熊棟棟 陳祥龍

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，430040，武漢;2.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，430040，武漢;3.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430040，武漢∥第一作者，工程師)

城市軌道交通項(xiàng)目通常建設(shè)在城市鬧市區(qū)或者建筑密集地帶，不可避免地面臨施工場(chǎng)地受到限制的問(wèn)題。尤其是對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)施工而言，始發(fā)階段的渣土運(yùn)輸問(wèn)題顯得頗為棘手。目前急需尋求一種既簡(jiǎn)便又安全的分體始發(fā)渣土運(yùn)輸工藝。

文獻(xiàn)［1］為了能將盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)階段的渣土順利運(yùn)出，將出土水平運(yùn)輸方式分為3個(gè)階段:第1階段——利用卷?yè)P(yáng)機(jī)和小土斗進(jìn)行前10 m的棄土水平運(yùn)輸;第2階段——利用半截皮帶機(jī)、電瓶車和小土斗進(jìn)行25 m的棄土水平運(yùn)輸;第3階段——當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)距離滿足皮帶機(jī)整體長(zhǎng)度時(shí)，采用正常的盾構(gòu)渣土運(yùn)輸系統(tǒng)出渣。文獻(xiàn)［2］同樣將渣土運(yùn)輸按照始發(fā)井及隧道內(nèi)可利用的空間分3階段進(jìn)行設(shè)計(jì):負(fù)環(huán)管片施工階段采用小土斗進(jìn)行出渣，卷?yè)P(yáng)機(jī)作牽引，汽車吊配合進(jìn)行吊運(yùn);盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入隧道后，前30 m的掘進(jìn)范圍采用容量為4 m3的渣土箱運(yùn)送渣土，渣土箱由卷?yè)P(yáng)機(jī)作牽引、龍門吊吊出;隨著掘進(jìn)距離的增大，采用列車編組進(jìn)行運(yùn)輸，通常采用渣土車出渣、電瓶車水平牽引、龍門吊吊出的渣土運(yùn)輸工藝。

由此可見(jiàn)，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)階段的渣土運(yùn)輸方式通常是利用電瓶車或卷?yè)P(yáng)機(jī)以及汽車吊或龍門吊來(lái)回多次地倒運(yùn)小土斗來(lái)進(jìn)行的，且需要隨著可利用施工空間的增加而分階段地進(jìn)行工藝和設(shè)備的切換。該渣土運(yùn)輸方式施工操作難度大、工藝銜接繁瑣，嚴(yán)重制約了盾構(gòu)機(jī)始發(fā)階段的施工效率;過(guò)于頻繁的渣土水平、垂直運(yùn)輸還增加了渣土運(yùn)輸過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

吉隆坡地鐵MRT 2號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“MRT 2號(hào)線”)地下段B標(biāo)區(qū)間盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)階段，因場(chǎng)地限制，盾構(gòu)掘進(jìn)渣土運(yùn)輸受到極大限制。該工程的地勘資料顯示:盾構(gòu)機(jī)試掘進(jìn)階段開(kāi)挖范圍內(nèi)的地質(zhì)主要由砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)砂土等土質(zhì)構(gòu)成，地層中的黏粒含量適當(dāng)，土倉(cāng)渣土經(jīng)改良以及加水稀釋、攪拌后，具有良好的攜渣性能和可泵送性能。為此，提出采用渣土泵送技術(shù)來(lái)解決盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)掘進(jìn)階段的渣土運(yùn)輸難題，將常規(guī)混凝土拖泵(見(jiàn)圖1)安裝于盾構(gòu)機(jī)1號(hào)臺(tái)車內(nèi)部，在盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)期間，利用混凝土拖泵及配套的泵管等設(shè)備將螺旋機(jī)排出的渣土經(jīng)過(guò)稀釋、攪拌處理后直接泵送至地面渣土坑。通過(guò)這種創(chuàng)造性的分體始發(fā)渣土運(yùn)輸工藝，順利完成了試掘進(jìn)階段共計(jì)71環(huán)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的出渣工作。

圖1 混凝土拖泵安裝在盾構(gòu)機(jī)1號(hào)臺(tái)車內(nèi)Fig.1 Concrete pump installed in shield machine No.1 trolley

1 泵送出渣設(shè)備的構(gòu)造

混凝土拖泵是泵送出渣的主要設(shè)備，主要由料斗、攪拌機(jī)、分配閥和液壓泵送系統(tǒng)等構(gòu)件組成［3］。混凝土拖泵的選型需考慮其尺寸的適用性、泵送能力及速度的適用性，以及料斗的篩分及攪拌系統(tǒng)與地層的適應(yīng)性等3個(gè)因素。

1.1 設(shè)備尺寸的適用性

本項(xiàng)目選用的混凝土拖泵尺寸為6.8 m×1.6 m×1.8 m(長(zhǎng)度×寬度×高度)。始發(fā)階段將其安裝在MRT 2號(hào)線地下段B標(biāo)區(qū)間上行線海瑞克S-778雙模盾構(gòu)機(jī)(掘進(jìn)期間僅采用土壓平衡模式)1號(hào)后配套臺(tái)車內(nèi)部。1號(hào)臺(tái)車內(nèi)部框架在拆除了泥水模式下的碎石機(jī)、泥水泵及泵管的設(shè)備之后，空余的空間尺寸為11 m(長(zhǎng)度)×1.9 m(寬度)×2.2 m(高度)，因此設(shè)備在空間上完全滿足要求。

1.2 設(shè)備性能的適用性

混凝土拖泵泵送渣土的速度直接決定了試掘進(jìn)階段盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度。拖泵泵送壓力分為13 MPa和7 MPa兩檔。經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目泵送出渣所需最大出口泵送壓力為6.11 MPa，故所選拖泵性能滿足要求。出口泵送壓力為7 MPa時(shí)，混凝土拖泵最大理論泵送速度為70 m3/h，對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)掘進(jìn)速度約為20 mm/min，可滿足盾構(gòu)機(jī)試掘進(jìn)期間的施工效率要求。

1.3 料斗篩網(wǎng)的適用性

混凝土拖泵料斗設(shè)置有篩網(wǎng)，可將螺旋機(jī)排出的渣土進(jìn)行過(guò)濾。篩網(wǎng)的格柵尺寸為40 mm，既可以過(guò)濾掉粒徑為40 mm以上的碎石等雜物，防止其堵塞分配閥或泵管，提高泵送效率;又可確保渣土塑性偏大時(shí)仍可順利通過(guò)篩網(wǎng)，以免渣土在篩網(wǎng)上堆積，影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)施工效率。

泵管型號(hào)為DN 125 mm，單節(jié)長(zhǎng)度為3 m，允許最大顆粒粒徑為40 mm。泵管經(jīng)過(guò)拖泵的分配閥出來(lái)之后再經(jīng)過(guò)2個(gè)90°變接頭，沿著拖泵底部向臺(tái)車后部布置，在3號(hào)臺(tái)車尾部安裝軟管;盾構(gòu)機(jī)每前進(jìn)2環(huán)，在軟管后端進(jìn)行管道的延伸。泵管布置如圖2所示。

圖2 泵管的布置圖Fig.2 Layout of the pump pipe

軟管后部的管路固定在臺(tái)車軌道外側(cè)，并一直延伸至始發(fā)井外70 m處。通過(guò)90°彎頭以及支架固定，將管路最終豎直延伸至地面，且車站每層結(jié)構(gòu)板均設(shè)置支架對(duì)豎直管路進(jìn)行固定。水平管路的最大長(zhǎng)度約195 m，豎直管路長(zhǎng)約28 m。

高壓注水環(huán)(見(jiàn)圖3)是1節(jié)沿內(nèi)壁環(huán)向布置有4路高壓水管的特殊管路。渣土泵送期間，可通過(guò)高壓水泵沿著注水環(huán)內(nèi)壁環(huán)向噴射高壓水，最高壓力達(dá)20 MPa，在注水環(huán)內(nèi)壁形成環(huán)向水箍，起到減小泵管內(nèi)壁摩擦阻力、增加渣土含水量的作用，有助于提高渣土在泵管中的可泵性。

圖3 高壓注水環(huán)Fig.3 High pressure water injection ring

2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)出渣的施工工藝流程

2.1 步驟1

為滿足盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)出渣可泵送的要求，始發(fā)前，在始發(fā)井區(qū)域的隧道開(kāi)挖范圍內(nèi)取土進(jìn)行試掘進(jìn)階段渣土改良試驗(yàn)，確定試掘進(jìn)期間的渣土改良配比。試掘進(jìn)期間，土倉(cāng)內(nèi)的渣土按照泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、泡沫膨脹倍率為1∶7、泡沫注入率為20%的配比進(jìn)行渣土改良。改良之后的渣土塌落度為180 mm。通過(guò)葉片剪切試驗(yàn)(見(jiàn)圖4)測(cè)出渣土的剪切強(qiáng)度為1.47 kPa，處于可泵送的范圍(1～2 kPa)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間，若碰到含水量小或者土質(zhì)較硬的地層時(shí)，要適當(dāng)增大泡沫注入流量、泡沫溶液濃度或膨脹倍率等參數(shù)，以保證改良渣土的效果;若遇到含水量大或者土質(zhì)較松散的地層時(shí)，適當(dāng)減小相關(guān)泡沫改良參數(shù)。

圖4 葉片剪切試驗(yàn)Fig.4 Blade shear test

泡沫參數(shù)調(diào)整的原則為:調(diào)整頻率不宜過(guò)快，通常調(diào)整了泡沫參數(shù)后幾分鐘才能初步起效，完全起效通常需時(shí)間更久。這是因?yàn)榕菽饕糜诟牧颊陂_(kāi)挖或剛從掌子面開(kāi)挖下來(lái)的土體，對(duì)土倉(cāng)內(nèi)已開(kāi)挖渣土的作用較小。因此，調(diào)整泡沫參數(shù)時(shí)，原先開(kāi)挖的渣土仍然占據(jù)土倉(cāng)，盾構(gòu)相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)變化只能隨著新配比改良后的渣土將舊渣土從土倉(cāng)置換出去的程度而逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。

2.2 步驟2

土倉(cāng)內(nèi)經(jīng)過(guò)改良的渣土通過(guò)螺旋機(jī)后閘門排出，直接排到其下部的混凝土拖泵料斗上。料斗上接1根水管，掘進(jìn)期間往料斗內(nèi)加水對(duì)排出的渣土進(jìn)行稀釋，使之更適合于泵送，水流量根據(jù)渣土的干稀程度進(jìn)行調(diào)整。掘進(jìn)期間在混凝土拖泵料斗處安裝1個(gè)攝像頭，將信號(hào)連到主機(jī)室，使主司機(jī)在掘進(jìn)期間可實(shí)時(shí)觀察螺旋機(jī)所出渣土的改良效果以及料斗上渣土的堆積情況，如發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度與混凝土拖泵泵送速度不匹配時(shí)，可及時(shí)調(diào)整螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速以及螺旋機(jī)后閘門張開(kāi)量，減少螺旋機(jī)出土量;若發(fā)現(xiàn)料斗堆滿，則可立即關(guān)閉螺旋機(jī)后閘門，停止掘進(jìn)，待料斗內(nèi)渣土清空之后再恢復(fù)掘進(jìn)。

2.3 步驟3

從料斗格柵篩分下來(lái)的渣土和外加水經(jīng)攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢柚螅瑢?shí)現(xiàn)渣土第2次流塑性改良，并隨即被泵送至管路中，經(jīng)過(guò)混凝土拖泵下方高壓注水環(huán)的潤(rùn)滑和稀釋作用，沿著管路一直被泵送至地面。從料斗格柵過(guò)濾出的石塊、玻璃纖維筋等則通過(guò)人工進(jìn)行清除。

2.4 步驟4

為了計(jì)量盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)每環(huán)出土方量，渣土泵送至地面后，首先流入渣土斗(見(jiàn)圖5)內(nèi)。當(dāng)1個(gè)渣土斗即將盛滿時(shí)，工人立即將渣土泵軟管切換至另1個(gè)渣土斗上方繼續(xù)出土，確保泵送出土施工不會(huì)因?yàn)閾Q渣土斗而中斷。裝滿的渣土斗通過(guò)龍門吊傾倒至渣土坑內(nèi)。盾構(gòu)機(jī)試掘進(jìn)期間，前39環(huán)范圍內(nèi)每環(huán)平均出渣7斗，出渣量為100 m3左右;第40～71環(huán)范圍內(nèi)，為了稀釋硬塑黏土，大幅提升清水注入量，每環(huán)平均出渣10斗，出渣量為150 m3左右。

圖5 地面渣土斗Fig.5 Duck bucket used for muck measurement on the ground

2.5 步驟5

為了提高渣土的可泵送性，渣土需較大的含水量，因而需在地面渣土坑設(shè)置隔膜泵。待排至渣土坑的渣土沉淀后，利用隔膜泵將渣土坑內(nèi)的水及時(shí)抽排至場(chǎng)地內(nèi)的污水處理系統(tǒng)(見(jiàn)圖6)，經(jīng)處理后排至市政管道。

圖6 污水處理系統(tǒng)Fig.6 Sewage treatment system

3 混凝土拖泵的泵送壓力計(jì)算

混凝土拖泵投入使用前，需通過(guò)理論論證拖泵泵送出土的可行性。對(duì)混凝土拖泵的泵送能力進(jìn)行了計(jì)算及驗(yàn)證。

經(jīng)計(jì)算可得，單位長(zhǎng)度水平管路的泵送壓力損失量ΔP1為:

其中:

式中:

k1——粘著系數(shù)，Pa;

S——泵送料塌落度，mm;

d——泵管的內(nèi)徑，mm;

k2——泵送速度系數(shù)，Pa/(m/s);

t2——混凝土拖泵分配閥切換時(shí)間，s;

t1——活塞推壓泵送料時(shí)間，s;

V2——泵送料在輸送管內(nèi)的平均速度，m/s;

a2——徑向壓力與軸向壓力之比。

式(1)中，S取180 mm，可得k1為100 Pa，k2為200 Pa/(m/s);d取125 mm，t2/t1取0.3，V2取0.63 m/s，a2取0.95，可得ΔP1為0.01 MPa。

根據(jù)JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，豎直管路、彎頭及軟管可等效為一定長(zhǎng)度的水平管路。本項(xiàng)目中泵送出渣等效水平管路總長(zhǎng)度如表1所示。

表1 泵送出渣等效水平管路總長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Tab.1 Overall length of equivalent horizontal pipeline of muck pumping

經(jīng)計(jì)算，泵送出渣等效水平管路的總長(zhǎng)度為491 m，單位長(zhǎng)度水平管路的泵送壓力損失量為0.01 MPa，混凝土拖泵啟動(dòng)壓力損耗及分配閥壓力損耗為1.2 MPa。由此可得，管路總的泵送壓力損失量為6.11 MPa，小于7 MPa。因此，本項(xiàng)目混凝土拖泵的泵送壓力滿足要求。

4 工效分析

MRT 2號(hào)線地下段B標(biāo)區(qū)間上行線試掘進(jìn)第1～71環(huán)采用渣土泵送技術(shù)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)出渣，總體工期為30 d。受設(shè)備故障頻繁、管片拼裝和注漿等操作不熟練、工序安排不合理等影響，日均完成量為2.37環(huán)，但仍超出日均2環(huán)的計(jì)劃完成量。

區(qū)間上行線從移除混凝土拖泵開(kāi)始至負(fù)環(huán)管片和反力架拆除、道岔安裝之前，試掘進(jìn)段的盾構(gòu)出渣方式已改用了常規(guī)的皮帶機(jī)+單列電瓶車編組+龍門吊垂直運(yùn)輸?shù)男问?從第72環(huán)掘進(jìn)至第93環(huán)，共計(jì)22環(huán)，歷時(shí)10 d，日均完成2.2環(huán)＜2.37環(huán)，可見(jiàn)試掘進(jìn)期間采用拖泵出渣方式的工效優(yōu)于常規(guī)出渣方式。

5 泵送出渣施工階段遇到的問(wèn)題

5.1 黏粒含量較小的地層易發(fā)生堵管

盾構(gòu)機(jī)試掘進(jìn)期間偶爾會(huì)遇到砂性土地層。由于渣土中黏粒含量少，為了保證渣土的可泵性，必須多加水，使渣土更稀。遇到這種地層必須盡量保證連續(xù)泵送［4］，一旦泵送中斷，渣土中的部分砂土、碎石會(huì)發(fā)生離析而滯留在泵管內(nèi);當(dāng)泵送中斷次數(shù)增多時(shí)，離析的砂土、碎石逐漸增多、聚集，導(dǎo)致堵管的發(fā)生。

5.2 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)穿越地連墻階段的出渣方式

盾構(gòu)機(jī)穿越地連墻期間，含有大量粒徑為30～50 mm的混凝土塊和長(zhǎng)達(dá)數(shù)10 cm的玻璃纖維筋的渣土從螺旋機(jī)出閘口排出并大量堆積在料斗上，導(dǎo)致混凝土拖泵基本無(wú)法使用;部分通過(guò)格柵的渣土也極易造成堵管。最終只能通過(guò)在混凝土拖泵料斗上焊溜槽將渣土排至臺(tái)車左側(cè)的走道板上，利用人工清理至臺(tái)車旁邊的小土斗上，再利用吊車吊運(yùn)出土。

5.3 硬塑黏土地層掘進(jìn)問(wèn)題

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至第50環(huán)后，地層逐漸變硬，土性變黏。為控制地面沉降，業(yè)主要求第50～71環(huán)的土倉(cāng)壓力須控制在270～280 kPa。盾構(gòu)機(jī)采用半倉(cāng)掘進(jìn)模式，雖可以減小推力，提高掘進(jìn)速度，但由于土倉(cāng)壓力值較高，用氣來(lái)保壓，土倉(cāng)壓力極不穩(wěn)定，施工風(fēng)險(xiǎn)比較大。因此，盾構(gòu)機(jī)只能采用土倉(cāng)內(nèi)近于滿倉(cāng)的方式掘進(jìn)。

土倉(cāng)壓力越高，掌子面作用于刀盤的反力越大;土倉(cāng)內(nèi)渣土越滿，渣土作用于盾構(gòu)機(jī)倉(cāng)壁的反力越大［5］。因此，盾構(gòu)機(jī)推力可由1 400 t上升至1 800 t以上。地層黏性較大，在高推力和高壓力的擠壓作用下，切削下來(lái)的土體更難以被打散，難以與泡沫充分混合［6］，泡沫內(nèi)的氣體聚集起來(lái)，逐漸在土倉(cāng)內(nèi)形成氣腔。因此，土倉(cāng)內(nèi)的渣土改良效果差、渣土塑性較大，導(dǎo)致混凝土拖泵泵送能力下降，同時(shí)也限制了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度;盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度較慢，土倉(cāng)內(nèi)渣土流通速度緩慢，導(dǎo)致渣土在土倉(cāng)內(nèi)部堆積，以及渣土和易性降低［7］，從而進(jìn)一步限制了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率。經(jīng)綜合分析，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度基本被限制在12 mm/min以內(nèi)。

6 結(jié)語(yǔ)

1)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)始發(fā)階段的出渣全過(guò)程均無(wú)需皮帶機(jī)和電瓶車的水平運(yùn)輸以及龍門吊垂直運(yùn)輸，簡(jiǎn)化了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)試掘進(jìn)期間的出渣工序，大大縮短了龍門吊、電瓶車、皮帶機(jī)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，節(jié)約了設(shè)備維修保養(yǎng)的成本和時(shí)間，減少了相關(guān)設(shè)備和工序的人力投入，也避免了渣土斗水平、垂直運(yùn)輸中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)速度要求較高的工程，可選擇額定功率更高、單位時(shí)間泵送速度更大、料斗容積更充足，以及攪拌能力更強(qiáng)大的泵送設(shè)備。

3)泵管堵管多數(shù)發(fā)生在始發(fā)井區(qū)域，采用泵送出渣工藝進(jìn)行長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)，可在始發(fā)井增設(shè)中繼泵，確保渣土長(zhǎng)距離泵送性能。

4)在混凝土拖泵額定功率一定的情況下，土倉(cāng)內(nèi)的渣土改良效果是決定泵送出渣期間盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率的關(guān)鍵。因此，采用泵送工藝進(jìn)行出渣時(shí)，需按實(shí)際地層狀況控制土倉(cāng)壓力，使其與掌子面壓力相匹配，以改善渣土改良效果，提高泵送出土效率。

5)渣土泵送工藝主要適用于黏粒含量約為15%～20%的土層，其經(jīng)過(guò)加水稀釋后具有良好的攜渣能力和潤(rùn)滑效果，具備良好的可泵性，泵送出渣速度快且過(guò)程流暢。對(duì)于黏粒含量較大的地層，應(yīng)重點(diǎn)控制盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)渣土改良效果;對(duì)于黏粒含量較小的土層(黏粒含量＜15%～20%)，可適當(dāng)增大渣土含水量，注意保持連續(xù)泵送，避免堵管;對(duì)于純砂、砂卵石、巖石等地層，則不建議使用該工藝。因此，施工前應(yīng)注意做好地層渣樣分析，以確定渣土泵送工藝的適用性。