yè)常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀人員呼吸的是壓縮空氣,作業(yè)人員直接進(jìn)入盾構(gòu)的壓力人閘,在人閘內(nèi)加壓后進(jìn)入泥水艙進(jìn)行換刀作業(yè),作業(yè)完成后,由泥水艙返回人閘逐步減壓,減壓完成后返回地面常壓狀態(tài)休息。飽合氣體帶壓換刀作業(yè)人員需一直生活在一定壓力的氦氧飽合氣體環(huán)境的地面生活艙內(nèi),開始作業(yè)時(shí),由地面生活艙經(jīng)穿棱艙擺渡至盾構(gòu),作業(yè)完成后,再由盾構(gòu)經(jīng)穿棱艙擺渡至地面生活艙,飽合氣體加壓作業(yè)人員運(yùn)輸流程如圖4所示。采用常規(guī)壓縮空氣帶壓作業(yè)時(shí),當(dāng)作業(yè)壓力超過一定限度(0.45MPa)之后,作業(yè)人員患上減壓病及“氮麻醉”的風(fēng)險(xiǎn)將顯著增大,而且由于減壓時(shí)間會(huì)隨著作業(yè)時(shí)間及作業(yè)壓力的增加而增加,作業(yè)效率將大打折扣。飽和氣體帶壓作業(yè)時(shí)呼吸的是由氦氣、氧氣和氮?dú)饨M成的混合氣體,避免了“氮麻醉”對(duì)身體造成的傷害,且避免了作業(yè)人員每次作業(yè)后繁瑣的減壓程序,使減壓時(shí)間并不隨著帶壓作業(yè)的延長(zhǎng)而增加,大大提高了工作效率。2.3飽和潛水作業(yè)周期常規(guī)壓縮空氣帶壓換刀在盾構(gòu)人閘內(nèi)減壓,減壓作業(yè)由專業(yè)醫(yī)生操艙,專業(yè)操艙醫(yī)生要嚴(yán)格按照相關(guān)潛水作業(yè)規(guī)范所規(guī)定的減壓方案進(jìn)行減壓。通常情況下,減壓速率不能大于0.018MPa/min,減壓至0.12MPa時(shí)開始吸氧。飽合潛水帶壓換刀作業(yè)人員完成工作后,經(jīng)由人閘進(jìn)入穿棱艙,在穿棱艙內(nèi)減壓至生活壓力(通常比作業(yè)壓力低大約0.05MPa)后,再進(jìn)入地面生活艙生活。飽和潛水作業(yè)周期一般在2~4周,完成一個(gè)作業(yè)周期后減壓出艙時(shí)間大約為3d。盾構(gòu)配置的刀具,特別是滾刀質(zhì)量較大,刀具的更換和搬運(yùn)須通過專用機(jī)具和人工搬運(yùn)相結(jié)合的方式來完成?？紤]到帶壓環(huán)境下作業(yè)人員的體力消耗遠(yuǎn)比常壓下同等作業(yè)要大,因此,應(yīng)盡量縮短搬運(yùn)路徑,減少倒運(yùn)次數(shù),特別是垂直搬運(yùn)量。通常安排在時(shí)鐘的3點(diǎn)和9點(diǎn)位置拆裝刀具比較安全省力。3使用示例3.1盾構(gòu)隧道沿線地下水岸地層南京市緯三路過江通道采用2臺(tái)直徑為14.93m的泥水盾構(gòu)掘進(jìn),開挖直徑為15.01m。隧道穿越江中段最大水壓為0.74MPa。根據(jù)近10年河床監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),最薄覆土厚度僅為13.5m。盾構(gòu)隧道沿線穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂、卵石、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖和中風(fēng)化粉砂巖,各地層分布圖如圖5所示。其中,中風(fēng)化粉砂巖區(qū)域位于江底,長(zhǎng)度為500m,具有上軟下硬、上層礫砂與卵石層透水性強(qiáng)、巖層石英含量高和單軸抗壓強(qiáng)度大等特點(diǎn)。卵石層滲透系數(shù)高達(dá)6.8m/d,對(duì)開挖面泥膜形成非常不利,對(duì)在此地層形成氣密性泥膜提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。3.2開挖面泥膜帶壓作業(yè)1)緯三路過江通道N線工程掘進(jìn)至513環(huán)進(jìn)行了首次帶壓進(jìn)艙換刀。帶壓換刀工位在盾構(gòu)泥水艙內(nèi)3點(diǎn)鐘位置,為了創(chuàng)造無水作業(yè)工作環(huán)境,需將泥水艙液位降低9m,本次作業(yè)是國(guó)內(nèi)首次在大斷面砂卵石地層采用壓縮空氣支護(hù)進(jìn)行艙內(nèi)作業(yè),該位置開挖面地層示意圖如圖6所示。針對(duì)該地段特殊的地質(zhì)條件,采用的氣密性泥膜由滲透帶泥膜+泥皮型泥膜組成,在開挖面上形成氣密性良好的泥膜。帶壓作業(yè)過程中開挖面泥膜部分圖片如圖7所示。2)緯三路過江通道N線工程掘進(jìn)至江底段616環(huán)進(jìn)行了第2次帶壓進(jìn)艙換刀,本次換刀作業(yè)啟用了最高作業(yè)壓力0.65MPa的飽和氣體帶壓進(jìn)艙作業(yè)。對(duì)于常規(guī)壓縮空氣作業(yè),1d(4個(gè)班次)最高效時(shí)僅可以完成1把質(zhì)量為277kg的19″雙刃滾刀的拆裝工作;而啟用飽和氣體帶壓作業(yè),1d(2個(gè)班次)則可以實(shí)現(xiàn)3~5把19″雙刃滾刀的拆裝工作,其工作效率大大高于常規(guī)壓縮空氣作業(yè)。本工程飽和潛水作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。3.3常用帶壓作業(yè)泄漏帶壓作業(yè)漏氣的原因主要有以下幾個(gè)方面:開挖面漏氣、盾殼周圍地層漏氣、盾構(gòu)內(nèi)部管線漏氣和盾尾漏氣等。一般來講,開挖面與氣體接觸面積最大,開挖面漏氣為帶壓作業(yè)漏氣的主要原因。地層漏氣時(shí),氣體通過破損或老化的泥膜裂隙向地層滲透,逐步形成漏氣通道。漏氣過程為氣壓作用下泥膜破損的過程,泥膜破壞將進(jìn)一步增大漏氣量,形成惡性循環(huán)。3.3.1鉆機(jī)出口壓力曲線2013年10月6日6點(diǎn)50分,完成降液位,通知帶壓進(jìn)艙作業(yè)人員進(jìn)艙作業(yè)。7點(diǎn)10分,人員進(jìn)艙后發(fā)現(xiàn)刀盤未轉(zhuǎn)到位,通知操作室轉(zhuǎn)刀盤。7點(diǎn)20分,刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)到位。8點(diǎn)15分至8點(diǎn)20分,空壓機(jī)出口壓力曲線驟降。8點(diǎn)20分至8點(diǎn)35分,空壓機(jī)出口壓力降至與泥水艙壓力基本一致。8點(diǎn)30分,立即通知艙內(nèi)作業(yè)人員退回至盾構(gòu)人閘內(nèi)保壓,并啟動(dòng)備用空壓機(jī)供氣。8點(diǎn)35分,空壓機(jī)出口壓力值回升,但并未達(dá)到設(shè)定壓力值。8點(diǎn)40分,啟動(dòng)送泥泵,回升液位,空壓機(jī)出口壓力曲線恢復(fù)正常。盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)曲線如圖9所示。8點(diǎn)15分至8點(diǎn)35分,空壓機(jī)出口壓力曲線驟降且不回升,表明開挖面已經(jīng)開始嚴(yán)重漏氣,空壓機(jī)供氣量小于漏氣量,供耗失衡。啟用備用空壓機(jī)后,出口壓力值雖然回升,但仍未達(dá)到設(shè)定的安全壓力值,表明啟用備用空壓機(jī)后供氣量達(dá)不到安全儲(chǔ)備量,需對(duì)開挖面泥膜進(jìn)行修復(fù)和重建。3.3.3滲透帶泥膜氣密性本次換刀刀盤回縮5cm,建膜后開挖面與滾刀刀刃之間的實(shí)際間距不到3cm。而新更換的滾刀刀刃較舊滾刀刀刃(滾刀磨損)高出3cm多,新刀刃與開挖面泥膜相接觸。刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí),新更換的滾刀切削開挖面泥膜,滾刀軌跡線區(qū)域的氣密性僅依靠滲透帶泥膜保持。7點(diǎn)20分至8點(diǎn)20分,空壓機(jī)出口壓力曲線正常,滲透帶泥膜氣密性可靠;8點(diǎn)20分,空壓機(jī)出口壓力曲線驟降,滲透帶泥膜氣密性失效,這與室內(nèi)試驗(yàn)滲透帶泥膜氣密性不足1h的結(jié)論基本吻合。3.3.4鉆道泄漏應(yīng)急處理開挖面漏氣應(yīng)急處理的最佳方案為以最快的速度回升泥水艙內(nèi)液位。升液位不僅可以減少漏氣量,同時(shí)還可對(duì)受損泥膜進(jìn)行修復(fù)。4帶壓進(jìn)艙作業(yè)的安全性分析1)對(duì)于無法實(shí)施常壓進(jìn)艙檢查及更換刀具的盾構(gòu)隧道工程,帶壓進(jìn)艙作業(yè)技術(shù)可以避免進(jìn)行地層加固,很大程度地節(jié)約時(shí)間成本,尤其是長(zhǎng)距離、復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工,需要頻繁地進(jìn)行進(jìn)艙作業(yè)。2)在開挖面建立泥膜是帶壓進(jìn)艙作業(yè)的前提保證,試驗(yàn)研究結(jié)果表明,氣密性好且穩(wěn)定的泥膜由2部分組成,即開挖面上的泥皮型泥膜和地層中的滲透帶泥膜。3)飽和氣體帶壓進(jìn)艙作業(yè)的效率大大高于常規(guī)壓縮空氣帶壓進(jìn)艙作業(yè),但是飽和氣體系統(tǒng)的建立及日常維護(hù)成本較高,通常在高水壓以及需要長(zhǎng)