海瑞克和三菱泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)之比較

朱相乾，鐘志全

ZHU Xiang-qian,ZHONG Zhi-quan

（廣東華隧建設(shè)股份有限公司，廣東 廣州 510620）

泥水平衡盾構(gòu)工作原理是通過(guò)向在盾體前隔板與刀盤(pán)開(kāi)挖面的土體形成密封腔注入壓力的泥漿來(lái)支承正面土體，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定不坍塌，同時(shí)刀盤(pán)切削下來(lái)的土體與泥水混合后，形成高密度泥漿，由排泥泵及管道輸送至地面處理。

泥水平衡盾構(gòu)按泥水壓力控制方式不同可分為兩種基本類型，即直接控制型（日系）和間接控制型(德系)，二者在環(huán)流控制、設(shè)備配置和環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念方面各有特點(diǎn)，以日本三菱?6250型盾構(gòu)和德國(guó)海瑞克?6250型盾構(gòu)為例對(duì)二者環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比和分析。

1 環(huán)流系統(tǒng)工作原理比較

1.1 隔板前方腔體結(jié)構(gòu)比較

三菱機(jī)隔板與開(kāi)挖面只有1 個(gè)單空腔（如圖1 所示），稱為泥水艙。而德國(guó)海瑞克盾構(gòu)隔板與開(kāi)挖面之間有2 個(gè)腔體，靠開(kāi)挖面一側(cè)的稱為泥水艙，另一個(gè)稱為氣艙，兩個(gè)艙體底部是連通的（如圖2所示）。

圖1 三菱機(jī)隔板前方空腔結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 切口水壓控制原理比較

三菱機(jī)泥水艙內(nèi)充滿泥漿，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)泥和排泥流量來(lái)控制泥水艙內(nèi)泥漿壓力，即主要靠變頻電機(jī)調(diào)整進(jìn)漿泵和排漿泵的轉(zhuǎn)速控制泥漿流量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制艙內(nèi)泥漿壓力。這種方式也稱也直接控制方式，壓力調(diào)節(jié)比較直接、迅速，對(duì)人員操作水平和熟練程度要求較高。切口水壓波動(dòng)會(huì)較大，一般要求控制在±10kPa。

海瑞克機(jī)密封隔前有2 個(gè)艙體，其中泥水艙內(nèi)充滿泥漿，而氣艙內(nèi)上部是壓縮空氣，下部是泥漿且與泥水艙泥漿連通。氣艙內(nèi)壓縮空氣的壓力通過(guò)氣艙底部泥漿傳遞到泥水艙，通過(guò)調(diào)節(jié)氣艙內(nèi)壓力來(lái)控制泥水艙的泥漿壓力，這種方式也稱也間接控制方式。由于空氣具有可壓縮性，壓力的變化具有相對(duì)滯后性，因此切口水壓波動(dòng)會(huì)較小，一般要求控制在±5kPa。

圖2 海瑞克機(jī)隔板前方空腔結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 壓縮空氣的作用比較

兩種盾構(gòu)一般均會(huì)配置壓縮空氣裝置，但日系泥水盾構(gòu)壓縮空氣僅是在氣壓法進(jìn)艙作業(yè)時(shí)使用，僅為艙內(nèi)提供壓力空氣。而德系泥水盾構(gòu)壓縮空氣不僅可用于氣壓法進(jìn)艙作業(yè)，而且其主要功能是控制切口水壓，它可根據(jù)切口壓力目標(biāo)值設(shè)定空氣壓力，當(dāng)切口水壓波動(dòng)時(shí)，可自動(dòng)進(jìn)行壓力調(diào)整，保持壓力穩(wěn)定。

2 環(huán)流系統(tǒng)操作流程比較

2.1 靜止?fàn)顟B(tài)操作比較

三菱盾構(gòu)在非掘進(jìn)狀態(tài)時(shí)，為補(bǔ)償由于泥漿滲入地層而引起的壓力損失，送漿系統(tǒng)必須提供能維持倉(cāng)內(nèi)恒定壓力的一定數(shù)量的泥漿。該狀態(tài)下排漿管閥門關(guān)閉，在送泥管道上自動(dòng)控制閥可根據(jù)倉(cāng)內(nèi)實(shí)際壓力與設(shè)定切口壓力的偏差信號(hào)自動(dòng)調(diào)整閥門開(kāi)度，使開(kāi)挖面泥漿壓力始終維持穩(wěn)定狀態(tài)。

海瑞克盾構(gòu)在非掘進(jìn)狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉排漿管和進(jìn)漿管，當(dāng)切口水壓力減小時(shí)，空氣壓縮機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行空氣補(bǔ)嘗加壓，使開(kāi)挖面泥漿壓力始終維持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 旁通狀態(tài)操作比較

旁通狀態(tài)是指環(huán)流經(jīng)旁通管循環(huán)而不經(jīng)過(guò)泥水艙的狀態(tài)，是由靜止轉(zhuǎn)掘進(jìn)和掘進(jìn)轉(zhuǎn)靜止的過(guò)渡狀態(tài)。主要在以下情況下使用：①?zèng)Q定開(kāi)機(jī)前或環(huán)流系統(tǒng)起動(dòng)之前，均要求由旁通狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行，確保管路暢通；②當(dāng)一環(huán)掘進(jìn)完成后須退出掘進(jìn)狀態(tài)時(shí)，要先讓系統(tǒng)處于旁通狀態(tài)，以防止排泥管內(nèi)泥砂沉淀。

由于三菱機(jī)沒(méi)有碎石裝置，利用采石裝置來(lái)?yè)迫〈髩K石，以防止大塊石堵管，而采石裝置較容易堵塞，因此在采石裝置兩邊各設(shè)置了1 根旁通管用于掘進(jìn)前疏通管路，采石裝置設(shè)在兩旁通管之間（圖3）。掘進(jìn)前須先打通外旁通管，保證進(jìn)漿和排漿管路均暢通，再打通內(nèi)旁通管，保證采石裝置不堵塞。

而海瑞克機(jī)則是在氣艙底排漿管入口前設(shè)置格柵和破碎機(jī)，利用格柵+破碎機(jī)組合來(lái)解決大塊石堵管問(wèn)題。由于不存在采石裝置，因此只設(shè)置了1 根旁通管，旁通操作相對(duì)簡(jiǎn)單（圖4）。

圖3 三菱機(jī)旁通狀態(tài)下流體輸送系統(tǒng)的工藝流程圖

圖4 海瑞克機(jī)旁通狀態(tài)下流體輸送系統(tǒng)的工藝流程圖

3.3 掘進(jìn)狀態(tài)操作比較

三菱機(jī)進(jìn)漿管和排漿管均只有1 根與泥水艙相接，靠近盾構(gòu)機(jī)頭位置有兩管交叉互換裝置，可以使進(jìn)漿口和排漿口互換，從而可實(shí)現(xiàn)環(huán)流系統(tǒng)正循環(huán)和逆循環(huán)兩種操作。當(dāng)機(jī)內(nèi)旁通與機(jī)外旁通之間的管路出現(xiàn)堵塞或排泥口出現(xiàn)堵塞的情況時(shí)，可利用逆循環(huán)進(jìn)行逆洗，在防止環(huán)流堵塞上較為有利。而海瑞克機(jī)有多個(gè)進(jìn)漿管與泥水艙或氣艙相接，排漿管也只有1 根，沒(méi)有進(jìn)漿與排漿兩管交叉互換裝置，只能進(jìn)行環(huán)流系統(tǒng)正循環(huán)操作，不能實(shí)現(xiàn)逆循環(huán)。

3 其它功能比較

3.1 防泥餅功能比較

三菱機(jī)與泥水艙相接的進(jìn)漿管只有1 根，其能沖刷的面積有限，不利于防泥餅；另外進(jìn)漿管管徑較大，泥漿流速較小，而且逆循環(huán)在管口設(shè)置的防堵管措施也防礙了泥漿對(duì)刀盤(pán)直接沖刷，也對(duì)泥餅的防治不利。

而海瑞克機(jī)進(jìn)漿管多而小，并分散接入到與泥水艙接和氣艙，可對(duì)刀盤(pán)大部分面積區(qū)進(jìn)行沖刷，另外進(jìn)漿管較小并可控制各入口開(kāi)和關(guān)來(lái)加強(qiáng)某根管的流速，增加對(duì)某區(qū)域的沖刷力度，在防泥餅功能上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖5 三菱機(jī)正循環(huán)掘進(jìn)狀態(tài)下流體輸送系統(tǒng)的工藝流程圖

圖6 三菱機(jī)逆循環(huán)掘進(jìn)狀態(tài)下流體輸送系統(tǒng)的工藝流程圖

圖7 海瑞克機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)下流體輸送系統(tǒng)的工藝流程圖

3.2 防堵管功能比較

三菱機(jī)防堵管有以下特點(diǎn)：①用采石箱把泥漿中大石塊撈取，可有效地減少堵塞管路機(jī)率，但破碎帶地層或卵石地層中，采石箱容易被塞滿，清理工作繁重且費(fèi)時(shí)；②設(shè)置了2 根旁通管，操作中更容易斷定堵管位置，可更迅速、更有針對(duì)性地進(jìn)行處理；③具有“逆洗”功能，當(dāng)管路出現(xiàn)堵塞或排泥口出現(xiàn)堵塞的情況時(shí)，可利用“逆洗”來(lái)解決。

而海瑞克機(jī)在防堵管方面有以下特點(diǎn)：①在排漿管口設(shè)置格柵和碎石機(jī)來(lái)防止大塊物進(jìn)入管路中，但在粘土地層中格柵前容易堆積粘土團(tuán)塊導(dǎo)格柵堵塞；②環(huán)流系統(tǒng)只有1 根旁通管，并且不具備“逆洗”功能，對(duì)于堵管位置判斷和處理不利。

總體而言，三菱機(jī)防堵管方面較海瑞克機(jī)更有優(yōu)勢(shì)。

4 總 結(jié)

日系和德系泥水盾構(gòu)在原理上有較大不同，在操作、防泥餅和防管堵方面各有特點(diǎn)。根據(jù)多年的施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為兩種盾構(gòu)并沒(méi)有絕對(duì)優(yōu)劣之分，施工中應(yīng)根據(jù)具體地層條件和地面環(huán)境要求來(lái)選擇盾構(gòu)機(jī)。

[1]王小軍，孫建敏.泥水盾構(gòu)施工的環(huán)流管理[J].施工技術(shù)，2005，(03)：45-46.

[2]王瑞斌.泥水平衡盾構(gòu)進(jìn)、排漿系統(tǒng)技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2004，(12)：27-29.