颜秋梅1 王俊2
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摘要：盾构机是用于开挖隧道等地下施工的专用工程机械。盾构机中,气压过渡舱开启是人员进出开挖舱时必要的通道,研究其舱门具有重要的意义和价值。本文针对现阶段气压过渡舱开启舱门质量较重、舱门锁紧、解锁费力与开关效率低等亟待解决的问题,设计了一种气压过渡舱开启弧形舱门结构及锁紧机构,运用计算机软件完成产品的结构设计、性能分析及加工过程仿真的过程。所设计的气压过渡舱开启弧形舱门、把手锁紧机构及密封结构为气压过渡舱开启的设计及应用提供了基础数据支持。
关键词：盾构机；过渡舱；密封结构
本文介绍了盾构气压过渡舱开启的用途,对其结构型式进行了详细分析,论述了进舱出舱应注意的问题、气压过渡舱开启最高工作压力、以及加减压呼吸气体,提出了在气压过渡舱开启内应配置的安全保障系统。结合国内目前盾构的引进与盾构气压过渡舱开启的研发情况,对存在的问题进行了分析,提出了相应的措施。
1、气压过渡舱开启的原因
盾构机是一种庞大而复杂的施工机械，施工时面临的水文地质条件也千变万化，因此需要经常性地进行检修，进入工作舱内进行检修（即气压过渡舱开启）是其中最重要的一环，也是最危险的一环。气压过渡舱开启一般分为主动气压过渡舱开启和被动气压过渡舱开启，盾构气压过渡舱开启的主要原因，可以分为以下几点：
1.1刀盘、刀具的磨损或其他原因导致更换刀具
盾构机在长距离掘进的过程中，因为刀盘、刀具与地层之间的长期摩擦导致其发生不同程度的磨损，特别是在石英含量较高的地层中，这种磨损十分严重。刀盘刀具的磨损在盾构机掘进的过程中几乎是不可避免的问题，其导致的后果就是刀具掘削效率降低、刀盘扭矩增大，严重时甚至无法进行正常的掘进。另外，由于隧道穿越地层的地质条件复杂多变，且地质勘查准确程度受到各种条件的限制，因此盾构机在掘进过程中可能会遇到不明地层。在设计盾构机时，刀具的材质、强度、形状都是与地质条件相匹配的，若是地层的变化与原勘查资料出入较大，那么原先配置的刀具将不能适应新的地层，需要进行更换，以保证掘进的顺利进行。
1.2清除刀盘上的泥饼
盾构机在通过粘土地层时，粘土容易附着在刀盘表面，粘结成饼，糊裹刀盘，从而影响刀盘掘削效力。刀盘结饼是盾构施工过程中比较常见的技术问题，除了在刀盘上配备冲刷系统，通过泥浆的冲洗防止结饼以外，必要时还是需要人工进行清理。
1.3排除开挖面前方障碍物
盾构机在掘进的过程中，可能会遇到地下古木、超大块石、漂石等，特别是在穿越古河床的隧道掘进过程中，刀盘前方遇到异物的概率很大。这种超出刀具处理能力的障碍物，如不及时进行清除，也会阻碍正常的掘进。
2、气压过渡舱开启的常用方法及比选
2.1 气压过渡舱开启常用方法
（1）带压气压过渡舱开启法：带压气压过渡舱开启是指利用压缩空气以平衡开挖面的土水压力，维持开挖面的稳定，之后，通过盾构机上的人闸来实现操作人员进舱，在设定气压状态下检查，更换刀具及排出开挖面异物等工作。
（2）常压气压过渡舱开启法：当开挖面地层稳定，地下水较少时，可以直接气压过渡舱开启对刀盘刀具进行检查；如果开挖面地层自稳能力差，地下水较为丰富，应预先将刀盘开挖面处地层进行加固，实施降水和止水措施是开挖面具有一定的强度和稳定性，减少地下水，然后气压过渡舱开启对刀盘刀具进行检查；对刀盘刀具检查所需要的空间进行支护后检查；或者将上述几种方法相结合。
（3）带压潜水换刀法：当埋深较大，地下水位较高，开挖面稳定性差，地下水较丰富，地表条件不允许对开挖面进行加固时，可以选择有潜水经验的施工人员潜入开挖舱对刀具进行检查更换。
2.2 带压气压过渡舱开启的优缺点
常压气压过渡舱开启由于地层加固成本较高、施工工期较长，还会受到地表条件的制约，因此有一定的局限性。带压潜水气压过渡舱开启需要入舱人员有较高的水下作业能力，人员安全也难以保障。而带压气压过渡舱开启相比其他两种方法而言具有明显的优势：
（1）带压气压过渡舱开启不受地表环境的限制。在穿越大江大河的隧道工程中，由于隧道上方覆土高度在水面以下，无法从地表对地层进行加固，因此不具备常压气压过渡舱开启的条件；在城市地铁隧道工程中，考虑到地面上的构筑物、道路以及地面施工对环境的影响，也优先采用带压气压过渡舱开启。
（2）带压气压过渡舱开启成本较低。常压气压过渡舱开启采用水泥搅拌桩加固地层，要始终进行井点降水，盾构机埋深越大，加固的成本越高；带压气压过渡舱开启只需要在开挖面上形成泥膜，然后采用气压支护，成本要比常压气压过渡舱开启低得多。
（3）带压气压过渡舱开启工期较短。常压气压过渡舱开启工艺复杂，造价高，工期也长。长时间停机会导致盾构机在软土地基中下沉、再次启动时千斤顶推力过大等一系列问题，带压气压过渡舱开启方便快捷，避免了长时间停机引发的其他问题。
当然，带压气压过渡舱开启也有其缺点，由于人员需要在高压环境下工作，进出工作舱需要进行频繁的加减压流程，耗费较长的时间，频繁加减压也容易造成减压病症，事实上，由于加减压耗费较长时间，人员单次进舱实际的工作时间不足1h。相比于潜水气压过渡舱开启法，带压气压过渡舱开启作业面大，对施工人员综合素质要求也较低，更适宜推广。
正常掘进时，工作舱内充满泥浆，通过调整压力舱内的气压对泥浆施加压力，采用泥浆压力支护开挖面上的水土压力，并且通过泥浆循环将开挖面上掘削下的渣土携带、运送出隧道。带压气压过渡舱开启时，为了提供一个可操作的空间，向工作舱内充入压缩空气降下泥浆液面，然后工作人员在充满气压的环境下，通过人闸进到工作舱内，进行相关的施工操作。
带压气压过渡舱开启的方法适用范围广、成本低、工期短，是目前盾构机日常检查、维护修理采用较多的方法。但是，带压气压过渡舱开启的过程中也存在着一些问题。这些问题增加了带压气压过渡舱开启的难度，如果解决不好会造成一定的风险。在泥水盾构带压气压过渡舱开启中，最关键的问题就是泥膜的闭气性问题。
2.3带压气压过渡舱开启时泥膜的闭气性问题
带压气压过渡舱开启成功实施的关键是在开挖面上形成气密性良好的泥膜，保持泥浆舱内气体压力，以气压来平衡土水压力，实现开挖面的稳定。目前大量在建的跨江海隧道普遍穿越高渗透系数（k>10-2cm/s）的砂、卵石、复合地层，在建的南京纬三路过江通道穿越地层中，中粗砂、砾砂及砂卵石复合地层渗透系数达到10-2cm/s，该地层的最大水压力达到0.77MPa，而在高水压，高渗透系数的地层中带压气压过渡舱开启时，由于地层孔隙较大，导致泥浆滤失量大，泥膜难以形成，而高质量泥膜的形成是目前带压气压过渡舱开启成功的一大前提。
具体来讲，带压气压过渡舱开启时，为了保持开挖面稳定，工作舱内气压值往往要略高于地下水压，此时气压与水压存在一个压差，这个压差必须完全转化为泥膜的有效应力才能达到平衡，有效应力产生的前提是泥膜能在这个压差下不被压缩气体击穿，这是泥膜所能承受气压大小的问题。另外，由于施工人员在舱内需要有一定的工作时间（一般4~8h），这就需要泥膜在气压下有一定的工作时间，在这个时间内，要能保证不被气体穿透，这是泥膜所能闭气时间长短的问题。因此，对带压气压过渡舱开启时泥膜闭气的基本规律和机理进行研究，具有重大的工程意义和理论价值。
参考文献：
[1]朱学春，王敏. 深圳复合地层图压平衡盾构带压换刀技术[J]. 城市建设理论研究：电子版. 2018.