摘要：[目的]汕头港海底地质条件复杂，220kV华月线过海电缆隧道盾构穿越范围的地质环境差异大，海相沉积土层极易扰动，盾构在推进过程中分别需要穿越砂层、贝壳层、淤泥层、码头块石层和灰堤筑基块石层，多变的地质环境给过海电缆隧道工程带来了很大的困难。对盾构推进及盾构姿态控制都带来了极其不利的影响。[方法]通过增加气压装置和局部改造盾构设备，全断面高气压辅助施工。[结果]有效清除盾构切口正面石块等障碍。[结论] 加快盾构推进速度，有效控制盾构坡度及其姿态，使隧道质量也得到了保证。本文介绍盾构全断面高气压辅助清障施工方法。
关键词：海底电缆隧道 全断面高气压 辅助清障施工
Shield Driving High Pressure Auxiliary Obstacle Removal Construction Cross-sea Cable Tunnel of Shantou
Lv Wen sheng
(China southern power grid - Power supply company in Shantou,515041)
Abstract: The geological conditions of the seabed of Shantou Port are complex. The geological environment of the 220kV Huayue Line cross-sea cable tunnel has a large difference in geological environment. The marine sedimentary soil is extremely disturbed. The shield needs to cross the sand layer, shell layer and silt in the process of propulsion. The varied geological environment has brought great difficulties to the cross-sea cable tunnel project. It has extremely adverse effects on shield propulsion and shield attitude control. By adding a pneumatic device and a partially modified shield device and a full-section high-pressure auxiliary construction, the obstacles such as the front stone of the shield can be effectively removed. The tunnel quality can be guaranteed by speeding up the speed of the shield and effectively controlling the slope and attitude of the shield. This paper introduces the Shield Driving High Pressure Auxiliary Obstacle Removal Construction Cross-sea Cable Tunnel of Shantou.
Key words: Cross-sea Cable Tunnel; Full section high pressure; Auxiliary Obstacle Removal Construction
1 引言
汕头220kV华月线过海电缆隧道位于汕头海湾大桥西侧，隧道全长2060m，平均埋深约30m，采用Ф3540mm网格式水力机械盾构机进行掘进施工。本工程由2007年12月起开始进行盾构法隧道施工，2008年3月3日，推进至第+118环时，发生了隧道前端块石太卡住盾构切口液压闸门，块石击穿盾构土仓前胸板灯罩从而引发隧道被淹的情况。在采用海上冰冻法清障修复盾构设备后，于2009年3月底恢复推进施工。
由恢复推进至2009年5月20日停止推进期间，仅完成了+119～+133环的推进和拼装任务，在以上15米隧道推进过程中，发现盾构切口前堆积了大量花岗岩块石，有些块石的大小甚至超过了盾构液压闸门的大小，故而造成盾构推进阻力极大，对盾构推进及盾构姿态控制都带来了极其不利的影响。随着推进阻力的增大，增加了4个200T千斤顶辅助推进以后，盾构总推力已超过2100T，盾构才勉强可以向前推进，但推进速度极慢，且盾构姿态始终没有好转,越来越难以控制。基于这种情况，清障作业无法有效实施。为此，决定采用全断面高气压辅助清障施工，来保障盾构机穿越复杂地层。
盾构全断面高气压辅助清障施工前，需对盾构机进行局部改造，同时增设气压装置和气压工人。在气压环境下清障工作量大，但是能解决高富水砂层、贝壳层和块石层等复杂恶劣土层中的盾构掘进问题，施工安全和进度也能得到保障。
2 工程概况
本工程为华能汕头电厂二期工程高压出线跨海段，该过海电缆隧道位于汕头海湾大桥的西侧、汕头港区（汕头市第二过海水管）的旁边。过海隧道南端接收井位于华能汕头电厂灰场灰堤内，北端工作井位于汕头港务集团第三公司的码头后方区域。
本工程采用盾构法施工，盾构隧道内径2900 mm，外径3400 mm，管片厚度为250mm，管片环宽1000mm。隧道采用钢筋混凝土管片，采用通缝拼装。隧道标准段每环由1块封顶块F、2块邻接块L1、L2和2块标准块B1、B2，共5块管片构成。隧道环与环之间用10根M30的纵向螺栓相连接，每环管片块与块间以10根M24的环向螺栓连接。接缝防水均采用水膨胀橡胶与氯丁橡胶复合而成的弹性密封垫。
本工程盾构掘进里程K0+006.6～K2+072.6（为盾构始发井、接收井井内壁里程），隧道平面布置呈直线型。隧道纵断面从工作井沉井往接收井沉井方向，依次为782.1m坡度为+2‰的直线段，接684.6m平均坡度为+8‰的上坡（含31.48mR5000m竖曲线段），接605.9m平均坡度为-4.1‰的下坡（含53mR5000m竖曲线段）组成；隧道出洞中心标高为－26.56m，隧道进洞中心标高为－22.00m，区间最高处标高为-19.00m。本工程采用一台3540mm网格水力机械盾构机进行施工。
由于汕头港海底地质条件复杂，隧道穿越范围的地质环境依次为砂层、块石层、贝壳层、淤泥质土层、灰堤抛填石层，地质差异大，并且海相沉积土层极易扰动，地质详勘的难度大，当时技术难以准确给出其相应的力学参数，也无法进行代表性的土层取样。
盾构在推进过程中，发现盾构切口前堆积了大量花岗岩块石，有些块石的大小甚至超过了盾构液压闸门的大小，故而造成盾构推进阻力极大，对盾构推进及盾构姿态控制都带来了极其不利的影响。另外，由于隧道位于汕头港海底约30m范围，正面水压力极高，最初的地质资料显示，地下水属潜水型，与海水连通，直接受海水涨落潮的影响，海水水位标高为-1.0～-12.0m。2008年12月进行的地质补勘显示，盾构需穿越中砂含水层，该含水层具微承压性，为承压水，其水头埋深为珠标0.60米，渗透系数为K=30.9m/d，为强透水层。因此在常规状态下，正面障碍物无法得到及时清理，因此必须采取辅助措施进行切口前清障。
为应对这种复杂环境和地层特点，确保盾构在推进过程中及时清除盾构切口前的障碍物、提高盾构推进速度、改善盾构姿态，为此决定采用盾构全断面高气压辅助清障穿越该复杂地层。
3 高气压辅助清障施工准备工作
3.1 盾构机局部改良
结合多次地质勘探的资料，为了使盾构机能更好地完成后续阶段的推进任务，对盾构机进行局部改进，主要改进的部分简介如下：
（1）盾构机改用扬水器
考虑到盾构机前方空间狭小，且隧道轴线将穿越较长距离砂层，采用扬水器代替渣浆泵。
（2）增加盾构机下部推力
增加盾构机下部推力，将盾构下部5个D200mm千斤顶拆除，采用6个D220mm千斤顶代替。
（3）改善盾构机土仓密封安全性能
在盾构机土仓隔墙的玻璃灯罩和观察窗处，在其外侧加设可开关的盖板（钢构件），提高了土仓的密封安全性能。
（4）设置局部气压管路
在土仓设置加气管路，实现向土仓内加气压的目的。
（5）网格局部割除
为了使盾构更加适应清障需要，将位于各扇液压闸门范围内的网格割除，增大网格前方开口面积，增加盾构清障的能力。
图1 盾构机网格、闸门、胸板立面图
Fig.1 Front view of the Shield machine grid, gate and chest.
3.2 增设气压装置
本次气压辅助施工将隧道分隔成四个气压段，即气压段（工作面）、两个变压段（人行闸和材料闸）、常压段，中间设置两道气闸墙来完成隔离。另外，还有相应的高气压供气系统。
（1）气闸墙
隧道内安装两道气闸墙，为了能够在隧道这一有限空间内将气闸墙顺利地进行组装，
图2 气闸墙、气密室安装示意图
Fig.2 Schematic diagram of air lock wall and airtight chamber installation.
每道气闸墙均分为七个部件进行设计制造，即左边板、左边梁、上部板、框梁、右边板、右
边梁和下部板。
其中框梁主要保证整体的稳定性、一体性及定位准确性，而左、右边梁则起着传递压力及力矩并辅助稳定和定位的作用。左右边板和上、下板的主要作用是嵌入管片环向预先开凿的槽，并与边梁或框梁以螺栓连接的方式进行密封。两道气闸墙所有部件的强度设计，均按承受3kg/cm2的气压进行。
（2）耐压气密室（人行闸）
从井口往隧道方向，在第一道气闸墙后部安装一个耐压气密室，耐压气密室强度也按照能承受3kg/cm2的气压进行设计。气密室为圆筒状结构，其外径为Φ2500，总长为8m，为了便于在隧道内安装，筒体分为四节，筒体两端设法兰，采用螺栓连接。气密室两端设密封门，满足施工时人员、小型材料进出。
（3）材料闸
第一道气闸墙与第二道气闸墙之间的空间即为材料闸，为了能够满足电机车运输管片、大型材料及设备，设计材料闸长度为15m。两道闸墙间设置四根壁厚8mm的10吋泵管用来传递隧道工作面内作用在第二道闸墙上的气压力，为方便安装，每根钢支撑由三段10吋泵管用法兰连接而成。气闸墙和气密室上预留各类接口：进气口、进水口、排泥口、电缆孔等。
（4）供气系统
在气压法施工中，压缩空气消耗量主要包括开挖面的漏气量、隧道衬砌与盾尾间的漏气量、衬砌接缝漏气量以及人员和材料进出气闸墙时的消耗量等。
为补充气压施工过程中的空气耗气量，在地面建立空气压缩机房，现场配备三台奥特拉斯20m3空压机和一台英格素兰17m3柴油空压机（三台开启、一台备用），以保证压力稳定，工作面可以连续安全地工作。空压机房内配有后冷却器、油水分离器、空气过滤器、储气罐等设备，以保证在施工时可供给足够的新鲜的压缩空气。现场共设置5个容积为6m3的储气罐，储气罐采用串联配置，工作压力0.8MPa。每只储气罐设有独立的安全阀和压力表，机房四周搭设临时的围护结构，用以遮阳、挡雨，消除部分噪音，机房周围配备足够的消防器材。
气压作业区供电采用二路电源，当其中一路电源中断供电时，另一路电源可立即接通。
储气罐投入使用前应采用超压力水压试验进行检验，试验合格后方可安装。供气管路应在可能的条件下尽量缩短管路长度，减少管路配件，并做好管路的防晒措施。气闸墙、空压机站和管路安装结束后，进行试压，试压压力为0.25Mpa。
4 高气压辅助清障施工
4.1 高气压工作时间
表1 气压工作时间表 （24小时内一次工作）
Tab.1 Pneumatic work schedule in 24 hours.
4.2 高气压清障施工流程
（1）隧道内加压
隧道内加压只在刚恢复施工的时候采取，正常施工时，隧道内不放气，工作面保持永久气压状态。往隧道内加压时，需要关闭最里侧一道气闸门。
（2）人员进入隧道
施工人员进入隧道之前，隧道内已经保持在气压状态，人员需先通过人行闸加压才能进入隧道，进入隧道做完需要的准备工作后，即可开始推进或拼裝工作。人员在进入隧道的加压过程中，关闭人行闸的外侧闸门。
（3）电机车进出隧道
当施工人员在隧道工作面进行推进或拼裝工作时，电机车将运载管片、材料及设备等通过材料闸加压进入隧道，在工作面将管片、材料及设备等卸运完毕后，空车又将通过材料闸减压出隧道，如此循环，保证隧道内的管片、材料及设备等的连续供应。
（4）人员出隧道
当一个班组结束施工后，施工人员将通过人行闸减压出隧道。人员在出隧道的减压过程中，需关闭人行闸两头的气闸门。
4.3 高气压施工安全技术措施
（1）气压施工前对全体参加施工的人员进行详细的技术交底，按工作的岗位进行培训，经考核合格后方可上岗操作，闸门管理人员必须经过专门的培训并进行模拟操作。
（2）气压设备所使用的安全阀、压力表等安全仪表、设备应定期进行校验。安全阀应每天试验启动一次，以检验其可靠性。
（3）空压机开机前必须检查安全附件和防护装置的完好程度，确认设备可靠后方可开机。
（4）加压前应先将电器的电源开启，操作结束后，先减压后关闭电源。
（5）闸门管理人员在班前和交接班时必须仔细检查各种设备、仪表和通讯工具的完好程度，确保运行可靠，气压施工期间应严密注意各种仪表、设备的运行情况，压力表必须同时启动二套，以便于校对，认真做好各种数据的记录工作，与保健医生、当班的管理人员、空压机站的操作人员及有关人员保持联系，在出现异常情况时及时报告；闸门管理人员不得擅自离开工作岗位。
（6）人员、材料进入加压段后，闸门管理人员必须清点人数，严禁未经保健医生许可的人员进入闸内，确定好进闸人员后方可关闭闸门升压，升降压的时间应按有关标准严格控制，并需仔细观察闸内人员的状况并保持密切联系。
（7）经常检测压力工作区的压缩空气消耗量，并根据实际消耗量，对供气参数作适当调整。
（8）气压工作区严禁动用明火。若必须使用电焊、气割，应加强对所用的设备安全检查，还必须增强通风能力、增加消防设备，并经有关部门批准后方可实施。
（9）气压工作区与常压区之间、地面各相关部门之间均应保持可靠的通讯、讯号联系。
（10）气压装置使用期间必须配备必要的急救物品、消防器材和医药用品。
（11）突发事件分析与措施，见下表。
表2 突发事件分析与措施表
Tab.2 Table of incident analysis and measures.
5 结束语
在采用高气压辅助清障施工前，盾构推进速度平均为0.4环/天，其中推进+131环～+133环时速度仅为0.15环/天，且由于盾构切口正面堆积大量石块，正面阻力极大，增加盾构推力后效果不理想，盾构坡度失控，人工清障也存在很大风险，管片碎裂也较多。
在采用全断面高气压辅助清障施工后（不包括淤泥土层），盾构推进速度平均为3.4环/天，盾构坡度得以有效控制，且隧道质量也得到了保证。
作者简介：吕文胜 1964年出生 男 汉族 广东汕头人 广东电网公司汕头供电局 副总工程师 高级工程师 土木建筑结构专业 长期从事电网规划建设管理和技术管理工作。
论文作者:吕文胜
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：盾构论文; 隧道论文; 气压论文; 气闸论文; 管片论文; 汕头论文; 闸门论文; 《电力设备》2018年第27期论文;