地鐵海底隧道泥水盾構帶壓查換刀監理安全技術控制措施

張恒忠（上海地鐵咨詢監理科技有限公司，上海 200032）

近年來，隨著國內地鐵建設的高速發展，地鐵工程不僅在大中城市陸地下穿行，越來越多的地鐵線路常常還要下穿江、河、湖、海。海底隧道往往線路區間距離超長，且不易或無法在海床上增加工作井，再加之地質的特殊情況，盾構在推進過程中刀具磨損嚴重，就必須在區間內進行查換刀具。如果查換刀具點的水文、地質情況無法滿足常壓查換刀條件，就必須在帶壓情況下查換刀具，帶壓查換刀工作風險極大。有些地鐵工程在帶壓查換刀過程中出現過安全事故，既造成現場一些人員傷亡、財產損失，也對地鐵工程推進速度造成嚴重影響，還造成嚴重的社會負面影響。如何在保證工期、確保安全前提下進行查換刀具，一直困擾著各參建方（尤其是業主方）。筆者希望介紹的案例能給其他地鐵的各參建方起到參考作用。

1 工程概況

青島市地鐵 8 號線工程大洋站～青島北站區間共長約7.8 km，兩側陸域段共長 2.4 km；海域段共長約 5.4 km，海域段西側長 2.5 km（采用礦山法工法），海域段東側長約 2.9 km，采用泥水盾構工法。泥水盾構于 2 號風井始發，在膠州灣海底與西側礦山法隧道對接（海底對接段），棄殼接收。線路最大坡度為 28‰，區間最小埋深約為 26.49 m，最大埋深約為 51 m，區間襯砌環外徑 6.7 m，襯砌厚度 0.35 m。筆者介紹的就是海域段東側泥水盾構帶壓查換刀施工監理監控內容。

2 水文和地質情況

2.1 水文情況

本工程區間海域段為膠州灣北部區域，地表水為海水，海水受潮汐影響，整體水深自西向東加大，最高潮位水深 3 m～11 m；地下水賦存方式主要為第四系松散巖類孔隙潛水、風化基巖孔隙水和構造基巖裂隙水三種。

2.2 地質情況

區間海域段主要穿越地層為盾構區間穿越主要地層為：? 中粗砂（石英含量 47%～57%），?1粉質黏土（石英含量 15%～25%），?11強風化火山角礫巖（石英含量 25～65%），?13強風化泥質砂巖（石英含量15%～50%），?8-2強風化凝灰巖（砂土狀碎裂巖），?11-2中風化火山角礫巖（石英含量 25%～65%），?13中風化泥質粉砂巖（石英含量 15%～50%），?8-2中風化凝灰巖（塊狀碎裂巖），?8微風化凝灰巖，?8-3微風化凝灰巖（JL）。海域段共穿越 2 條斷裂帶（F3 和 F4 斷裂帶），其中 F3 斷裂帶長 90 m、F4 斷裂帶長 613m。

圖1 東側過海段總平面圖

3 盾構開倉（帶壓檢換刀具）作業風險分析

依據類似工程的施工經驗和實際工況分析，主要安全風險如下。

（1）職業?。p壓病、氣壓性損傷、氮麻醉、氧中毒、中暑等）。

（2）意外傷害（重物砸傷及工具傷、滑倒摔傷或墜落傷、氣體中毒、倉門打開時機械傷害、設備誤操作意外停電、空壓機故障等）。

（3）擊穿覆土層（計算水土壓過高、泥膜質量不能滿足要求或保壓設備不穩等因素）。

（4）掌子面失穩（地層斷面穩定性差、泥膜質量差、水土壓力設定不合理等因素）。

（5）盾尾后方涌水（盾尾刷油脂不足、同步注漿不到位、環箍注漿不到位等因素）。

4 監理控制措施

4.1 進倉查換刀位置及前后范圍預確定

監理部深知帶壓查換刀作業安全風險極大，科學合理確定查換刀位置至關重要，總監帶隊組織專業監理工程師、施工單位土建技術人員、地質勘探技術負責人、設計負責人等成立專業小組，共同對地質報告進行細致、深入研究分析，再結合盾構刀具材料、品牌、耐磨性能及盾構施工經驗，首先確定查換刀位置初選原則如下。

（1）優先選擇巖層穩定、上部巖層覆蓋多及掌子面為全斷面硬巖地層。

（2）適合壓氣換刀地層：粉質土層透水性差，壓氣效果較好。

（3）隧道正上方存在不小于 3 m 的黏土層且地下水位在黏土層以上。

（4）隧道正上方不存在砂層及淤泥層等孔隙比大、壓縮系數大的地層。

（5）盾構掘進地層中的石英含量作為選擇預設查換刀位置/距離的一項重要依據。

明確查換刀位置初選原則之后，把初選位置及前后范圍編制成專項施工方案，報專業小組審核、審批，組織專家組進行咨詢，完善專家咨詢意見，組織專家進行評審、簽字確認；最后報總監審批。

最終確定查換刀位置如下：海域段左線、右線預設查換刀具地點各 7 個，前后范圍 50 m（更換點情況略）。

4.2 進倉方式的判斷

當泥水盾構掘進到預確定查換刀位置或盾構掘進參數異常（初步判斷為刀具異常）時，要及時安排做好查換刀停機準備工作，在準備工作完成后，總監組織各參建方一起對進倉方式進行判斷選擇。進倉方式分常壓和帶壓兩種方式。常壓進倉方式需滿足以下兩個條件：（1）掌子面穩定，即掌子面沒有掉塊、圍巖完整性好；（2）泥水倉液位穩定，即先把泥水倉液位降至1/2～1/3處，再把氣墊倉氣壓逐步緩慢降到常壓狀態，泥水倉液位基本沒有變化或變化很小處于可控狀態。常壓進倉查換刀工作效率高、風險小，具體管控措施不在文中贅述。如果不能滿足上述兩個條件就必須選擇帶壓進倉方式。筆者主要對帶壓進倉方式管控措施進行詳細講解。

4.3 帶壓進倉查換刀前監理管控措施

4.3.1 監理對進倉前現場準備工作檢查驗收

（1）監理旁站注漿過程及注漿效果驗證。

同步注漿。盾構到達預先設定的進倉里程點之前的 10環，應保證同步注漿效果，確保管片壁后空隙填充密實，無流水涌入刀盤，注漿壓力略大于氣墊倉的設定壓力即可。

環箍注漿。在掘進至開倉位置后，對脫出盾尾的3～5 環進行止水環箍注漿，以達到成圈的止水環箍，防止盾尾的來水通過盾殼與開挖面的間隙流至前倉，保證前方土倉內土體的穩定性。注漿采用水泥與水玻璃雙液漿進行封堵，封堵時根據泥水倉壓力控制注漿壓力，維持此壓力3 min～4 min 即可停止注漿，初凝時間控制在 6 h 左右。

盾體注入膨潤土漿液。主要目的是：減少前、中盾在后續復推過程中的摩擦阻力，對前中盾環向四周起到一定的潤滑作用，最大程度降低總推力消耗；在盾體與巖面空隙注入膨潤土漿液形成第二道防水線，阻擋盾尾后部地下水滲入土倉內?，F場監理對上述注漿過程進行旁站并做好旁站記錄，漿液凝固后進行效果驗證。

（2）盾尾刷油脂注入檢查驗收，主要防止盾尾后部地下水通過盾尾刷空隙滲入至隧道內，油脂管道注脂壓力控制在 10 bar～14 bar，注入油脂量約 240 kg～480 kg，現場監理全過程旁站、做好記錄并驗收簽字。

（3）監理對泥膜建立和保壓實驗進行全過程見證。

泥膜建立。泥膜建立的好壞，很大程度影響掌子面穩定性及掌子面滲漏水情況，因此泥膜建立過程控制是監理管控工作重中之重。

第一步，采用比重為 1.1～1.15、黏度為 20 s～23 s 的稀泥漿進行約 6 h 的大循環漿液置換，使漿液在掌子面地層中形成較厚的泥膜滲透帶。

第二步，采用比重為 1.15～1.2、黏度為 25 s～30 s 的泥漿再進行約 6 h 的大循環漿液置，使漿液在開挖面表面進一步形成較厚的致密泥皮，靜止 2 h 后觀察液面穩定情況。

第三步，當氣墊倉液位完全穩定后，進行開挖倉氣體置換密封實驗。降壓或升壓的過程中，嚴格控制降升速度，液面變化的速度控制在 2 cm/min 之內，切口壓力波動控制在設定值的 ±0.1 bar 之內。

第四步，當氣體置換完畢并停止泥漿循環之后，為了確保在長時間進倉作業過程中開挖倉內泥漿質量的穩定，必須采用黏度不小于 100 s（膨潤土 200 g，水 1 000 g，HS-3 15 g），比重不小于 1.2 的高濃度高質量泥漿直接用同步注漿泵注向開挖倉。確保掌子面穩定。

保壓實驗。在保壓實驗開始前，通過 Samson 系統將壓力最終設置為盾構機切口壓力值；通過 samson 系統自動調節，保持氣墊倉和泥水倉氣壓穩定。保持氣壓工作狀態持續不得低于 2 h，必要時延遲試驗時間，通過觀察氣壓的變化情況、保壓試驗前后渣土情況和監測地面沉降情況，來判斷切口面是否穩定、泥膜質量是否良好。保壓實驗完成后確定進倉工作壓力。

4.3.2 總監組織關鍵節點條件驗收會

監理檢查驗收現場準備工作完成后，總監立即組織各參加單位負責人及青島市市政管理處領導召開開倉前條件驗收會，會上主要審核、檢查內容如下：檢查開倉查換刀專項施工方案及安全技術交底情況，專項應急預案及演練情況；審核帶壓進倉查換刀分包單位資質（潛水作業）報審、開倉（換刀）人員培訓結業證書、潛水員證及空氣潛水證、體檢報告等；檢查設備報驗及調試情況(包括：氣體檢測設備、空氣、通風、保壓系統、壓力表、儲氣罐、空氣罐、防爆電話、安全閥監測報告等)；監測方案、基準點已復測合格，監測控制點、監測點已按監測方案布置及并測取初始值情況；應急物資是否齊全并運送至施工現場，機械設備等已安裝調試完成情況；進一步核實、確認監理現場旁站、驗收記錄；如果上述內容全部滿足要求，關鍵節點驗收通過，可立刻安排帶壓開倉查換刀開始。

4.4 帶壓進倉查換刀過程中監理管控措施

4.4.1 入倉前，洞內監理核對內容

（1）進倉操作人員，倉外服務人員、監督人員、管理人員是否到位，是否與人員分工表一致。

（2）按照工器具清單檢查作業所需工具設備材料是否齊備、是否一致。

（3）核查對入倉操作人員安全技術交底書內容：本倉具體工作內容，預定的工作壓力、加壓時間、工作時間、減壓時間是否明晰，是否符合規范，是否與方案一致。

（4）再一次檢查顯示儀表、供暖裝置、鐘表、溫度計、氣體檢測儀器、電話、緊急電話及閥門、倉門密封件是否干凈，是否有效。

4.4.2 入倉后，監理工作要點

（1）洞內監理工作。監督關閉主倉倉門并確保正確鎖好，操倉人員要通過對講機一直與坐在主倉中的人員聯系；觀察倉外氣壓表并做好記錄、觀察倉內人員反應是否正常；監督保證倉內有一定通風量；記錄進倉后加壓時間、工作時間、減壓時間，如有異常立刻上報。

（2）地面監控室監理工作。觀察倉內壓力；觀察倉內液位變化情況；監督施工單位在監控室的指揮人員、值班人員 24 h 在崗。

4.4.3 出倉時監理工作

監督嚴格執行出倉時壓力慢慢降低，通過人倉減壓方案減壓后離開人倉；跟蹤了解出倉人健康表現情況。第一倉人員出倉減壓后離開、第二倉人員入倉，不停歇地進行循環，直到查換刀具工作完成。

5 效果評價

本工程海域段泥水盾構隧道區間長 2.9 km，歷經約17 個月，左右線盾構從 2 號風井始發到海底對接段棄殼接收，左右線共經歷 4 次常壓查換刀，10 次帶壓查換刀工作；帶壓工作壓力設定最小為 3.5 bar、最大 5.1 bar，時間最短一次 7 d、時間最長一次 20 d，共換下各類刀具 300 余把，整個過程中無任何安全、質量事故發生，且進度比計劃工期提前一個多月。業主認為監理工作認真負責、監控方法科學合理、監管力度到位、表現突出，一次性獎勵監理單位 50 萬元，同時監理單位也得到青島市行政監管部門通報表揚和高度肯定。