1 引言

如今，过江及海底隧道呈现出了大直径、长距离、高水压、开挖面地质条件复杂等特点。长距离上软下硬复合地层掘进对于刀具的寿命提出了更高的要求，在掘进过程中对刀具进行修复或者更换是不可避免的，而由于地质条件本身的复杂性、多变性和周边条件的局限性，在开挖面前方进行土体加固从而实施常压进舱作业往往难以实现^[1]。带压进舱技术^[2－4]以无需地层加固，地质适应性强，对周边环境要求低和影响小等特点成为了目前复杂地质条件下泥水盾构进舱作业的优先选择。

泥水盾构在带压进舱作业过程中，可能因误操作或其它原因，引起开挖面失稳甚至坍塌，开挖面地层变松散，难以形成致密性泥膜，无法达到空气支护开挖面带压进舱作业的条件。如此时由于某些特殊原因必须进舱作业，则可采用泥浆潜水带压进舱作业。

2泥水盾构带压进舱作业

2.1带压进舱技术

带压进舱在一定压力范围内，可以适应于各类地层，特别针对隧道开挖面不能常压自稳及富水地层，如全断面软弱地层、上软下硬富水地层、岩石破碎带(断裂带、裂隙发育、渗透性强)等不良地层，采用带压进舱是最安全的作业方法。

带压进舱作业，根据作业人员呼吸气体的不同，带压进舱作业可以分为压缩空气作业和饱和潜水作业。压缩空气作业人员呼吸的是常规空气，每次作业时间较短，作业完成之后需要进行减压，减压时间随着作业压力及工作时间的变化而变化；饱和潜水作业人员呼吸的是氦氧混合气体，可以长时间在高压环境下工作，一个作业周期完成之后再进行减压。

带压进舱作业，根据开挖面支护形式的不同，可以分为空气支护开挖面带压进舱作业和泥浆潜水带压进舱作业。空气支护开挖面带压进舱作业是指将盾构机泥水舱的部分泥浆置换为压缩空气，通过压缩空气平衡开挖面的水土压力，作业人员在压缩空气环境下作业；泥浆潜水带压进舱作业是指开挖面支护形式与正常掘进一致，泥水舱内充满泥浆，工作人员通过气垫舱潜水进入泥水舱内，到达换刀工作面，进行换刀。通常情况下，潜水带压进舱作业采用的是饱和潜水技术。

2.2 进舱作业方案确定

实施带压进舱作业，首先要根据掘进参数等状况，对舱内的问题作出充分分析和判断；并根据所处地层的水文地质资料、停机前出碴土成分及数量、地表监测数据、掘进时同步注浆情况等参数的分析，最后确定停机带压进舱的实施方案。对于带压进舱作业，首选的是空气支护开挖面带压进舱作业；作为一种应急手段，潜水带压换刀作业适用于泥水盾构施工过程中无法实现空气支护开挖面带压进舱作业，而且仅需要更换少量刀具恢复盾构掘进的紧急情况。

表1 带压进舱作业方案对比

注：表中滚刀更换效率数据基于南京纬三路过江通道工程带压进舱作业记录。

3泥水盾构潜水带压换刀技术

泥浆潜水带压换作业与常规饱和潜水带压换刀作业的基本流程相似，其作业工艺流程如图1所示。

图1 泥浆潜水带压换刀工艺流程

3.1前期准备

• 泥浆置换

与空气支护开挖面带压换刀作业不同，潜水带压换刀需要作业人员完全在泥水舱内的泥浆中作业，为了减少作业人员在泥浆中的浮力（减轻作业人员身上所带配重）。在启动潜水带压换刀之前，在保证开挖面稳定的情况下将盾构机泥水舱的泥浆置换为低比重、低粘度的普通泥浆（正常掘进泥浆）。

• 盾构机内改造

由于潜水作业的效率较低，通常采用的是饱和潜水技术以获得更长的作业时间。基于饱和潜水技术的带压进舱作业需要对盾构机进行改造，以保障饱和潜水作业穿梭舱的安全运输。

3.2进舱作业

与空气支护开挖面带压进舱作业的流程类似，工作人员从上部人闸与气垫舱之间的门进入气垫舱，然后经由气垫舱与泥水舱之间的门进入泥水舱进行带压换刀。不同之处在于，潜水换刀作业时，气垫舱内液位略高于气垫舱与泥水舱之间的门，作业人员在泥浆中进入泥水舱。

3.3注意事项

由于作业人员在泥水舱内无法观察周围环境，有许多未知的风险，因此在作业过程中作业人员与舱外人员需要保持实时的通讯联络，以保证舱内作业人员的生命安全。

4工程应用实例

4.1工程概况

南京市纬三路过江通道工程采用2台直径为14.93m的气压式泥水平衡盾构掘进，开挖直径为15.01m。隧道穿越江中段最大水压为0.74MPa。盾构隧道沿线穿越淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂、砾砂、卵石、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩，各地层分布图如图所示。其中中风化粉砂岩区域位于江底，长度为500m，具有上软下硬、上层砾砂与卵石层透水性强、岩层石英含量高和单轴抗压强度大等特点。

4.2潜水带压换刀应用实例

南京纬三路过江通道工程N线盾构机第三轮带压换刀期间，由于泥水舱内修复正面刀盘，在开挖面上开挖作业空间操作不当，导致隧道开挖面坍塌。经过近一个月的高浓度、高比重、高填充物泥浆压浆仍无法实现空气支护开挖面，换刀作业停滞。在多次尝试重建开挖面泥膜失败之后，决定进行直接潜水带压换刀作业，这是国内首次在高水压条件下实施泥水盾构泥浆中潜水带压换刀作业。

潜水换刀作业持续18天，完成关键位置2把滚刀的更换。随后，盾构机紧急恢复掘进，穿过不稳定区域后，停机继续实施空气支护开挖面带压进舱作业。

　　　　　图2 舱外监控系统（摄像头置于气垫舱上部）

　　　　　　　　　　　　图3 潜水员潜入气垫舱内

1）泥浆潜水带压进舱作业，工作人员在高压环境下潜入泥浆内盲视工作，是带压换刀作业中最危险、工作效率最低的一种换刀作业方式；

2）只有在开挖面无法形成气密性泥膜的条件下，才选择使用泥浆潜水带压进舱作业方式；