韓奉昌

摘要：為了解決海瑞克S-679盾構(gòu)機武漢復合地層采用土壓平衡盾構(gòu)機掘進刀盤容易結(jié)泥餅的問題，通過對原有泡沫系統(tǒng)和膨潤土系統(tǒng)進行改造，解決了推進過程中由于渣土含水量不足、渣土流動性差，渣土溫升快，土艙溫度高，導致易結(jié)泥餅、推進效率低下的問題。

關鍵詞：土壓平衡盾構(gòu)機;泡沫系統(tǒng);膨潤土系統(tǒng)

0引言

在我國由于經(jīng)濟建設的蓬勃發(fā)展，各種運輸量增加很快，特別是市內(nèi)客運量成倍或成幾十倍的增長，加上城市基礎設施建設相對滯后，導致公共交通問題越來越突出，嚴重的影響了經(jīng)濟建設的進程。另外，由于城市內(nèi)部建筑物密度大，特別是老城區(qū)，各種建筑物、構(gòu)造物比比皆是，城市里的剩余空間越來越小，舊城改建十分困難。因此，發(fā)展地下鐵道及輕軌交通越來越受到政府的重視。

隨著我國越來越多的城市進行地鐵、隧道、綜合管廊施工，盾構(gòu)機的使用也越來越廣泛，盾構(gòu)機根據(jù)工作方式和出渣方法分為：泥水氣壓平衡，土壓平衡，敞開是硬巖掘進，土壓平衡和敞開硬巖雙模式以及超大直徑環(huán)形管預挖盾構(gòu)，前三種目前在隧道開挖中用的很普及，其中土壓平衡盾構(gòu)機使用較多。為了適應復合地層的推進，盾構(gòu)機均配備了渣土改良系統(tǒng)，主要由泡沫系統(tǒng)和膨潤土系統(tǒng)構(gòu)成，泡沫劑和膨潤土作為渣土改良介質(zhì)，在盾構(gòu)機掘進過程與渣土混合在一起，提高了渣土流動性和塑性，可以降低刀盤扭矩，減少刀具磨損，冷卻渣溫，防止渣土黏附壓實。

目前海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機標配的渣土改良系統(tǒng)由泡沫系統(tǒng)和膨潤土系統(tǒng)組成，泡沫系統(tǒng)由泡沫罐、泡沫泵、6條泡沫管路、流量計、泡沫發(fā)生器、控制面板組成，其中5條泡沫管路直接連接到刀盤上的F1、F2、F3、F4、F5號泡沫噴頭，1條泡沫管路連接在螺旋機上，分別采用6個1.5kW泡沫泵（流量為180L/min）供混合液，共同采用1個0.37kW泡沫泵（流量為5L/min）供應泡沫;膨潤土系統(tǒng)由膨潤土罐、膨潤土泵、6條膨潤土管路組成，由1個5.5kW膨潤土泵（流量為10m3/h）供應膨潤土，膨潤土管路在連接橋上與泡沫管路混合，泡沫系統(tǒng)與膨潤土系統(tǒng)可單獨使用也可同時使用。

該渣土改良系統(tǒng)可通過混合水、空氣、發(fā)泡劑和膨潤土，并設定發(fā)泡率FER和注入率FIR，自動在推進過程中向土倉加入泡沫劑和膨潤土。原液配比一般選用2%～5%，發(fā)泡倍率FER一般選擇8～20，泡沫注入率FIR一般選擇20%～70%，該系統(tǒng)適應大多數(shù)復合地層。

1 問題現(xiàn)狀

武漢地鐵6號線二期工程01標地層主要為：粉質(zhì)粘土、粘土、粉細沙混粉質(zhì)粘土，透水性差，使用過程中易出現(xiàn)管路堵塞及發(fā)泡效果不好的現(xiàn)象，為了提高整個泡沫系統(tǒng)運行可靠性，對泡沫系統(tǒng)進行單管單泵的改造。

1.1原泡沫系統(tǒng)組成

泡沫系統(tǒng)由泡沫原液箱、泡沫原液泵、水泵、流量計、壓力傳感器、安全閥、減壓閥、單向閥、電動調(diào)節(jié)閥、壓力表、泡沫發(fā)射器及連接管路等組成。

1.2原泡沫系統(tǒng)原理

泡沫原液泵將泡沫劑從泡沫原液箱中泵出，并與水按照設置參數(shù)的比例混合成溶液。混合溶液被分成五路，分別通過電磁調(diào)節(jié)閥與流量計后到達泡沫發(fā)生器，在泡沫發(fā)生器中與壓縮空氣混合產(chǎn)生泡沫，泡沫溶液和壓縮空氣的混合比例也按照設置參數(shù)進行混合。發(fā)泡好的泡沫分別輸送到刀盤、土倉、螺旋機。

1.3原泡沫系統(tǒng)存在的弊處

（1）因泡沫原液與水只是在交匯管路處混合，混合不充分，會導致泡沫系統(tǒng)發(fā)泡效果不佳，影響渣土改良效果。

（2）因1臺水泵與1臺泡沫泵同時供給5路泡沫進行使用，當某條管路阻力較大時，泡沫將分流至阻力較小的管路，這就容易造成阻力大的管路加劇阻塞，最終影響渣土改良效果。

2.泡沫系統(tǒng)單管單泵改造原理

2.1將原盾構(gòu)機泡沫系統(tǒng)5路泡沫共用泵的注入方式改造成5路單管單泵注入方式。（螺旋機管路由第五路過來），每一路泡沫混合液均配備單獨的泵，且每臺泵的輸送能力相同、流量通過變頻器可調(diào)節(jié)，每路單管單泵泡沫均可獨立工作，不受土倉壓力，管道阻力的影響，較大程度的避免泡沫管路發(fā)生堵塞的風險。

2.2泡沫系統(tǒng)中原液和水的混合方式由原來的管路中混合變?yōu)樵诨旌弦合渲谢旌?。在不增加泡沫原液消耗的條件下，發(fā)泡效果更好。同時經(jīng)過充分混合后的混合液酸堿度得以稀釋，可以延長泡沫泵的使用壽命。

3.泡沫單管單泵改造方案

3.1 流體部分

◆原泡沫系統(tǒng)原液泵、流量計，水流量計可繼續(xù)使用，增加進水電磁閥等部件。增加1立方混合液罐，配液位傳感器、液位顯示管、放水閥等部件。

◆五路泡沫每路增加一個混合液螺桿泵、安全閥、壓力表等部件。每臺螺桿泵通過單獨的管路連接至橋架的泡沫發(fā)生器。

◆泡沫發(fā)生器站。氣體部分保持不變，包括進氣減壓閥，五路氣體流量計、電動球閥、單向閥等。液體部分保持每路液體流量計、泡沫發(fā)生器、壓力傳感器、單向閥等不變，取消電動調(diào)節(jié)閥?？刂品绞接稍瓉硗ㄟ^調(diào)節(jié)每一路的電動調(diào)節(jié)閥控制泡沫混合液流量改變?yōu)橥ㄟ^調(diào)節(jié)每一路螺桿泵頻率控制混合液的流量。膨潤土系統(tǒng)依然保持在此位置接入泡沫系統(tǒng)。

◆經(jīng)泡沫發(fā)生器發(fā)泡后的泡沫，管路可連接至回轉(zhuǎn)接頭，土艙壁，盾體外壁，螺旋機等不同區(qū)域。

3.2 結(jié)構(gòu)部分

◆泡沫混合液站。保留原泡沫桶支架，在附近臺車空余位置增加1個1立方的混合液罐以及螺桿泵支架。

◆盾體部分。如保持5路泡沫管路不變，則回轉(zhuǎn)接頭等結(jié)構(gòu)無需變動。

◆刀盤部分。如保持刀盤上1分2，8個泡沫噴嘴不變，則無需變動。

◆螺旋機部分。5路單管單泵其中1路直接供給螺旋機

3.3.電氣部分

◆直接破解plc程序，導入單管單泵程序，在原有PDV電腦上顯示包括遠程/本地控制切換按鈕、模式按鈕、每路泡沫的選擇、每路泡沫流量、壓力顯示，泵運行狀態(tài)，故障顯示，泡沫系統(tǒng)參數(shù)設置等。

◆增加一個電柜，用于安裝開關，變壓器，繼電器，PLC模塊，混合液螺桿泵變頻器等部件。電柜面板增加原液泵及混合液螺桿泵啟動/停止按鈕及電位計，在調(diào)試或者故障檢修時，可直接在本地進行操作。在操作室電腦上可進行遠程/本地控制切換。

◆在原配電柜增加一個保護斷路器，做為整個系統(tǒng)供電開關，與其他系統(tǒng)獨立。

4.泡沫系統(tǒng)改造后運行效果

泡沫原液與水在混合箱中充分混合，泡沫混合液泵只針對單個管路，能夠有效的防止主入口因壓力不均而產(chǎn)生的堵塞現(xiàn)象，同時每個管路上均安裝有流量計、壓力傳感器，由PLC、變頻器、工控機協(xié)調(diào)控制，能夠?qū)ψ⑷肱菽瓑毫土髁窟M行準確的、實時的控制和顯示，對盾構(gòu)機掘進過程中渣土改良，控制土壓平衡和防止刀盤結(jié)泥餅起到良好的輔助作用。改造后的泡沫系統(tǒng)通過5路螺桿泵實現(xiàn)“單管單泵”泡沫注入，每臺排量為30L/min。

5.結(jié)論

1） 通過對泡沫系統(tǒng)的改造，渣土改良良好，利于開挖面的穩(wěn)定，控制地表沉降。提高了渣土的不透水性，使渣土具有較好的止水性，控制了地下水的流失。降低了刀盤扭矩和螺旋輸送機的扭矩，同時減少對刀具和螺旋輸送機的磨損，提高了推進速度，盾構(gòu)在粘性土層長距離掘進而不結(jié)泥餅，確保了施工安全，從而提高了盾構(gòu)機的掘進效率。

2）通過實際工程應用，證明本泡沫系統(tǒng)的管路配置、泡沫發(fā)生器參數(shù)的選定、控制系統(tǒng)的設計是合理可行的，通過本次使用、總結(jié)、改進，為后續(xù)土壓平衡盾構(gòu)機改造積累了經(jīng)驗。

本系統(tǒng)僅對注入系統(tǒng)，控制系統(tǒng)進行了研究，后續(xù)控制部件的選用還有待比較。

參考文獻

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