地铁盾构带压开舱关键问题研究

邓捷

摘要：随着我国各大城市（如：上海、北京、广州、南京等）地铁隧道和过江过河隧道的相继建设，盾构隧道施工工法已经得到广泛的应用并积累了丰富的工程经验。由于维修刀盘、更换刀具、清理盾构前方障碍物等原因，地铁盾构常需要带压开舱，频繁开舱检修是我国盾构隧道施工的一个显著特点。本文通过对盾构开舱的工法进行比选研究，总结各种盾构开舱的优缺点，重点分析了带压开舱的优势，指出泥膜闭气性的问题，以供设计施工参考。

关键词：地铁盾构；开舱；工法；泥膜；闭气性

引言：

近年来，随着我国各大城市（如：上海、北京、广州、南京等）地铁隧道和过江过河隧道的相继建设，盾构隧道施工工法已经得到广泛的应用并积累了丰富的工程经验。由于维修刀盘、更换刀具、清理盾构前方障碍物等原因而导致的盾构带压开舱作业逐渐普遍，北京铁路地下直径线、狮子洋隧道、武汉长江隧道等工程均成功实施带压进舱，频繁开舱检修是我国盾构隧道施工的一个显著特点。

1、开舱的原因

盾构机是一种庞大而复杂的施工机械，施工时面临的水文地质条件也千变万化，因此需要经常性地进行检修，进入工作舱内进行检修（即开舱）是其中最重要的一环，也是最危险的一环。开舱一般分为主动开舱和被动开舱，盾构开舱的主要原因，可以分为以下几点：

1.1刀盘、刀具的磨损或其他原因导致更换刀具

盾构机在长距离掘进的过程中，因为刀盘、刀具与地层之间的长期摩擦导致其发生不同程度的磨损，特别是在石英含量较高的地层中，这种磨损十分严重。刀盘刀具的磨损在盾构机掘进的过程中几乎是不可避免的问题，其导致的后果就是刀具掘削效率降低、刀盘扭矩增大，严重时甚至无法进行正常的掘进。另外，由于隧道穿越地层的地质条件复杂多变，且地质勘查准确程度受到各种条件的限制，因此盾构机在掘进过程中可能会遇到不明地层。在设计盾构机时，刀具的材质、强度、形状都是与地质条件相匹配的，若是地层的变化与原勘查资料出入较大，那么原先配置的刀具将不能适应新的地层，需要进行更换，以保证掘进的顺利进行。

1.2清除刀盘上的泥饼

盾构机在通过粘土地层时，粘土容易附着在刀盘表面，粘结成饼，糊裹刀盘，从而影响刀盘掘削效力。刀盘结饼是盾构施工过程中比较常见的技术问题，除了在刀盘上配备冲刷系统，通过泥浆的冲洗防止结饼以外，必要时还是需要人工进行清理。

1.3排除开挖面前方障碍物

盾构机在掘进的过程中，可能会遇到地下古木、超大块石、漂石等，特别是在穿越古河床的隧道掘进过程中，刀盘前方遇到异物的概率很大。这种超出刀具处理能力的障碍物，如不及时进行清除，也会阻碍正常的掘进。

2、开舱的常用方法及比选

2.1开舱常用方法

（1）带压开舱法：带压开舱是指利用压缩空气以平衡开挖面的土水压力，维持开挖面的稳定，之后，通过盾构机上的人闸来实现操作人员进舱，在设定气压状态下检查，更换刀具及排出开挖面异物等工作。

（2）常压开舱法：当开挖面地层稳定，地下水较少时，可以直接开舱对刀盘刀具进行检查；如果开挖面地层自稳能力差，地下水较为丰富，应预先将刀盘开挖面处地层进行加固，实施降水和止水措施是开挖面具有一定的强度和稳定性，减少地下水，然后开舱对刀盘刀具进行检查；对刀盘刀具检查所需要的空间进行支护后检查；或者将上述几种方法相结合。

（3）带压潜水换刀法：当埋深较大，地下水位较高，开挖面稳定性差，地下水较丰富，地表条件不允许对开挖面进行加固时，可以选择有潜水经验的施工人员潜入开挖舱对刀具进行检查更换。

2.2带压开舱的优缺点

常压开舱由于地层加固成本较高、施工工期较长，还会受到地表条件的制约，因此有一定的局限性。带压潜水开舱需要入舱人员有较高的水下作业能力，人员安全也难以保障。而带压开舱相比其他两种方法而言具有明显的优势：

（1）带压开舱不受地表环境的限制。在穿越大江大河的隧道工程中，由于隧道上方覆土高度在水面以下，无法从地表对地层进行加固，因此不具备常压开舱的条件；在城市地铁隧道工程中，考虑到地面上的构筑物、道路以及地面施工对环境的影响，也优先采用带压开舱。

（2）带压开舱成本较低。常压开舱采用水泥搅拌桩加固地层，要始终进行井点降水，盾构机埋深越大，加固的成本越高；带压开舱只需要在开挖面上形成泥膜，然后采用气压支护，成本要比常压开舱低得多。

（3）带压开舱工期较短。常压开舱工艺复杂，造价高，工期也长。长时间停机会导致盾构机在软土地基中下沉、再次启动时千斤顶推力过大等一系列问题，带压开舱方便快捷，避免了长时间停机引发的其他问题。

当然，带压开舱也有其缺点，由于人员需要在高压环境下工作，进出工作舱需要进行频繁的加减压流程，耗费较长的时间，频繁加减压也容易造成减压病症，事实上，由于加减压耗费较长时间，人员单次进舱实际的工作时间不足1h。相比于潜水开舱法，带压开舱作业面大，对施工人员综合素质要求也较低，更适宜推广。

正常掘进时，工作舱内充满泥浆，通过调整压力舱内的气压对泥浆施加压力，采用泥浆压力支护开挖面上的水土压力，并且通过泥浆循环将开挖面上掘削下的渣土携带、运送出隧道。带压开舱时，为了提供一个可操作的空间，向工作舱内充入压缩空气降下泥浆液面，然后工作人员在充满气压的环境下，通过人闸进到工作舱内，进行相关的施工操作。

带压开舱的方法适用范围广、成本低、工期短，是目前盾构机日常检查、维护修理采用较多的方法。但是，带压开舱的过程中也存在着一些问题。这些问题增加了带压开舱的难度，如果解决不好会造成一定的风险。在泥水盾构带压开舱中，最关键的问题就是泥膜的闭气性问题。

2.3带压开舱时泥膜的闭气性问题

带压开舱成功实施的关键是在开挖面上形成气密性良好的泥膜，保持泥浆舱内气体压力，以气压来平衡土水压力，实现开挖面的稳定。目前大量在建的跨江海隧道普遍穿越高渗透系数（k>10-2cm/s）的砂、卵石、复合地层，在建的南京纬三路过江通道穿越地层中，中粗砂、砾砂及砂卵石复合地层渗透系数达到10-2cm/s，该地层的最大水压力达到0.77MPa，而在高水压，高渗透系数的地层中带压开舱时，由于地层孔隙较大，导致泥浆滤失量大，泥膜难以形成，而高质量泥膜的形成是目前带压开舱成功的一大前提。

具体来讲，带压开舱时，为了保持开挖面稳定，工作舱内气压值往往要略高于地下水压，此时气压与水压存在一个压差，这个压差必须完全转化为泥膜的有效应力才能达到平衡，有效应力产生的前提是泥膜能在这个压差下不被压缩气体击穿，这是泥膜所能承受气压大小的问题。另外，由于施工人员在舱内需要有一定的工作时间（一般4~8h），这就需要泥膜在气压下有一定的工作时间，在这个时间内，要能保证不被气体穿透，这是泥膜所能闭气时间长短的问题。因此，对带压开舱时泥膜闭气的基本规律和机理进行研究，具有重大的工程意义和理论价值。

3、结语

相比于其他工法，地铁盾构采用带压开舱具有一系列优点，带压开舱关键是解决泥膜闭气性的问题，需要对泥膜闭气性进行系统的研究，并与施工参数结合，该问题的解决还有待进一步的研究。