本發(fā)明涉及盾構(gòu)施工，具體涉及一種盾構(gòu)帶壓換刀系統(tǒng)及其施工方法。

背景技術(shù)：

1、隨著城市軌道交通、穿江越海通道等大型基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，大直徑泥水盾構(gòu)機在深埋復雜地層中的掘進應(yīng)用日益廣泛。盾構(gòu)機在推進過程中，不可避免地需要在掌子面高壓狀態(tài)下進行刀具更換或清障作業(yè)，該類作業(yè)統(tǒng)稱為帶壓作業(yè)。根據(jù)《空氣潛水減壓技術(shù)要求》gb/t12521-2008的規(guī)定，常規(guī)壓縮空氣環(huán)境下的帶壓作業(yè)在壓力超過6bar時無法實施，實踐中也表明，當作業(yè)壓力超過5bar時，空氣帶壓作業(yè)的時間被限制在約35分鐘以內(nèi)，作業(yè)效率顯著降低，且作業(yè)過程中潛在的減壓病和氧中毒風險明顯上升。面對當前盾構(gòu)施工埋深日趨增大的趨勢，傳統(tǒng)空氣帶壓方式難以勝任深層隧道長時間、高強度的作業(yè)需求。

2、為克服常規(guī)空氣帶壓方式在高壓環(huán)境下的局限性，目前工程實踐中開始嘗試采用飽和帶壓作業(yè)方式，即利用氦氧混合氣體進行深潛作業(yè)，以延長作業(yè)時間并保障人員安全。例如南京緯三路工程中曾采用飽和帶壓方式進行刀具更換。例如cn112943270a公開了超高水壓條件下大直徑盾構(gòu)帶壓換刀的施工方法，其采用的就是氦氧飽和帶壓方法，需要配備生活艙、穿梭艙，作業(yè)人員需要在生活艙內(nèi)逐步加壓適應(yīng)高壓環(huán)境，然后通過穿梭艙轉(zhuǎn)移至土艙進行換刀作業(yè)，還需要氦氧混合氣體置換盾構(gòu)機的人艙及泥水艙內(nèi)的空氣。

3、然而，該方法存在明顯缺陷：首先，作業(yè)準備周期較長，前期設(shè)備安裝調(diào)試時間通常不少于15天；其次，作業(yè)效率偏低，每日有效作業(yè)時間約為12小時，且連續(xù)作業(yè)周期受限，超過20天需強制休整；此外，飽和帶壓作業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、人員安排嚴苛、應(yīng)對突發(fā)情況能力弱，不適用于快速響應(yīng)的換刀任務(wù)，尤其在大直徑盾構(gòu)換刀作業(yè)中因刀具數(shù)量多、頻次高，常常難以在單一周期內(nèi)完成，導致盾構(gòu)機長時間停機，施工風險和成本顯著增加。此外，厚重的潛水裝具限制了操作人員的作業(yè)自由度，從而導致整體工效低下，深部作業(yè)環(huán)境下采用氦氧飽和潛水雖然能滿足高壓作業(yè)要求，但由于氦氣消耗量大和相關(guān)作業(yè)裝備復雜，經(jīng)濟成本和操作難度均顯著提高。因此，亟需一種更高效、更靈活且適應(yīng)高壓環(huán)境的盾構(gòu)帶壓作業(yè)新技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種盾構(gòu)帶壓換刀系統(tǒng)及其施工方法，取消了傳統(tǒng)的生活艙和穿梭艙結(jié)構(gòu)，作業(yè)人員可直接進入人艙內(nèi)，通過佩戴口鼻罩呼吸器呼吸氦氮氧三元混合氣，快速適應(yīng)高壓作業(yè)環(huán)境，安全進入泥水艙開展換刀作業(yè)，解決了傳統(tǒng)空氣帶壓作業(yè)無法適應(yīng)高壓環(huán)境、作業(yè)時間短、效率低，以及飽和帶壓作業(yè)周期長、準備復雜、成本高、不具備快速響應(yīng)能力等問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種盾構(gòu)帶壓換刀系統(tǒng)，適用于非飽和帶壓換刀作業(yè)，所述盾構(gòu)帶壓換刀系統(tǒng)包括混合氣配氣裝置、口鼻罩呼吸器、減壓吸氧裝置和人艙，所述混合氣配氣裝置包括自動配氣組件、手動配氣組件和混合氣儲氣罐，所述自動配氣組件或手動配氣組件對壓縮空氣、氧氣、氦氣進行混合配比，將配比好的氦氮氧三元混合氣存儲于所述混合氣儲氣罐，所述人艙用于作業(yè)人員帶壓工作前后的加壓和減壓，艙內(nèi)設(shè)置口鼻罩呼吸器和減壓吸氧裝置，所述口鼻罩呼吸器通過高壓軟管與混合氣儲氣罐連接，用于作業(yè)期間為作業(yè)人員供給三元混合氣體，所述減壓吸氧裝置通過供氣管路與供氧裝置連接，用于減壓過程中向作業(yè)人員提供吸氧通道以加速脫飽和過程。

4、優(yōu)選地，在所述混合氣配氣裝置中，空氣、氧氣和氦氣通過所述自動配氣組件的穩(wěn)壓閥、變送器、手動閥、過濾器、流量控制器和止回閥，進入一號混氣排，經(jīng)背壓閥調(diào)節(jié)壓力，通過兩條供氣管流入二號混氣排，最終到達所述混合氣儲氣罐，所述二號混氣排連接手動配氣組件。

5、優(yōu)選地，所述人艙與盾構(gòu)機自帶的加壓裝置連接，所述加壓裝置通過向人艙內(nèi)充注壓縮空氣來調(diào)節(jié)艙內(nèi)壓力。

6、優(yōu)選地，所述人艙內(nèi)設(shè)置有對講機、手寫板和報警裝置，所述對講機和手寫板用于作業(yè)人員與控制室溝通，所述報警裝置用于識別作業(yè)人員的工作狀態(tài)，并上傳工作狀態(tài)信息至控制室。

7、優(yōu)選地，所述減壓吸氧裝置采用薄膜頭罩，包括透明密封罩體，所述透明密封罩體用于將作業(yè)人員頭頸部完全封閉，具備機械自動式供氧和機械自動式排氧功能。

8、優(yōu)選地，所述三元混合氣中氧氣的分壓po為1.4-2.0ata、氮氣的分壓pn≤4ata，其余為氦氣。

9、另一方面，本發(fā)明公開了一種基于上述的盾構(gòu)帶壓換刀系統(tǒng)的施工方法，包括以下步驟：

10、s1，由潛水醫(yī)生對換刀作業(yè)人員進行專項身體檢查，確認脈搏、血氧飽和度和身體狀態(tài)正常后進行進艙準備；

11、s2，上班作業(yè)人員出艙后，本班次換刀作業(yè)人員對呼吸氣系統(tǒng)進行檢查和衛(wèi)生清潔，并由安全員排查是否攜帶易燃易爆物品；

12、s3，換刀作業(yè)人員進入人艙，檢查工機具及通訊系統(tǒng)后，由操倉員對人艙進行加壓；

13、s4，當艙內(nèi)壓力達到2.4bar時，作業(yè)人員開始佩戴口鼻罩呼吸器呼吸三元混合氣，加壓至3.0bar時暫停加壓并通過語音或手寫文字確認口鼻罩呼吸器工作正常，確認無異常后，加壓至人艙與開挖倉壓力一致后停止加壓；

14、s5，換刀作業(yè)人員打開人艙和氣墊倉之間的倉門，三名作業(yè)人員進入氣墊倉，再打開氣墊倉與泥水倉之間的倉門，開始作業(yè)；

15、s6，作業(yè)期間一人在氣墊倉負責觀測和遞送，兩人進入泥水倉執(zhí)行換刀作業(yè)；

16、s7，作業(yè)周期結(jié)束前10分鐘，操倉員通知作業(yè)人員停止作業(yè)，同時整理工具并關(guān)閉泥水倉與氣墊倉之間的聯(lián)通門，作業(yè)人員返回人艙；

17、s8，作業(yè)人員全部進入人艙并關(guān)閉艙門后，操倉員啟動減壓程序，作業(yè)人員繼續(xù)佩戴口鼻罩呼吸器呼吸氦氮氧三元混合氣；

18、s9，當人艙壓力減至1.8bar以下時，作業(yè)人員取下口鼻罩呼吸器，佩戴減壓吸氧裝置，按設(shè)定吸氧與壓縮空氣交替流程完成減壓后出艙；

19、s10，換刀作業(yè)人員出艙后由潛水醫(yī)生再次檢查，確認無異常后休息，并間隔24小時后再參與作業(yè)，連續(xù)作業(yè)6次后進入高壓氧艙接受治療。

20、優(yōu)選地，所述步驟s3中，啟動盾構(gòu)機自帶的加壓裝置以1.5bar/min的速率向艙內(nèi)充注壓縮空氣。

21、優(yōu)選地，所述步驟s8中，根據(jù)配置的氦氮氧三元混合氣中的氮分壓確定第一站的減壓深度；從作業(yè)壓力以平穩(wěn)的速率減壓至第一站的減壓深度；基于第一站的減壓深度根據(jù)空氣減壓表和作業(yè)時間控制各減壓階段的停留壓力與時間。

22、優(yōu)選地，所述步驟s9中，減壓吸氧裝置在1.8bar壓力以下按照呼吸25分鐘氧氣、5分鐘壓縮空氣的間隔進行交替供氣，直至完成減壓。

23、本發(fā)明有益效果如下：

24、本發(fā)明提出的盾構(gòu)帶壓換刀系統(tǒng)及其施工方法，采用非飽和高壓下的氦氮氧三元混合氣作業(yè)模式，突破了傳統(tǒng)空氣帶壓作業(yè)在5bar以上效率低下、6bar以上無法實施的技術(shù)瓶頸，切實解決了高壓條件下?lián)Q刀作業(yè)難以開展的問題。通過精準控制氦氮氧三元混合氣的配比，特別是將氮氣分壓嚴格控制在4.0ata以下，有效避免了高壓環(huán)境下作業(yè)人員出現(xiàn)氮麻醉的風險，在顯著提高作業(yè)安全性的同時，也擴大了系統(tǒng)適應(yīng)的壓力范圍，提升了盾構(gòu)帶壓作業(yè)的可實施深度與強度。與傳統(tǒng)飽和潛水作業(yè)需依賴生活艙、穿梭艙及復雜氣體置換系統(tǒng)的方式相比，本發(fā)明取消了生活艙和穿梭艙的設(shè)置，作業(yè)人員可直接進入人艙進行加壓，并佩戴口鼻罩呼吸器呼吸氦氮氧混合氣，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，縮短了作業(yè)準備周期，提升了響應(yīng)速度和作業(yè)頻次，顯著增強了施工組織的靈活性與效率。此外，本發(fā)明采用標準化、模塊化的混合氣配氣系統(tǒng)，配合科學的減壓吸氧流程，有效延長了單次作業(yè)時間，改善了作業(yè)舒適性與連續(xù)性。同時，系統(tǒng)結(jié)合艙體加壓控制、設(shè)備冗余配置、通信與報警機制等功能，確保了作業(yè)全過程的穩(wěn)定性與安全性。整體系統(tǒng)運行可靠、制氣方案靈活，既滿足高壓非飽和作業(yè)對混合氣精度的要求，又顯著降低了氦氣消耗與運行成本，兼顧安全性、經(jīng)濟性與實用性，適用于深埋、高壓工況下的連續(xù)帶壓換刀作業(yè)，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。