城市地铁盾构开舱技术的研究进展

李东阳戴佰承刘波付春青

1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;2.北京住总集团有限责任公司,北京 100027

压力舱是盾构机的心脏,盾构开舱相当于一个心脏手术,具有极高的风险,稍有不慎就会引起严重的工程事故。2014年10月7日南宁地铁1 号线的刀盘换刀事故、2008年04月15日广州地铁6号线的盾构开舱事故都造成了数名操作人员当场死亡。然而,在盾构机长距离掘进时,经常会由于遭遇障碍或者刀具过量磨损而导致盾构被迫停机的问题,这是盾构施工风险的主要因素之一。据不完全统计,隧道施工过程中因刀盘产生的停机率约占总停机率的50% 以上[1]。开舱维修是清理和排除故障的常用手段。然而,盾构被迫停机的位置往往处在高水压、浅覆土的不利环境,在地层水土压力作用下,开舱存在极高的安全风险。因此,安全开舱是城市地铁盾构行业发展的关键技术之一。

盾构开舱中最基础也是最核心的问题是开挖面的稳定性。解决盾构开舱换刀的技术主要有带压开舱和常压开舱2 种。带压进舱是以压缩气体的压力置换压力舱中的泥浆压力来临时支护开挖面。该方法已有很多成功的应用,如成都地铁17号线[2]、广州地铁4 号线[3]、厦门海沧大道—东渡路跨海区间[4]、佛山地铁2 号线[5]、德国易北河第4 隧道[6]、荷兰Westerschelde 隧道[7]、南京长江隧道工程[8]均采用带压进舱换刀或检修。根据地质条件差异,常压开舱分为土体加固和不加固2 种。常压开舱是通过将压力舱的压力释放至常压后,进入压力舱内或者刀盘前方检修的方式。工作人员在常压条件下进行刀盘检修,不仅安全性好,施工方便,而且修复精度高。北京地铁10 号线[9]和9号线[10]、昆明地铁首期工程[11]、成都富水砂卵石地层[12]、徐州地铁1 号线[13]、深圳地铁2 号线[14]、福州地铁6 号线[15]均有成功应用。

随着我国城市地下空间的进一步开发,城市地铁施工环境愈加复杂,盾构掘进过程中遭遇刀具磨损、刀盘结泥饼、掘进遇孤石等难题愈加普遍,盾构开舱技术的创新和发展也愈加紧迫。在未来30年内,随着我国海洋战略、区域经济一体化、国家大通道建设计划的逐步实施,5 条世界级海底隧道和近百座水下隧道将开工建设。同时,我国的大直径盾构施工技术也面临着高水压、长距离、强透水以及上软下硬、上土下岩等复杂地层的严峻挑战。因此,在大直径盾构机刀盘更换和检修方面具有巨大的市场需求。本文对常压开舱和带压开舱技术做了归类与整理,介绍盾构开舱的技术原理和进展,以期为今后我国盾构开舱技术的发展提供参考。

1 带压开舱技术

1.1 带压开舱技术原理

带压开舱技术包括常规压缩空气开舱技术和饱和气体法开舱技术。常规压缩空气开仓技术的原理是,首先对工作面和盾体周边土体进行泥膜封堵以形成密封环境,其次通过在盾构机土(泥水)仓内设置合理气压以平衡前方水土压力,然后操作人员进入压力环境下进行检修。其工作原理如图1所示[16-17]。与常规压缩空气开舱技术相比,饱和气体法开舱技术通过将高压条件下的普通空气换成惰性气体与氧气按照比例混合的气体,操作人员可长时间在高压条件下进行开舱作业,极大地提高了工作效率。但无论采取何种带压开舱技术,操作人员均需在高压环境下工作,这无疑加大了开舱的难度,施工风险也很大,例如开挖面的坍塌、泥膜击穿造成的“冒顶”、开挖面泥膜漏气、减压病、溺水、氮气中毒等[18-20]。因此,带压开舱需遵循以下原则[21]:(1)开舱条件安全可靠;(2)对地上建筑影响范围小;(3)操作人员要进行岗前培训;(4)开舱要有计划地进行。

图1 带压开舱原理示意Fig.1 Schematic Diagrams of exchanging cutter under pressure

1.2 带压开舱技术分类

1.2.1 常规压缩空气开舱技术研究

采用常规压缩空气开舱技术时,要求在工作面上形成气密性良好的泥膜,通过泥膜层将气压转化为支护应力,以维持工作面的稳定[22]。现有的泥膜材料主要有2 种:①高黏度泥浆;②衡盾泥。当作业压力超过0.45 MPa 时,操作人员容易患上减压病,且氮气中毒的风险也会增大[23]。因此,建立气密性良好的泥膜和选择合适的作业压力成为常规压缩空气开舱技术的重点研究方向。

国内采用膨润土材料拌制的高黏度泥浆进行封堵并在一定限度作业压力(0.45 MPa)内进行开舱的工程,已经积累了大量的经验。针对盾构机停机位置地处含水砂卵石地层、地上建筑物复杂的特点,成都地铁1 号线[24]采取了常规压缩空气开舱技术,最终在0.08 MPa 作业压力下顺利开舱。基于上软下硬地层具有渗透性大、稳定性差的特点,南昌地铁1 号线[25]设计了一套U 型止水帷幕墙,在确保没有地下水渗入工作面的前提下,采用常规压缩空气开舱技术,并在0.17 MPa 作业压力下顺利开舱。针对跨海地铁隧道高水压、埋深大的特点,厦门地铁2 号线[26]采取了常规压缩空气开舱技术,最终在0.3 MPa 作业压力下顺利开舱。佛山地铁2 号线[27]由于左线盾构掘进时刀盘磨损严重,对右线盾构在指定位置进行了开舱检修,该位置所处地层地质条件复杂,水土压力较大,采取了常规压缩空气开舱技术,最终在0.3 MPa 作业压力下完成刀具更换。

作业压力在0.45 MPa 以上的,常规压缩空气开舱技术在国内外应用较少。作业压力超过0.45 MPa 后,施工难度大幅提升,施工过程的危险因素增多。南京长江隧道工程[28]在掘进过程中刀具磨损严重,需开舱检修,且停机位置无法进行地层加固,因此采用常规压缩空气开舱技术,经膨润土、制浆剂、水拌制的高黏度泥浆,对刀盘工作面及盾构机周围土体进行封堵,形成密封环境。考虑地层的渗透性高,故先用密度较小、黏度较低的泥浆封堵工作面前方土体中的孔隙,待其渗透性降低后,再采用膨润土、制浆剂和水拌制的高黏度泥浆置换低密度泥浆,并在工作面上形成厚度较大的泥膜,如图2所示[29]。最后,将泥水舱内的土体置换为0.6 MPa 的压缩空气,操作人员在高压气体中完成了刀具的更换[30]。

图2 开挖面上形成泥膜Fig.2 Filter membrane formed on the excavation face

然而,在已有的工程应用中发现,采用高黏度泥浆形成泥膜护壁往往存在以下缺点:

(1)高浓度膨润土材料易开裂,封闭性无法保证,需要不断修复及重做,操作人员带压作业时长受限。

(2)作业过程中若出现漏气,将会造成工作面失稳,危及作业人员的生命安全[31]。

针对传统泥膜护壁工艺的缺点,竺维彬团队研制出衡盾泥材料。衡盾泥是将改性后的无机黏土与增黏剂拌制而成的一种绿色环保新型材料[32],具有成膜厚度大、耐久性好、保压时间长等优点,因而广泛应用于实际工程中[33]。其施工工艺如下:首先,在工作面和盾体外侧注入衡盾泥,并在盾尾进行止水处理,确保盾体与土体之间封堵成功,形成密封的环境。其次,用衡盾泥对土舱内的渣土置换,同时保压;置换结束后,缩回千斤顶使盾构机后退,以便在刀盘与工作面之间形成一定厚度的泥膜;再次,多次少量地注入衡盾泥,进行分级加压,确保泥膜更加有效;最后,待达到设计压力且气密性良好的条件下,用高压气体置换衡盾泥,操作人员在高压环境下进行开舱检修工作。具体工艺流程如图3所示。

图3 衡盾泥工法开舱流程Fig.3 The process and schematic diagrams of opening warehouse by HDN method

广州地铁8 号线[34]在全断面富水砂层中2 次使用衡盾泥工法辅助带压开舱,开舱过程中发现衡盾泥材料形成的泥膜保水性能较强,泥墙稳定无坍塌,表明衡盾泥材料在该类地质条件下能保持良好的气密性。兰州地铁1 号线[35]在砂卵石地层采用衡盾泥工法辅助带压开舱,不仅顺利完成了换刀工作,还验证了衡盾泥护壁能起到固结周边土体,减小盾构恢复掘进后对周边地层的影响。万家丽路电力隧道[32]在盾构掘进过程中遇地质突变造成刀盘磨损严重,考虑停机位置地处富水砂卵石地层,采取了衡盾泥工法辅助带压开舱,成功完成刀具更换。济南地铁R 1 号线[36]在富水熔岩地层采用衡盾泥工法辅助带压开舱,工作面上形成的泥膜黏着较好且无开裂,证实衡盾泥材料良好的附着性、不易被稀释等特点。厦门地铁2 号线[31]在海底塌陷地层采用衡盾泥工法辅助带压开舱,表明衡盾泥材料适用于海底大水压、地层出现塌方的复杂工况。深圳地铁14 号线[37]在富水断裂带砂岩地层采取WSS 化学注浆与衡盾泥建立泥膜工法相结合的方式,成功实现带压开舱换刀。目前,衡盾泥工法已解决了数百个盾构开舱的难题,让数十台盾构机成功脱困,拯救了数十条盾构隧道[38]。但是,衡盾泥工法从材料配置到现场施工的要求较高,需要专业的班组进行带压开舱作业[39]。

近年来,为使带压开舱过程更加经济、安全、便捷,一些专家学者通过对已有的泥膜护壁工艺进行改良,对泥膜材料的性质展开研究。闵凡路等[29]基于南京长江隧道工程,研究了泥浆中的黏粒含量对其性质的影响,认为可通过提高黏粒含量来提高泥膜的稳定性。姜腾等[40]基于南京纬三路过江通道工程,通过调整泥浆中羧甲基纤维素钠(CMC)含量开展泥膜闭气性实验,认为随着CMC 含量提高,泥膜的闭气性能也相应提高,但CMC 含量过高,会难以渗入刀盘前方土体。张宁等[41]研究闭气压力对泥浆的孔隙结构影响,认为闭气时泥膜会产生压缩,且随着闭气压力增大,泥膜孔隙减小。陈健等[42]基于武汉地铁8 号线展开不同配比泥浆的闭气性实验,提出采用密度为1.15～1.20 g/cm3的膨润土—黏土混合泥浆并渗透成膜8 h 的方案,并在0.4 MPa 作业压力下顺利开舱。刘光等[43]依托深圳地铁10 号线,研制了一种复合黏土混合浆液泥膜材料,该材料能在复杂地层连续带压开舱作业,相比已有的护壁工艺,可以节省工期。

1.2.2 饱和气体法开舱技术

对于超高水压、大直径的盾构而言,常规压缩空气开舱技术难以应用,饱和气体法带压开舱技术应运而生。它是一种将饱和潜水与常规压缩空气开舱技术相结合的新型开舱方式,其基本原理与饱和潜水作业相同,只是二者作业的环境有所区别[44]。饱和气体带压开舱技术避免了在高压环境下长时间吸入空气引起的氮气中毒,而且可以长时间作业,大幅提高了工作效率。

厦门地铁2 号线在掘进至全强风化砂岩段时,滚刀发生异常磨损,必须开舱检修,由于所处位置水压高达0.55 MPa,采用常规压缩空气开舱技术安全性无法保证,故采用饱和气体法开舱[45]。南京纬三路过江通道工程在掘进过程中遇富水砂卵石地层,刀具磨损严重,由于停机位置处水压达0.74 MPa,多次出现泥膜漏气,最终采用饱和潜水带压换刀方案,这是国内首次实现在高水压条件下(0.65 MPa)泥水盾构泥浆中潜水带压换刀的案例[46]。

目前,采用饱和气体法开舱的作业压力最大已达0.85 MPa,但是饱和气体法开舱技术在超高水压、大直径的城市地铁盾构施工中应用仍然较少,这是因为饱和潜水技术不够完善,系统维护成本太高,阻碍了技术的推广和应用。随着我国隧道盾构施工潜水技术的不断发展和推广,饱和气体法开舱技术具有广阔的前景。

2 常压开舱技术

2.1 常压开舱技术原理

常压开舱技术是指将压力舱的压力释放至常压后,操作人员进入压力舱或者在刀盘前方作业的方式。对于稳定地层,操作人员可直接开舱检修。如北京某一叠落盾构区间地处自稳性较好的无水砂卵石地层,在没有进行地层加固的条件下顺利完成了开舱,地表亦未出现明显沉降[47]。但是,对于大多数工程而言,必须通过对盾构机刀盘前方的土体进行加固使开挖面稳定,再释放压力舱压力,操作人员才能进入舱内作业。当地面条件满足竖井开挖时,亦可开挖竖井后在竖井内进行作业。这种方式使施工环境更加安全、便捷。常压开舱作业的风险主要有:工作面失稳、地层塌陷、地下水涌入加固后的土体、毒气、机械事故、动火作业引起的爆炸、作业人员中暑等意外伤害、刀盘伸缩造成刀具更换无效等[48-50]。因此,在常压开舱时需严格遵守以下原则:(1)安全可靠性;(2)对地上建筑、地下管道影响范围小;(3)施工过程中必须通风;(4)快进快出[21]。

2.2 常压开舱技术分类

2.2.1 土体注浆加固的常压开舱技术

当盾构机所在地层具有很好的自稳性、同时地下水渗透量很小、工作面能够自立时,才允许省去工作面加固和降水措施。通常情况下,常压开舱有必要对工作面周围的土体进行预加固。采用地层加固的方式维持工作面的稳定是开舱能否成功的关键。

长春某地铁[51]盾构区间在富水砂卵石地层应用注浆与搅拌桩相结合的方式对盾体周围及工作面进行了加固,并在盾体四周及刀盘前方土体处分别设置2 个降水井进行降水,为常压进舱提供稳定、安全的施工环境。杭州地铁2 号线[52]在掘进过程中由于刀具磨损严重、土压难以平衡造成地表产生塌陷,需开舱检修。通过在盾构机刀盘前方施做钢板止水桩,刀盘与钢板桩之间用克泥效材料止水,并在钢板桩外侧进行分层压密注浆,对前方土体进行加固,最终在常压条件下顺利完成开舱。福州地铁6 号线[15]在上软下硬的富水砂层中,先用水泥砂浆置换渣土以稳定工作面,再进行WSS 地表注浆加固,然后后撤盾构机,形成换刀空间。南宁地铁4 号线[53]盾构区间地层强度低、稳定性差,采用素桩+注浆的方式对土体进行加固,并在盾体周围及盾尾设置降水井,成功实现了常压换刀。

鉴于带压进舱技术的高风险性,一般都会优先考虑常压开舱技术。但是,常压开舱技术也存在诸多限制条件。首先,必须具备地层加固场地,在隧道上方存在构筑物或者交通繁忙的道路以及江河湖海的底部时,难以具备从地面加固的施工条件;其次,地层加固所需的工期较长,成本很高。

2.2.2 常压刀盘换刀技术

近年来,越来越多穿江跨海隧道的建设提上日程,如湖南常德沅江隧道、深圳妈湾跨海通道、济南黄河隧道等,超大直径盾构技术快速进步,且正在向19 m 及以上直径方向上发起攻坚。然而,这类盾构直径大、覆土厚度大,在实际应用中经常处于高水土压力环境,因此面临刀盘维护难度大、刀具磨损和异常损坏严重等问题,这使得更加安全、经济、可靠的常压刀盘逐渐成为必要的配置[54]。

大连地铁5 号线跨海隧道[55]设计了一种常压条件下全断面滚刀与刮刀更换的复合刀盘,加强滚刀刀座和刀具的抗冲击性能,适用于更复杂地层条件,为跨海隧道常压刀盘设计提供了参考。南京长江隧道工程[56]盾构区间通过加大刀刃硬质合金断面尺寸和单块合金宽度改进焊接工艺,不仅为常压换刀提供有利条件,也延长了刀具使用寿命,提高了工程效益。武汉地铁8 号线[57]地处软土和硬岩复合地层,创新采用复合刀盘设计理念并开发应用常压条件下滚刀齿刀互换技术,延长了刀具使用寿命,提高了刀具更换效率。湖南常德沅江隧道[58]地质条件复杂,地下水丰富,水压高,岩石磨蚀性强,刀具磨损严重。通过研制耐磨性更高的大合金刀具,采用自主研发的常压换刀技术,避免了操作人员带压换刀的风险,提高了施工效率。深圳妈湾跨海通道[59]是目前国内最大的海底盾构隧道,盾构掘进过程长距离穿越软硬不均匀地层,盾构刀具磨损大,施工难度大,换刀风险高,因此采用了拥有常压换刀、刀盘伸缩等功能的常压刀盘,极大地提高了复合地层中的施工效率。济南黄河隧道在盾构掘进过程中通过配置可伸缩主驱动、常压换刀刀盘,增加冲刷设施、加大刀盘开口率,解决了刀具严重磨损、刀齿崩落、刀盘结泥饼严重、大量泥浆堵塞不易排出等工程难题。

2.2.3 土体冻结加固的常压开舱技术

由于刀盘作业空间的限制,当前大直径常压换刀技术尚不能支持全盘面刀具常压条件下更换,因刀盘辐条开口所处位置,该处无法设计成可常压更换的刀具[54]。因此工程中尝试一种新的技术思路,即采用冷冻刀盘加固地层的方法加固工作面,实现常压安全换刀。

冻结法作为地层临时加固的一种方法,具有加固强度高、均匀性好、隔水效果好、对环境影响小等优点,常用于地质条件较差,地处砂层、富含地下水的情况。对于地上建筑物密集、地表有管线的工程,冻结法无须进行基坑排水,可避免因抽水引起的基坑沉降,造成对周边建筑物的不利影响。

广州地铁14 号线支线[60]周边建筑物较多,地下管线复杂,盾构掘进施工过程中遇孤石停机被困,采用多种脱困方式均未成功,最终确定采用液氮冻结法加固开舱方案。液氮冻结通过预先钻孔布置冻结管,在盾构机刀盘左右两侧、上部及前方范围内土体冻结,形成水平杯状冻土体,起到加固周边土体及封水的作用,如图4所示。当冻结效果满足常压开舱条件,即可进行开舱换刀工作。在开舱换刀和检修结束后,再对冻结土体解冻,完成后续掘进工作。

图4 液氮冻结示意图Fig.4 Schematic diagram of liquid nitrogen freezing

广州市环西电力隧道[61-62]通过对1 台直径4 350 mm 泥水平衡盾构机进行盾构刀盘、前盾改造,增加冷冻管路、密封装置和集成制冷设备,使其具备冻结地层的功能,刀盘改造如图5所示。通过冷冻刀盘在隧道内对土舱外土层冻结加固,同时设置了加热管道以保护后方主驱动单元不被冻坏。在实施过程中,压力舱及工作面布设温度传感器,通过温度变化推测冻土体的状态,判断是否能够开舱[63]。该项技术与传统人工冻结法相比,降低了刀具维护过程中的施工风险,突破了地面加固条件限制,施工时长也大幅缩短。

图5 刀盘改造示意图Fig.5 Schematic diagram of cutter head reconstruction

冷冻换刀技术打破了常压盾构换刀受场地环境的限制,开创了盾构安全开舱的新途径。但是,现有以CaCl2盐水为冷却循环介质的冻结方法也存在一些不足[64-65]:冻结时间长,工程成本高;富水环境中冻土体积过大,需要考虑冻胀融沉对周围环境的危害。

3 面临的挑战和发展方向

(1)盾构开舱逐渐成为盾构施工中最为突出的问题之一。无论是常压开舱还是带压开舱,如何更好地消除和避开施工中的危险因素是未来急需解决的关键问题。

(2)带压开舱时,保障工作面及盾体周围泥膜的气密性,形成稳定的开舱环境,是该技术成功的关键因素。采用衡盾泥泥膜护壁工艺和新型泥膜材料是常规压缩空气开舱的热点研究方向。高水压环境下的带压开舱研究仍处于起步阶段,需进一步发展和推广盾构施工潜水技术,使饱和气体法开舱技术得到广泛应用。

(3)常压开舱时,对于地面建筑复杂,地下管线过多且含水量较大的地层,地层加固方式往往存在局限性。常压刀盘刀具的适应性配置、全盘面刀具更换、刀具耐磨性等问题是重点研究方向。

(4)为建立更为全面的技术理论体系,需将盾构开舱技术与其他学科领域紧密联系起来,如材料学、医学等。