王又增，賀開偉，徐金秋，丁夢俊，蘇志學(xué)，張 浩

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

現(xiàn)有盾構(gòu)主要分為土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)和TBM。泥水盾構(gòu)根據(jù)壓力控制及出渣方式的不同，分為常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)和直排式盾構(gòu)（一般稱無氣墊緩沖的直排式盾構(gòu)為直排式盾構(gòu)，其代表為日式直排式盾構(gòu)[1]）。泥水盾構(gòu)因結(jié)構(gòu)和功能的不同，在工程應(yīng)用中各有優(yōu)缺點。

隨著盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的攻克和工程亟需解決的問題，泥水盾構(gòu)又衍生出其它類型的泥水工作模式的盾構(gòu)，例如氣墊直排式盾構(gòu)、多模式泥水類盾構(gòu)等。

配置氣墊倉的泥水類盾構(gòu)，由于氣墊的緩沖作用，調(diào)控壓力精度高，穩(wěn)定切口環(huán)壓力的能力強(qiáng)，在工程中應(yīng)用較多。在下文介紹了直排式、常規(guī)氣墊式和氣墊直排式泥水盾構(gòu)，分析了常規(guī)氣墊式與氣墊直排式泥水盾構(gòu)的優(yōu)缺點，并結(jié)合中俄東線天然氣管道工程（永清-上海）長江盾構(gòu)穿越工程的地質(zhì)概況，對此項目進(jìn)行選型分析。

1 工程概況

中俄東線干線起自黑龍江省黑河市中俄邊境，途經(jīng)9 省區(qū)市，止于上海市白鶴末站，干線全長3 334.6km。中俄東線天然氣管道工程（永清-上海）長江盾構(gòu)穿越工程于江蘇省南通市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)與江蘇省常熟市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)穿越長江，采用盾構(gòu)隧道穿越方案，是中俄東線的控制性工程。

據(jù)巖土工程勘察說明書介紹，盾構(gòu)工程相繼穿越新江海河、常熟港海輪錨地、主航道、專用航道、白茆河及其之間區(qū)域（圖1），穿越長度約為10 226m，穿越水面寬度約為7 500m。

圖1 盾構(gòu)穿越工程周圍環(huán)境

盾構(gòu)隧道軸線主要穿越的地層為⑤層粉土、⑤-1 層粉砂、⑥層粉質(zhì)黏土及⑦層粉砂，其中⑤層粉土的石英含量約為50%～55%、長石含量約10%～15%，硬質(zhì)礦物含量相對較高，而⑤-1層粉砂及⑦層粉砂，石英含量最高達(dá)75%，長石含量最高達(dá)25%，該砂土地層硬質(zhì)礦物含量較高，對泥漿循環(huán)系統(tǒng)的耐磨性具有極大的挑戰(zhàn)，特別對于盾構(gòu)獨頭掘進(jìn)10 226m，泥水盾構(gòu)的選型尤其重要。

2 直排式泥水盾構(gòu)功能概述

直排式泥水盾構(gòu)（圖2）僅設(shè)計有泥水倉、進(jìn)漿管、排漿管和沖刷管，泥水倉的水土壓力依靠主進(jìn)排漿的流量壓力平衡。主排漿管位于泥水倉底部，開挖后渣漿的混合物通過主排漿管道排出，輸送至地面分離站[2]。

圖2 直排式泥水盾構(gòu)功能原理示意圖

直排式泥水盾構(gòu)在泥漿循環(huán)模式切換及正常施工中，切口環(huán)壓力波動較大，且易形成冒頂隆起，在穿江越海或緊鄰構(gòu)建筑物敏感的盾構(gòu)工程中很少應(yīng)用。

3 常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)功能概述

常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)（圖3），設(shè)計有泥水倉、氣墊倉和泥漿連通管；氣墊倉底部可配置破碎裝置或攪拌器及格柵；主進(jìn)泥漿通過不同的分支管進(jìn)入泥水倉和氣墊倉；主排漿管位于氣墊倉底部，渣漿依次通過泥漿門、攪拌器（或破碎裝置）和格柵進(jìn)入排漿管輸送至分離站。

圖3 常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)功能原理示意圖

常規(guī)氣墊泥水盾構(gòu)通過泥漿門或泥漿連通管傳遞壓力，通過氣墊倉的壓縮空氣及泥漿壓力平衡掌子面的水土壓力。

4 氣墊直排式泥水盾構(gòu)功能簡述

氣墊直排式泥水盾構(gòu)（圖4），設(shè)計有泥水倉、氣墊倉和泥漿連通管；設(shè)備無泥漿門、破碎機(jī)或者攪拌器及格柵；主進(jìn)泥漿通過不同的分支管進(jìn)入泥水倉和氣墊倉[3～4]；主排漿管位于泥水倉底部，泥水倉渣漿可以直接進(jìn)入排漿管輸送至分離站，排渣效率較高。

圖4 氣墊直排式泥水盾構(gòu)功能原理示意圖

氣墊直排式泥水盾構(gòu)僅通過泥漿連通管傳遞壓力，通過氣墊倉的壓縮空氣及泥漿壓力平衡掌子面的水土壓力。

5 兩種泥水盾構(gòu)適應(yīng)性分析

直排式盾構(gòu)控制壓力波動性能差，風(fēng)險較大，地質(zhì)適應(yīng)性差，工程應(yīng)用較少，不再作適應(yīng)性分析。下文主要依據(jù)常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)和氣墊直排式泥水盾構(gòu)的功能特點，對二者進(jìn)行適應(yīng)性分析。

5.1 地質(zhì)適應(yīng)能力

氣墊直排式泥水盾構(gòu)直排管直接接入泥水倉，在復(fù)合地層特別是大砂卵石、上軟下硬及全斷面硬巖盾構(gòu)段，由于無法控制巖屑塊及卵石大小，氣墊直排式堵管卡泵概率比較大，影響整體掘進(jìn)效率；常規(guī)氣墊式由于在氣墊倉底部配置了碎石裝置及格柵[5]，可以破碎限徑，相對來說堵管卡泵風(fēng)險小，綜合掘進(jìn)效率相對氣墊直排式較高。分析表明，常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)比氣墊直排式泥水盾構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)能力廣。

5.2 應(yīng)對滯排能力

氣墊直排式泥水盾構(gòu)，復(fù)合渣漿在泥水倉內(nèi)直接進(jìn)入排漿管，排渣效率較高，但常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)泥水倉內(nèi)的復(fù)合渣漿需要依次通過泥漿門、破碎裝置或攪拌器及格柵、穿越氣墊倉后才能進(jìn)入排漿管，排渣效率相對氣墊直排式略有降低，應(yīng)對倉內(nèi)滯排能力相對偏低。但是針對中俄東線長江盾構(gòu)穿越工程項目，在軟弱均質(zhì)（例如，淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂及中砂等）地層，都可以高效掘進(jìn)，滯排概率較低。

5.3 壓力自平衡能力

常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)泥水倉及氣墊倉通過泥漿門及泥漿連通管傳遞壓力，通流面積較大，壓差趨平衡時間短，壓力自平衡能力強(qiáng)；氣墊直排式泥水盾構(gòu)泥水倉及氣墊倉僅通過泥漿連通管傳遞壓力，通流面積有限，壓差趨平衡時間相對較長，壓力自平衡能力相對常規(guī)氣墊式偏弱。分析表明，常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)壓力自平衡能力比氣墊直排式泥水盾構(gòu)要強(qiáng)。

5.4 應(yīng)對“高水壓+壓力波動”次生風(fēng)險能力

氣墊直排式泥水盾構(gòu)壓力自平衡能力偏弱，且存在堵管的風(fēng)險，根據(jù)以往施工經(jīng)驗最大波動值約達(dá)到1.5bar。若在高水壓施工環(huán)境中，會導(dǎo)致關(guān)鍵部件密封受到異常沖擊，存在一定風(fēng)險；常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)壓力自平衡能力強(qiáng)，雖然存在堵管風(fēng)險，但堵管概率低，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，壓力波動基本在±0.2bar，即使在高水壓工況下施工，壓力波動導(dǎo)致的沖擊相對偏弱。常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)相對氣墊直排式泥水盾構(gòu)應(yīng)對“高水壓+壓力波動”次生風(fēng)險能力強(qiáng)。

5.5 處理非勘明異物能力

雖然在施工前期對盾構(gòu)段地質(zhì)進(jìn)行了勘探，很難面面俱到，存在未堪明死角，不排除在盾構(gòu)通過區(qū)域存在異物。選用氣墊直排式泥水盾構(gòu)，開挖下的渣土若存在異物，異物較小可以通過排漿管排出；若異物較大，很難進(jìn)入排漿管，特殊情況下需要作業(yè)人員帶壓進(jìn)入泥水倉進(jìn)行處理，風(fēng)險較大。選用常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)，開挖下的渣土若存在異物，可以將異物排至氣墊倉，通過關(guān)閉泥漿門常壓處理或者不關(guān)泥漿門帶壓處理，處理異物相對方便。分析表明，常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)處理非堪明異物的能力相對較強(qiáng)。

6 常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)是否搭載前倉直排管分析

常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)搭載前倉直排管路（圖5），在原有常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)基礎(chǔ)上增加一根前倉直排管，該前倉直排管與氣墊直排式排漿管位置不同，在豎直方向比氣墊直排式排漿管高約0.5m，在左右方向上偏離約1.5m，偏離距離隨盾體直徑不同存在一定的差異。

圖5 常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)搭載前倉直排管功能原理

該類型泥水盾構(gòu)排渣具有兩種模式，一種常規(guī)氣墊式泥水排渣方式，此模式是主用模式（圖6），此模式擁有常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)的所有優(yōu)勢；另一種氣墊直排式泥水排渣方式，此模式是輔助模式（圖7），擁有氣墊直排式泥水盾構(gòu)的功能，但與單純的氣墊直排式泥水盾構(gòu)相比，性能略有下降，但在處理突發(fā)地質(zhì)工況及長距離掘進(jìn)異常風(fēng)險時，多了一道備用措施。由于常規(guī)氣墊式泥水搭載了前倉直排管，前倉直排管占用了空間，造成氣墊倉底部和中盾底部擁擠，長距離掘進(jìn)維護(hù)有一定的空間限制。

圖6 主用模式-常規(guī)掘進(jìn)

圖7 輔助模式-前倉直排掘進(jìn)

7 結(jié)語

中俄東線天然氣管道盾構(gòu)穿越工程穿越的地質(zhì)主要以淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂及中砂等為主，無大的渣塊，渣漿流動性相對較好，倉內(nèi)滯排概率小，從這個角度分析，常規(guī)氣墊式和氣墊直排式盾構(gòu)都可以選用。

由于盾構(gòu)穿越距離長，埋深較大，穿越區(qū)域為千年航道，不排除存在異物。從壓力自平衡、應(yīng)對“高水壓+壓力波動”次生風(fēng)險及處理異物能力角度來評比，常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)更具有優(yōu)勢。

為了提高盾構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)性，提高應(yīng)對突發(fā)地質(zhì)工況及長距離掘進(jìn)異常風(fēng)險，在防治泥餅、降低積渣滯排概率和增加設(shè)備可靠性方面考量，中俄東線盾構(gòu)工程選用常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)搭載前倉直排功能機(jī)型更合適。

上文對直排式泥水盾構(gòu)、常規(guī)氣墊式泥水盾構(gòu)、氣墊直排式泥水盾構(gòu)及復(fù)合型泥水類盾構(gòu)的功能進(jìn)行對比分析，為泥水類盾構(gòu)的選型提供關(guān)鍵要點，也為類似工程泥水盾構(gòu)的選型設(shè)計及施工提供借鑒。