邵帥

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，湖北武漢 430000）

0 引言

泥水盾構(gòu)機(jī)由于泥水壓力波動小、控制精度高、對開挖面土層支護(hù)更為穩(wěn)定、對地表變形控制精度高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通及穿越江、河、湖、海等隧道建設(shè)中，掘進(jìn)技術(shù)如圖1 所示。泥水盾構(gòu)在泥巖地層施工中，由于泥漿的原因刀盤更易結(jié)泥餅，進(jìn)而導(dǎo)致滯排、刀具切削能力下降、施工參數(shù)惡化等，施工效率急劇下降。因此，如何使泥水盾構(gòu)在此類地層施工提高施工效率至關(guān)重要。

圖1 泥水盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)

1 泥巖地層掘進(jìn)重難點(diǎn)分析

（1）強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖地層在地層成分中占比例最大，呈半巖半土狀，微膨脹性，具有一定黏性。泥水盾構(gòu)掘進(jìn)時極易出現(xiàn)扭矩大、出渣不暢、糊刀盤、棄漿量大及堵塞泥漿門、格柵、循環(huán)管路等現(xiàn)象，造成盾構(gòu)掘進(jìn)困難，導(dǎo)致帶壓進(jìn)倉二次風(fēng)險等。

（2）全斷面中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖地層，巖體較為完整，具有一定強(qiáng)度。全盤撕裂刀泥水盾構(gòu)在此地層中掘進(jìn)時已出現(xiàn)掘進(jìn)速度緩慢、扭矩大、卡刀盤、泥漿管路磨損、刀具磨損，情況嚴(yán)重時易出現(xiàn)損害設(shè)備等問題。

2 泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)

2.1 掘進(jìn)前準(zhǔn)備工作

（1）前盾面板中心區(qū)域增加兩路管路對刀盤進(jìn)行沖刷。減少沖刷水在刀盤泥漿中壓力損失，保證沖刷水能有效沖至刀盤。

（2）安裝兩臺132kW 沖刷泵（渣漿泵）。一臺為刀盤中心區(qū)域沖刷，另一臺為高位刀及幅條進(jìn)行沖刷，其泵流量為204m3/h，泵揚(yáng)程 87．5m。

（3）改善泥漿門沉渣情況，增強(qiáng)攪拌效果，促進(jìn)泥漿循環(huán)快速出渣。

（4）因盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)主要為強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，為防止刀盤結(jié)泥餅，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)刀具采用全盤撕裂刀。

泥水盾構(gòu)機(jī)根據(jù)對泥漿壓力控制方式的不同，分為直接控制型和間接控制（氣墊式）型。與直接控制型相比，間接控制型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)操作控制更為簡化，泥水壓力波動小，控制精度高，對開挖面土層支護(hù)更為穩(wěn)定，國內(nèi)、外大直徑或超大直徑泥水盾構(gòu)均已采用間接控制型。而無論間接型還是直接型在掘進(jìn)時均向前倉注滿飽和泥漿狀態(tài)下掘進(jìn)。

2.2 飽和泥漿掘進(jìn)

采用飽和泥漿掘進(jìn)，在全斷面泥巖地層掘進(jìn)一段距離后，隨著刀盤泥餅增多，各項(xiàng)參數(shù)會逐漸惡化，需要階段性帶壓進(jìn)倉清理泥餅后再恢復(fù)掘進(jìn)，一般工程在1400 環(huán)舉行帶壓進(jìn)倉清理刀盤泥餅后恢復(fù)掘進(jìn)。由施工經(jīng)驗(yàn)得出，在盾構(gòu)掘進(jìn)一段距離后，掘進(jìn)參數(shù)惡化明顯，在1435~1470 環(huán)期間推力增大至70000~90000kN，扭矩減小至12000~19000kNm，速度降至5—0mm/min波動；在全斷面泥巖地層飽和泥漿掘進(jìn)存在以下幾點(diǎn)問題：

（1）隨著刀盤泥餅增加，掘進(jìn)速度降低、推力增大、各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)惡化嚴(yán)重，掘進(jìn)效率低下；

（2）速度降低后，切削下的渣土不能有效分離，會逐漸溶解至漿液中，泥漿中細(xì)顆粒增多，漿液比重增大，不僅導(dǎo)致泥漿處理能力下降，還會導(dǎo)致泥漿攜渣能力下降，進(jìn)一步降低掘進(jìn)效率；

（3）長期設(shè)備高負(fù)荷工作，主機(jī)、刀盤發(fā)熱量增加，泥餅越結(jié)越多、越硬。

2.3 輔助氣壓法掘進(jìn)原理及應(yīng)用

采取輔助氣壓法掘進(jìn)的前提條件是在保證掌子面土體穩(wěn)定的氣壓下，地面不能被擊穿。大直徑盾構(gòu)因需穿越河湖海等，普遍在掘進(jìn)中段埋深較大，采用輔助氣壓法掘進(jìn)時，掘進(jìn)埋深更大。

2.3.1 輔助氣壓法工作原理

泥水盾構(gòu)采用輔助氣壓掘進(jìn)是將壓縮空氣填充至前倉上半部與下半部的泥漿以平衡掌子面、盾構(gòu)三大密封系統(tǒng)的油脂。通常情況下，壓縮空氣的流動速度大于泥漿的流速，泥漿的流速大于渣土的流速。刀盤切削土體，造成出現(xiàn)空隙后，壓縮空氣與泥漿會立即對空隙填充，而壓縮空氣會逐漸逼退泥漿占有的空間。

2.3.2 輔助氣壓法工法

（1）壓力設(shè)定：以盾構(gòu)機(jī)直徑12.81m 為例，頂部與中部壓差接近0.6bar；為維持掌子面穩(wěn)定，液位控制在腰線以上2m，上半倉氣壓設(shè)定值與飽和泥漿掘進(jìn)中部腰線壓力值持平；通過前倉布置的5 個壓力傳感器監(jiān)測前倉壓縮空氣與泥漿壓力變化。液位設(shè)定：

（1）原則上僅在全斷面泥巖地層使用輔助氣壓掘進(jìn)；

（2）為保證掌子面穩(wěn)定，液位設(shè)定在腰線以上2m。

2.3.3 輔助氣壓法應(yīng)用效果分析

一般在采取輔助氣壓法掘進(jìn)后，速度逐漸在半小時內(nèi)增加至20—40mm/min，扭矩與推力均有明顯下降；將掘進(jìn)模式調(diào)整為輔助氣壓掘進(jìn)后出渣黏土塊明顯增加。采用輔助氣壓法掘進(jìn)后，地表沉降值也控制在合理的區(qū)間，最大沉降值為-6.9mm。

2.4 輔助氣壓法掘進(jìn)特點(diǎn)和風(fēng)險控制

2.4.1 輔助氣壓法掘進(jìn)特點(diǎn)

（1）前倉用壓縮空氣替換泥漿后，刀盤背部與沖刷管路之間缺少泥漿填充，使泥漿循環(huán)的沖刷管路可以直接對刀盤背部進(jìn)行沖洗，有助于延緩泥餅的膠結(jié)；

（2）上半部掌子面因?yàn)闆]有了泥漿，沒有辦法形成泥膜，刀盤對掌子面進(jìn)行切削后，沒有了泥漿護(hù)壁的渣土更加容易掉落，更利于出渣；

（3）開挖面上半部填充壓縮空氣，導(dǎo)致上半部壓力相同，相當(dāng)于降低了部分壓力，客觀上降低了推力；

（4）實(shí)踐證明，壓縮空氣與泥漿的交界面在液位波動過程中，客觀上對刀盤起沖刷作用。

2.4.2 輔助氣壓法掘進(jìn)的風(fēng)險及其控制

（1）改用輔助氣壓法掘進(jìn)后，各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)穩(wěn)定，最大日進(jìn)尺10 環(huán)，但由于刀盤轉(zhuǎn)動時可能直接沖刷到掌子面，影響泥膜的形成，另外半倉氣壓模式掘進(jìn)也存在一定風(fēng)險，所以需在地層變換時及時改變掘進(jìn)模式及管路切換，防止出現(xiàn)掌子面坍塌。

（2）停機(jī)時注意：因泥水盾構(gòu)機(jī)接管期間必須停機(jī)，而輔助氣壓法掘進(jìn)前倉頂部泥漿被空氣填充，泥漿在刀盤轉(zhuǎn)運(yùn)時直接沖刷掌子面，掌子面泥膜易被破壞，預(yù)估停機(jī)超過2h 即進(jìn)行建倉。

（3）壓力與液位控制：為保證掌子面穩(wěn)定，倉壓瞬時波動超過±0.3bar 與液位瞬時波動超過±1m 出現(xiàn)較大波動后，立即建倉，恢復(fù)飽和泥漿泥水模式。

（4）參數(shù)控制：注意各項(xiàng)參數(shù)，尤其是倉壓、液位的波動情況，注意觀測地面沉降值，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時恢復(fù)間接式泥水平衡循環(huán)。

2.5 控制盾構(gòu)隧道參數(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)主要包括推進(jìn)速度、推力、刀盤扭矩、刀盤速度、攪拌速度和泥漿流量。當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入泥巖地層時，盾構(gòu)參數(shù)最直觀的體現(xiàn)是推力和刀盤扭矩的增加，前進(jìn)速度的減小。推力從最初的8000kN 增加到10000~20000kN，刀盤扭矩從800kNm 增大到1200kNm 至3000kNm 增大到3500kNm，推進(jìn)速度從35mm/min減小到40mm/min 至10 至15mm/min。由于泥巖地層易于堵塞筒倉和管道，因此有必要平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)，以確保順利排渣和最大推進(jìn)速度。在不斷優(yōu)化參數(shù)以找到平衡點(diǎn)之后，將參數(shù)調(diào)整為：推進(jìn)速度降低至 10—15mm/min，刀盤扭矩為 2500~3000kNm，推力為15000~18000kN。為了破碎和切碎渣塊，刀頭的轉(zhuǎn)速提高到1.8~2r/min；為了盡早排渣，避免積渣后堵塞管道，將攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至30—35r/min，進(jìn)、出料漿流速提高到850—900m3/h。

進(jìn)入泥巖地層時，泥漿的黏度和比重會迅速增加，筒倉內(nèi)的壓力波動會很大，并且盾構(gòu)擋住筒倉和管道的現(xiàn)象會很明顯，難以開挖。為了平穩(wěn)地排出污泥，需要降低泥漿的粘度和比重。經(jīng)過多次試驗(yàn)和比較，全斷面泥巖開挖的泥漿粘度控制在16—20s范圍內(nèi)，比重控制在1.06~1.12g/cm3范圍內(nèi)，保證泥漿的能力。

3 總結(jié)

在泥巖地層及相似地層中，輔助氣壓掘進(jìn)能較大的提高施工效率，本研究為以后為類似粉質(zhì)黏土地層泥水盾構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工提供了參考依據(jù)，是一次寶貴的經(jīng)驗(yàn)。