郭守志

(中鐵十四局大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 210000)

1 引言

當前，盾構(gòu)法施工已廣泛應用于城市軌道交通領域，并向著大埋深、大斷面、長距離方向發(fā)展[1]。渣土滯排是盾構(gòu)施工過程中常見問題之一。竺維彬等[2-3]基于工程實踐經(jīng)驗對盾構(gòu)施工滯排的分類、風險、原因及對策等進行總結(jié)和分析，提出泥水盾構(gòu)施工滯排分為刀盤前滯排、泥水艙內(nèi)滯排、出渣系統(tǒng)排泥管滯排，并給出響應解決措施。滯排可導致盾構(gòu)機械部件損壞、盾構(gòu)掘進困難、擠壓或超挖土體，甚至引發(fā)塌方或隆起等事故。而滯排的渣土會引起盾構(gòu)掘進參數(shù)，尤其是泥水參數(shù)的異常，泥水循環(huán)系統(tǒng)管路(特別是彎管和格柵)一旦被堵塞，會出現(xiàn)瞬間高壓，高壓力泥水會形成“水錘”破壞掌子面平衡[4-5]。

本文依托盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，利用數(shù)據(jù)分析泥水盾構(gòu)滯排原因及解決措施，構(gòu)建滯排預警模型并在實際項目中進行驗證。

2 基于泥水系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)的滯排現(xiàn)象描述

以南京某過江通道工程項目為例，通過泥水系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)對滯排現(xiàn)象進行描述。

該工程管片外徑為14.5 m，采用泥水平衡盾構(gòu)機施工，穿越地層可分為全基巖斷面、土巖復合斷面。其中江北和穿江段以土層為主，江南段主要為泥質(zhì)砂巖、含礫砂巖、砂礫巖、角礫巖，巖石強度差異大，局部發(fā)育破碎。角礫巖的礫石成分中含灰?guī)r；中風化泥質(zhì)砂巖為軟巖；中風化含礫砂巖、砂礫巖為軟巖、較軟巖；中風化角礫巖為較硬巖。各巖層全～強風化帶較發(fā)育，厚度不等，均具有易軟化崩解的特性。

2.1 非滯排狀態(tài)

根據(jù)泥水盾構(gòu)施工平衡經(jīng)驗公式[6-10]:

式中:Paxe為開挖艙軸部支撐壓力；Pair為氣泡艙氣體壓力；ρ為泥漿密度；g為重力加速度；H為氣泡艙液位；R為盾構(gòu)半徑。

故當氣泡艙液位為0時，氣泡艙壓力≈(略大于)開挖艙軸部壓力≈(略大于)開挖艙頂部壓力＋開挖直徑×0.5/10 bar(泥漿密度大于1，重力加速度取10)。施工過程中氣泡艙液位會有所波動，不能時刻維持在0位，但各壓力數(shù)值變化趨勢相對穩(wěn)定，如圖1所示。

圖1 非滯排狀態(tài)泥水系統(tǒng)壓力變化情況

圖1為1～893環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)，掘進過程中無明顯滯排現(xiàn)象，泥水系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)符合盾構(gòu)施工平衡原理；隨著隧道埋深和穿越構(gòu)筑物變化情況泥水壓力數(shù)據(jù)呈上升趨勢，但總體表現(xiàn)為相對平行的穩(wěn)定關系。

2.2 開挖艙滯排

開挖艙滯排會打破原有的相對穩(wěn)定關系，使得開挖艙內(nèi)各項壓力值變大，如圖2所示。

圖2 開挖艙滯排狀態(tài)泥水系統(tǒng)壓力變化情況

圖2為935～946環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)，掘進過程中，945環(huán)存在一定滯排現(xiàn)象，導致開挖艙軸部壓力波動較大，且明顯高于氣泡艙壓力；開挖艙頂部壓力也隨之變大。

2.3 泥水艙格柵處滯排

泥水循環(huán)系統(tǒng)格柵擁堵時，盾構(gòu)機排漿泵吸口壓力會驟降甚至可能形成負壓，如圖3所示。

圖3 泥水艙格柵處滯排P2.1排漿泵吸口壓力變化情況

圖3為935～946環(huán)P2.1排漿泵吸口壓力數(shù)據(jù)。同上，945環(huán)存在滯排現(xiàn)象，格柵處滯堵，排漿泵吸口壓力明顯下降。

3 基于泥水系統(tǒng)壓力差變化的滯排預警模型

一般來講，氣泡艙配備保壓系統(tǒng)，其壓力值較穩(wěn)定，故取氣泡艙壓力作為基準壓力。另由上述內(nèi)容可知，滯排現(xiàn)象的發(fā)生可能會導致開挖艙壓力上升以及P2.1排漿泵吸口壓力的下降。通過比較氣泡艙壓力與開挖艙壓力及排漿泵吸口壓力，基于兩個壓力差的變化情況，可從一定程度上反映泥水系統(tǒng)滯排現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 基于泥水系統(tǒng)壓力差變化的滯排現(xiàn)象描述

從圖4可以看出，滯排現(xiàn)象發(fā)生時，氣泡艙壓力與開挖艙軸部壓力差值變小、與排漿泵吸口壓力差值變大，兩個壓力差值呈現(xiàn)出明顯的反向變化，這說明泥水艙格柵處以及開挖艙內(nèi)均存在滯排跡象。

3.1 確定滯排模型閾值范圍

根據(jù)式(1)以及連通器原理[11-12]，可得:

式中:Psuction為P2.1排漿泵吸口壓力；Pair為氣泡艙氣體壓力；ρ為泥漿密度；g為重力加速度；H為氣泡艙液位；hc為P2.1排漿泵吸口管路中心相對于盾體底部的安裝高度。

故當氣泡艙液位為0時，氣泡艙壓力-開挖艙軸部壓力≈(略大于)0 bar；另外，氣泡艙壓力-P2.1排漿泵吸口壓力≈(略小于)氣泡艙中心與P2.1排漿泵吸口中心的高度差/10 bar(泥漿密度大于1，重力加速度取10)。該工程盾構(gòu)機兩者的高度差為5.5 m，氣泡艙壓力-P2.1排漿泵吸口壓力≈(略小于)0.55 bar。

對本項目及另外兩個項目滯排現(xiàn)象發(fā)生時兩個壓力差值數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，如表1所示。

表1 泥水系統(tǒng)壓力差值統(tǒng)計分析

3.2 滯排預警模型規(guī)則

首先根據(jù)盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)獲取泥水系統(tǒng)壓力實時數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1結(jié)果，結(jié)合考慮容錯、避免預警信息濫報，取表2閾值作為控制線進行預警。

表2 滯排預警模型規(guī)則

4 基于泥水系統(tǒng)壓力差變化的滯排預警模型應用及驗證

杭州某過江通道項目，管片外徑為14.5 m，主要涉及地層為:砂質(zhì)粉土、粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、粉質(zhì)黏土等，其中各類黏土占比56.05%。

基于上述壓力差變化的盾構(gòu)滯排預警模型，利用盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對杭州項目滯排風險的預警。

如圖5所示，158環(huán)之前，氣泡艙壓力-P2.1排漿泵吸口壓力數(shù)值≥2 bar，但氣泡艙壓力-開挖艙軸部壓力數(shù)值＞-0.5 bar。根據(jù)滯排預警模型，說明存在Ⅱ級滯排風險，且泥水艙格柵處滯堵較為嚴重，但開挖艙內(nèi)無明顯滯排跡象。

圖5 杭州某項目滯排預警模型應用及數(shù)據(jù)驗證

依據(jù)預警信息采取措施[13-14]，將格柵拆除，并對底部淤積渣土進行清理。158環(huán)后滯排現(xiàn)象明顯改善，氣泡艙壓力與P2.1泵吸口壓力差值在1 bar控制線內(nèi)。但推進兩環(huán)后吸口處仍存在一定程度的滯排現(xiàn)象，與其掘進地層情況相關，需采取其他措施進行應對。

5 結(jié)論與討論

(1)本文根據(jù)泥水盾構(gòu)施工平衡原理分析滯排發(fā)生時泥水系統(tǒng)各壓力數(shù)據(jù)的變化情況。

(2)以氣泡艙壓力為基準，依據(jù)開挖艙軸部壓力和P2.1排漿泵吸口壓力差值變化情況，通過統(tǒng)計分析和實踐經(jīng)驗，建立基于壓力差值變化的滯排預警模型。

(3)結(jié)合盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，對杭州某項目滯排風險進行了準確預警，為施工決策提供有力參考。

該滯排預警模型完全基于泥水盾構(gòu)施工平衡原理和壓力變化，未充分考慮不同地質(zhì)情況，因此在工程實際應用中仍需對模型控制閾值進一步調(diào)整，以確保預警準確。另外，滯排現(xiàn)象發(fā)生除使泥水壓力產(chǎn)生變化外，通常還伴隨其他掘進參數(shù)的變化，后續(xù)可融合掘進參數(shù)，進一步提高預警精度。