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摘要：盾构施工过程中常常需要专业作业工人进入盾构机的开挖仓内，在高于大气压的环境下进行刀具的检查和刀具的更换工作，考虑到长时间的气压作业对身体的损害，专业技术人员很少亲自进入仓内观察，无法第一时间了解仓内真实情况。本文以马骝洲水道南岸大堤前气压换刀作业为案例背景，引入视频监控系统，用以指导气压换刀。
关键词：地下工程；盾构施工；气压换刀；视频监控系统
Abstract：In the process of shield tunnelling, there is often a need for professional workers to enter the excavation chamber to inspect and change cutters under an air pressure that is higher than the standard atmospheric pressure. However, considering that working for a long time under such a high air pressure may harm the health, technicians rarely enter the excavation chambers in person. Hence, they could not know the real condition inside the excavation chamber at the first place. In this paper, the video surveillance system is introduced to guide the pressurized cutter inspection and change process during shield tunneling in the dike area of the south bank of the Maliuzhou channel project.
Keywords: underground engineering, shield construction, pressurized cutter changing, video surveillance system
一、引言
因其安全性和对周围环境的低扰动性，目前市政地下工程施工首选盾构法进行施工，如在地铁隧道施工、地下综合管廊施工、大型市政道路隧道施工等，盾构法均得到了广泛的应用。盾构刀盘的选型和刀具的配置是盾构法施工的重要环节，不同地层需要采用不同类型的刀具。而在复杂的地质条件下，刀具的磨损加剧，在特殊情况下更换刀具的情况逐渐增多。
目前盾构刀具更换有常压更换和带压更换两种方式，前者适用于地层自承能力较好或具备加固条件的情况，而在地层情况不佳且地面条件复杂不具备加固条件的条件下，为了保证快速、安全的进行盾构刀具的检查和更换，在条件允许的情况下常选择气压作业，即在高于大气压条件下专业作业工人进入盾构机开挖仓内进行施工作业。
虽然气压作业具有时间短的优点，但是其对作业人员的身体素质要求较高，一般人员在作业之前需经过严格的专项身体检查，符合条件并经专业训练的人员方可进行试压作业，在通过试压考验后才可真正进入仓内进行气压作业，但是长时间的气压作业对身体损伤较大，因此专业技术人员很少亲自进入仓内观察，仅能通过气压作业工人口述等情况了解仓内实际地质、刀具磨损情况等。这就导致专业技术人员无法第一时间准确掌握仓内的实际情况，亦无法第一时间准确给出针对性的应急处理措施，这都为盾构换刀施工带来了较大的安全风险和安全隐患。
为了应对上述问题，本文以马骝洲水道南岸大堤前加固区气压换刀作业为案例背景，在气压换刀环节引入视频监控系统，便于专业技术人员第一时间掌握仓内实际情况，并可实现异地专家网上“会诊”等，及时向仓内作业工人发出工作指令和针对性的应急处理措施。
二、工程简介
2.1 项目概况
如图 1 所示，马骝洲交通隧道工程位于珠海市南湾城区和横琴新区，工程范围南起横琴中路，向北依次下穿环岛北路、琴海北路，过马骝洲水道后，沿规划保中路线位向北至南湾大道，工程路线全长 2836.841m，总投资 25.44 亿元。本工程共分为马骝洲交通隧道南接线、马骝洲交通隧道、马骝洲交通隧道北接线三部分，属于华南地区最大的海底隧道，其中海底段隧道采用盾构法施工，隧道外径 14.5 米，内径 13.3 米，施工全长约 1082m，为双管单层双向 6 车道隧道，工程沿线存在大量抛石、孤石、塑料排水板、花岗岩等障碍物，地质情况复杂，其中“抛石多、覆土浅、岩面高、强度大”是工程的最大技术难题，被誉为“国内首条海域复合地层超大直径盾构法施工隧道”，工程建成后将成为继横琴大桥、横琴二桥之后横琴岛第三条对外联系的重要通道。工程规模如表 1 所示。
图 1 马骝洲交通隧道工程地理位置图
2.2 盾构设备简介
盾构设备的选型是盾构法施工的关键环节，直接影响盾构隧道的施工安全、施工质量、施工工艺及施工成本，为保证工程的顺利完成，根据类似工程经验，从经济性、安全性、可靠性等方面综合考虑土压平衡和泥水平衡盾构对地质条件、隧道线路、隧道埋深及周边环境的适应性，本工程最终选用了德国海瑞克泥水加压盾构机，刀盘开挖直径14.93m，盾构机总长度125 m，总重量2600 t，总装机功率7250 kW，主驱动功率3750 kW。
根据工程实际地质情况，对盾构机刀盘进行了重新设计和定制加工，本次选用了重型硬岩刀盘结构设计，开口率43%，刀盘共设计127把滚刀，刮刀182把，周边铲刀16把，保径刀8把，仿形刀1把，并在刀盘上加装了6个刀具和刀盘磨损检测装置，以及SSP超声波地质探测系统等。
三、气压换刀简介
3.1 工作原理
本次气压换刀根据现场实际地层情况，首先对刀盘前方开挖面土层进行了改良加固，在保证刀盘前方周围地层和开挖仓满足气密性要求的条件下，利用空气压缩机将压缩空气注入开挖仓，边排浆边注入空气，逐步置换开挖仓内的泥水，以气压代替泥水压，通过在开挖仓内建立合理的气压来平衡刀盘前方水、土压力，达到稳定开挖面和防止地下水渗入的目的，从而使作业人员在气压条件下，安全地进入开挖仓内进行刀具的检查和更换等作业。
3.2 换刀流程
整个气压换刀的过程可以分为保压试验、带压检查和气压换刀三个阶段。
1） 保压试验：通过保压试验分析是否能带压检查刀具。
2） 带压检查：通过带压检查分析是否需要进行气压换刀。
3） 气压换刀：根据带压检查情况进行气压换刀。
3.3 刀具磨损情况
马骝洲水道南岸大堤加固区内开仓，采用了气压检修和换刀的方式，2016 年 6 月 5 日～2016 年 7 月 3 日，完成了针对 81 把滚刀、46 把贝壳刀和 198 把刮刀的检查工作，共耗时29 天。2016 年 7 月 4 日～2016 年 7 月 20 日期间，历经 17 天共更换刀具累计 44 把，其中包括 10 把周边滚刀（其中有 5 把偏磨），11 把刮刀，23 把贝壳刀。本次检查及更换结果表明：刀盘周边滚刀出现偏磨情况，刮刀出现部分断齿现象，中心贝壳刀合金块棱角出现磨损，正面滚刀磨损情况较好等。
四、视频监控系统
本工程气压换刀期间，在盾构机仓内尝试使用了视频监控系统，本系统采用数字网络化视频系统，主要包括三个部分：前端设备、传输系统、主控设备（图 3）。通过布设在盾构机各仓室内的网络摄像机完成视频采集，通过仓内安装的拾音器完成音频采集，通过 NVR完成视音频的存储，通过解码设备作为本地显示，所有的视频监控设备通过管理系统平台实现联网管理，实时反馈仓内情况，操作较为简单，并且可以扩展。
图 3 视频监控系统组成示意图
4.1 前端设备----摄像头与拾音器
1) 设备选型----防爆球机与拾音器
本系统所选用的广角网络智能变速防爆球机，是集成镜头、云台、普通摄像机等功能为一体的摄像机，具备 200 万像素、31 倍光学变焦，最大分辨率可达 1920×1080，支持 24v安全特低电压供电。防爆球机采用 316L 不锈钢材质构造，适用于各种复杂环境，具备防爆防水和防水雾防尘的功能，防护等级为 IP 68；
同时选用了高灵敏度防暴式降噪拾音器安装在盾构气泡仓内，具有灵敏度高、声音清晰自然、保真度高、传输距离远的特点，在-20℃～ 70℃的超强环境温度下工作，可保证后端高质量的录音效果。拾音器采用坚固、耐用美观的金属外壳，表面电镀氧化处理，防潮、防尘性能好，潮湿环境下工作正常，防护等级符合 IP 65 标准。
2) 耐高压测试
由于盾构机仓内环境特殊，因此视频监控系统必须经过严格的耐高压测试后方可确保正常使用。根据本工程隧道埋深及工程特点，仓内压力控制范围一般为 0~0.5Mpa，而本次气压换刀设定仓内压力为 3.0±0.2bar，所以本次设备测试压力设定为 5.0bar（0.5Mpa）。通过对已选型号的防爆球机和拾音器进行耐高压测试，表明本次选取的广角网络智能变速防爆球机和高灵敏度防暴式降噪拾音器均能在仓内高压环境下正常运转且保持良好的工作状态，因此，最终确定这两款设备作为本监控系统的前端设备。
4.2 传输系统
盾构机本身设计有穿仓件，穿仓件具备提供供电和信号传输的功能，从而完成气泡仓内照明和电焊作业的电力传输、土压传感器和泥浆液位拉线传感器的信号传输（图 4）。根据视频监控系统需要，首先对穿仓件进行了针对性改造，使其进一步具备网络视频信号传输和音频信号传输的功能。
（c）气泡仓内线路布设照片
图 4 穿仓件及气泡仓内实景图片
4.3 管理系统平台
如图 5 所示，为了第一时间获得盾构内部监控数据，保证监控系统的实效性，本项目专门建设了工程管理系统平台。为了节约成本并实现工程项目统一管理，本次气压换刀仓内视频监控系统附属于工程管理系统平台，用以完成图像的切换和显示。本管理系统平台，具备以下几方面的功能。
（1）管理系统平台支持大屏幕显示输出功能，能够将采集到的音频、视频数据通过解码器完成数模转换，从而完成实时的视频显示和数据分析，可保证地面专业技术人员获得盾构机内部数据和实时视频画面，从而第一时间直观掌握盾构机内部情况，并可通过语音对话系统，及时指导盾构机仓内作业工人进行换刀工作。
（2）通过监控系统采集的视音频数据，可以由管理系统平台中的 NVR 设备进行存储，并通过网络传输功能上传至网络，方便专业技术人员后期调用和参考。
（3）管理系统平台可实现多方网络视频通话，能及时连接各方技术人员，针对采集到的信息进行视频讨论，从而获得更准确的结论。
五、工程实例应用
图 7 作业工人仓内换刀视频截图
盾构施工过程中的气压换刀工作，使得长时间作业在高于大气压环境中的作业工人身体受到了严重的损害，常规气压换刀方式使专业技术人员无法在第一时间准确掌握仓内的实际情况，也无法在第一时间给出针对性的应急处理措施，因此，本文提出将视频监控系统应用到气压换刀作业中，一方面，使气压换刀作业过程在视频监控的呈现下更加清晰和透明，使气压作业更加科学和规范，应急处置更加及时，大大降低了盾构气压换刀作业过程中可能存在的安全风险及隐患；另一方面，在一定程度上减轻了气压作业工人的劳动强度，减小了气压作业对身体带来的损害。随着此方法在马骝洲南岸大堤加固区内气压换刀作业中的成功应用，也为今后盾构气压换刀作业提供了借鉴参考和新的研究方向。
参考文献：
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[2]鲁号，李伟，油新华. 深圳地区软硬复合地层盾构带压换刀技术[J]. 上海建设科技，2012：17-21
[3]段浩，孙凤江. 富水砂卵石地层盾构换刀方案[J]. 现代轨道交通，2010（6）：36-38
论文作者:楚兴华
论文发表刊物:《防护工程》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/31
标签：盾构论文; 气压论文; 作业论文; 隧道论文; 刀具论文; 监控系统论文; 工程论文; 《防护工程》2017年第8期论文;