吳玉禮

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 210000)

1 引言

隨著盾構(gòu)施工技術(shù)不斷發(fā)展，盾構(gòu)掘進(jìn)所穿越地層也越來越多樣化[1]，其中穿海盾構(gòu)隧道地層尤為復(fù)雜[2]。對于盾構(gòu)施工而言，盾構(gòu)掘進(jìn)效率提升一直都是研究的重要領(lǐng)域[3]，如何在不同地層取得較高的掘進(jìn)效率是盾構(gòu)施工難題之一[4-5]。泥水平衡盾構(gòu)在軟土地層掘進(jìn)能取得較高的掘進(jìn)效率，但對于巖層和復(fù)合地層，掘進(jìn)效率往往受到制約[6-7]，盾構(gòu)機(jī)負(fù)荷也隨之增大，可能會出現(xiàn)刀具磨損加快、換刀次數(shù)增多、廢漿量增大等問題[8-10]。因此，如何在此類地層掘進(jìn)施工中，摸索出適合盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)模式顯得尤為重要[11-12]。本文針對廈門穿海盾構(gòu)隧道典型地質(zhì)條件，對泥水平衡盾構(gòu)氣壓輔助模式掘進(jìn)進(jìn)行研究，并分析應(yīng)用效果，以期為后續(xù)類似地層掘進(jìn)施工提供有效參考。

2 工程概況

海滄大道站-東渡路站區(qū)間自海滄大道站起，沿海滄大道向北敷設(shè)，然后以500 m曲線半徑下穿海滄灣公園后入海，經(jīng)大兔嶼穿越廈門西港，于國際碼頭1號泊位上岸，再以350 m曲線半徑下穿郵輪城二期地塊，到達(dá)東渡路站。區(qū)間分為盾構(gòu)段、礦山段兩部分。盾構(gòu)段采用2臺?6 700 mm復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)施工，區(qū)間總長2 800 m，穿越廈門西港海域，海岸線較順直，海滄?zhèn)葹闉┩砍遍g帶，廈門西港主航道靠近廈門島側(cè)，盾構(gòu)隧道覆土厚度為8.7～65.7 m，最高潮位至隧道底部約55 m。所穿越地層主要有軟土地層、斷裂帶、變質(zhì)砂巖、泥巖、孤石群、上軟下硬地層、全斷面硬巖地層。工程平面和地質(zhì)平面見圖1和圖2。

3 研究氣壓輔助模式的原因及條件

結(jié)合區(qū)間施工情況，分析地質(zhì)和掘進(jìn)參數(shù)變化，泥水盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖夾泥巖地層段后，出現(xiàn)了推力上漲、扭矩增大、推進(jìn)速度下降、泥水場預(yù)篩出渣少、廢漿量大等問題。結(jié)合該地質(zhì)氣密性和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，決定采用氣壓輔助模式進(jìn)行掘進(jìn)。泥水分離系統(tǒng)場地布置見圖3。

采用氣壓輔助模式掘進(jìn)的前提條件為地層氣密性良好、開挖面穩(wěn)定、切換后盾構(gòu)穩(wěn)壓系統(tǒng)(Samson)穩(wěn)定、補(bǔ)氣量小于補(bǔ)氣能力的10%(補(bǔ)氣閥開度小于0.7)。

4 氣壓輔助模式定義及切換方法

4.1 氣壓輔助模式定義

利用頂部建倉的平衡管使氣墊倉與開挖倉連通，氣墊倉氣體進(jìn)入開挖倉，開挖倉泥漿在頂部氣壓作用下進(jìn)入氣墊倉，通過環(huán)流將進(jìn)入氣墊倉的泥漿排出。當(dāng)開挖倉漿液與氣墊倉漿液液位一致時，氣墊倉液位不再上漲，平衡管處于開啟狀態(tài)，穩(wěn)壓系統(tǒng)通過平衡管同時對氣墊倉和開挖倉供排氣，此時開挖倉內(nèi)為“泥漿＋氣體”的混合平衡介質(zhì)，在該種狀態(tài)下掘進(jìn)即為氣壓輔助模式，見圖4。

4.2 氣壓輔助模式切換正常泥水平衡模式方法

恢復(fù)正常泥水模式液位時，首先關(guān)閉頂部建倉平衡管氣墊倉側(cè)的閥門，切斷氣墊倉通往開挖倉的氣源；平衡管開挖倉側(cè)閥門保持開啟，打開外部閥門，排放開挖倉頂部的氣體，開挖倉頂部氣體排出后頂部壓力減小，氣墊倉泥漿在氣壓作用下，從底部前閘門向開挖倉補(bǔ)給泥漿，啟動泥漿循環(huán)對氣墊倉液位進(jìn)行補(bǔ)給。當(dāng)平衡管排放氣體管路排出為滿管漿液時，開挖倉恢復(fù)滿倉狀態(tài)，即正常泥水平衡模式。泥水盾構(gòu)開挖倉和氣墊倉見圖5。

5 氣壓輔助模式應(yīng)用數(shù)據(jù)研究

結(jié)合本區(qū)間在穿越大兔嶼風(fēng)井后(694環(huán))，進(jìn)入碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖夾泥巖地層的掘進(jìn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)采用氣壓輔助模式掘進(jìn)效果良好。

區(qū)間掘進(jìn)通過大兔嶼風(fēng)井后(694環(huán)～709環(huán))為開挖倉滿倉模式。此段掘進(jìn)施工，速度控制在6～10 mm/min，最大推力達(dá)2 600 t，泥漿比重上升較快，1～2環(huán)即需調(diào)漿；710環(huán)開始切換為氣壓輔助模式，掘進(jìn)過程速度為25～30 mm/min，推力最高1 600 t，扭矩有所降低。掘進(jìn)推力和速度數(shù)據(jù)見圖6和表1。

表1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)模式對比

6 氣壓輔助模式優(yōu)點(diǎn)分析

通過數(shù)據(jù)對比，氣壓輔助模式掘進(jìn)具有明顯的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)為:

(1)減少渣土粘連刀盤。刀盤上部氣體將水?dāng)D壓出地層，切削下的渣土相對干燥，極大降低了上部切削下的渣土粘附在刀盤上的可能性。

(2)渣土流動性好。上部氣體切削下的渣土直接落入下部泥漿中，減少了渣土懸浮在漿液中的時間，更有利于渣土流動，有效防止渣土堆積在刀盤開口處。

(3)刀盤沖刷效果好。開挖倉的進(jìn)漿在壓縮空氣中的沖刷阻力相較于在泥漿中要小很多，沖刷系統(tǒng)可直接作用于刀盤，能有效防止刀盤結(jié)泥餅。

(4)降低刀盤扭矩。刀盤在壓縮空氣中的旋轉(zhuǎn)阻力比在泥漿中要小很多，且刀盤上渣土堆積少，大大減小了開挖面與刀盤的摩擦阻力，從而能夠有效降低刀盤扭矩，使刀盤有效扭矩增加。

(5)減少廢漿產(chǎn)生。正常模式推進(jìn)速度慢、貫入度小，切削土體不能成塊，大部分溶解在漿液里造成漿液比重上漲，廢漿量增加；氣壓輔助模式推進(jìn)能夠擁有較高的貫入度，從而使切削下的黏性顆粒大部分呈塊狀，泥水設(shè)備更易分離，廢漿量大幅減少。

(6)降低刀盤刀具磨損。由于渣土流動性好，減少了渣土在刀盤前方停留時間，降低了刀具多次切削的可能，且氣壓輔助模式能有效降低開挖倉內(nèi)含渣土的泥漿高度，從而減輕了刀盤和刀具磨損。

(7)提高掘進(jìn)效率。相比開挖倉滿倉模式，氣壓輔助模式掘進(jìn)時扭矩會有效減小，總推力也有所降低，但有效推力及貫入度反而增加，從而掘進(jìn)速度得以提升，掘進(jìn)效率隨之提高。

7 氣壓輔助模式掘進(jìn)風(fēng)險及處理措施

7.1 地層漏氣

地層漏氣風(fēng)險，會造成切口壓力、液位波動較大且難以控制，甚至造成開挖面失穩(wěn)。

盾構(gòu)掘進(jìn)遇到松軟和破碎地層，該類地層氣密性差，會出現(xiàn)地面或水面冒氣現(xiàn)象。針對這種地層應(yīng)安排專人實(shí)時觀察穩(wěn)壓系統(tǒng)(samson系統(tǒng))進(jìn)氣情況，若補(bǔ)氣量達(dá)到補(bǔ)氣能力的20%時，需逐步切換為開挖倉滿倉模式推進(jìn)，待穿越該段地層后，再嘗試切換為氣壓輔助模式。

若發(fā)生開挖面失穩(wěn)，氣墊倉內(nèi)出現(xiàn)液位漲幅波動，且Samson系統(tǒng)補(bǔ)氣量增加，空壓機(jī)氣量不足，應(yīng)立即停止推進(jìn)，切換為開挖倉滿倉模式，并及時補(bǔ)充高質(zhì)量泥漿進(jìn)行護(hù)壁，使開挖面形成泥膜支護(hù)。同時應(yīng)加強(qiáng)氣墊倉循環(huán)，防止大量渣土涌入氣墊倉，造成泥漿環(huán)流困難。高質(zhì)量泥膜如圖7所示。

7.2 開挖倉堆積滯排

開挖倉堆積滯排會導(dǎo)致氣墊倉爆倉風(fēng)險。氣壓輔助模式渣土流動性好，上半部分切削下的渣土很快到達(dá)開挖倉底部，而泥漿環(huán)流出渣能力有限，渣土難以被快速帶走，造成開挖倉底部堆積，導(dǎo)致前閘門堵塞，造成氣泡倉液位突然下降，循環(huán)難以控制，壓力波動大。前閘門堵塞后開挖倉液位快速上漲，循環(huán)疏通之后，開挖倉泥漿由于頂部氣體壓力會大量快速進(jìn)入氣墊倉，導(dǎo)致氣墊倉液位上漲過快，甚至爆倉。

(1)氣壓輔助推進(jìn)時采用主動循環(huán)方式，每推進(jìn)30～50 cm或開挖倉中部土壓傳感器壓力變大時停止推進(jìn)，循環(huán)10 min左右待壓力正常后，再繼續(xù)推進(jìn)。

(2)采用比重控制主動停機(jī)循環(huán)方式，若出漿比重比進(jìn)漿比重大0.3及以上時停機(jī)循環(huán)，循環(huán)至比重差小于0.1時恢復(fù)推進(jìn)。

(3)若液位波動較大，應(yīng)恢復(fù)開挖倉液位，采用正常模式加強(qiáng)循環(huán)，堆積渣土被帶走后，再進(jìn)行氣壓輔助掘進(jìn)。

7.3 砂漿罐返氣

砂漿罐返氣，同步注漿雖有注漿沖程，但實(shí)際漿液注入量很少，砂漿罐內(nèi)偶爾出現(xiàn)氣泡。

盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時間過長，注漿管雖持續(xù)慢速注漿，但如果進(jìn)入管道氣體較多，而注漿漿液無法擠出，將導(dǎo)致漿液注入量大幅減少造成堵管。因此停機(jī)時，應(yīng)對同步注漿管路進(jìn)行檢查，從盾尾處拆開，清理后再接回原管路。

7.4 盾尾漏氣及管片上浮

由于開挖倉上部長期有壓縮空氣存在，氣體沿盾體周邊開挖面滲透至盾尾，使盾尾油脂漏至盾構(gòu)機(jī)內(nèi)。脫出盾尾的管片頂部被氣體占據(jù)，同步注漿難以填充飽滿，管片易上浮。

推進(jìn)過程適當(dāng)加大頂部注漿點(diǎn)位注漿量，同時根據(jù)實(shí)際情況及時采用二次注漿進(jìn)行補(bǔ)注，使管片背后空隙得到充分填充，保證盾尾處注漿飽滿，對氣體形成第一道防線，控制管片上浮；同時關(guān)注每環(huán)盾尾油脂注入量及各點(diǎn)位油脂腔壓力，及時手動補(bǔ)注油脂，對氣體形成第二道防線。若頻繁出現(xiàn)盾尾漏氣現(xiàn)象，可從盾體徑向孔注入克泥效及時填充盾體與開挖面間隙，對氣體形成第三道防線。

8 結(jié)論

泥水平衡盾構(gòu)在變質(zhì)砂巖夾泥巖地層掘進(jìn)過程中采用氣壓輔助模式，能夠有效解決該類地層施工難題，掘進(jìn)效率也得到大幅提高。建議在穩(wěn)定性好、氣密性好的地層掘進(jìn)施工中進(jìn)行推廣，以達(dá)到掘進(jìn)效率提高、廢漿量降低的目的。