砂卵石地層氣墊式泥水盾構(gòu)的優(yōu)化

楊愛(ài)軍，張寧川，王杜娟，曾垂剛

(1.中鐵隧道裝備制造有限公司，河南 鄭州 450016;2.中鐵隧道集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

自1964年英國(guó)人申請(qǐng)泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)原理專利之后，泥水盾構(gòu)就不斷地被用在不同的項(xiàng)目上，同時(shí)也取得了良好的業(yè)績(jī)。隨著不同工程的使用，設(shè)備和施工工藝不斷改進(jìn)，基本上形成了間接控制(氣墊式泥水盾構(gòu)或稱歐洲模式)和直接控制(日本模式)2類比較典型的泥水盾構(gòu)。從目前泥水盾構(gòu)發(fā)展情況來(lái)看，由于土壓盾構(gòu)自身不斷地完善，以前只能用泥水盾構(gòu)施工的工程有部分被土壓盾構(gòu)所取代;再者，由于泥水盾構(gòu)自身的一些問(wèn)題(如成本高，在卵石地層、漂石地層出碴困難等)，泥水盾構(gòu)的使用受到限制［1］。目前，在施工中氣墊式泥水盾構(gòu)和無(wú)氣墊式泥水盾構(gòu)都有使用，而且各有所長(zhǎng)，但考慮國(guó)內(nèi)情況，大多地質(zhì)探測(cè)不是十分準(zhǔn)確，用氣墊式泥水盾構(gòu)會(huì)有更好的適應(yīng)性。為了擴(kuò)大氣墊式泥水盾構(gòu)的使用范圍，需要對(duì)氣墊式泥水盾構(gòu)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［1－3］介紹了泥水盾構(gòu)在成都地鐵使用中遇到的問(wèn)題及采取的處理辦法，并對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［4］對(duì)泥水盾構(gòu)的開(kāi)挖機(jī)制進(jìn)行了說(shuō)明，對(duì)開(kāi)挖掌子面的穩(wěn)定提出了一些見(jiàn)解;文獻(xiàn)［5－8］對(duì)泥水盾構(gòu)的泥水循環(huán)和泥水處理進(jìn)行了一些探討;文獻(xiàn)［9－11］對(duì)隧道規(guī)范和泥水盾構(gòu)發(fā)展方向作了一些說(shuō)明和預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)［1－5］提到的方法在成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)4標(biāo)右線隧道泥水平衡盾構(gòu)的施工中得到了一些實(shí)施，同時(shí)也起到了一些效果，但要徹底解決氣墊式泥水盾構(gòu)存在的問(wèn)題，需要做比較大的改進(jìn)。本文通過(guò)對(duì)氣墊式泥水盾構(gòu)施工中存在問(wèn)題的分析和探索，初步提出一些改進(jìn)措施。

1 使用情況和問(wèn)題分析

從成都地鐵4標(biāo)試驗(yàn)段使用氣墊式泥水盾構(gòu)施工來(lái)看主要問(wèn)題有:1)堵塞。主要堵塞部位有氣墊倉(cāng)吸漿口、排漿泵、排漿管彎頭處等，表現(xiàn)在排漿泵排漿流速急速下降，管路或排漿泵發(fā)出強(qiáng)烈的石塊撞擊泵殼的聲音。2)碎石機(jī)故障。主要集中在油缸油管斷裂、碎石機(jī)銷子脫落，表現(xiàn)在碎石機(jī)停止工作后不能及時(shí)破碎卵石。

通過(guò)對(duì)以上問(wèn)題的分析，認(rèn)為現(xiàn)有氣墊式泥水盾構(gòu)機(jī)主要存在以下問(wèn)題:

1)氣墊倉(cāng)內(nèi)泥漿通過(guò)的橫斷面面積大，泥漿流速低，大塊的卵礫石很難被泥漿攜帶運(yùn)出，經(jīng)常堆積在泥漿門及破碎機(jī)前造成堵塞，最后不得不中斷掘進(jìn)。就國(guó)內(nèi)目前的施工實(shí)例來(lái)看，歐洲氣墊式泥水盾構(gòu)的平衡壓力控制精度高，對(duì)各種地層的適應(yīng)性廣;但在卵礫石和風(fēng)化巖地層中，卻經(jīng)常因泥漿輸送堵塞而影響掘進(jìn)施工。

2)破碎機(jī)在超負(fù)荷狀態(tài)下，有效使用壽命短、故障率高。

3)泥漿門的關(guān)閉方式存在一定不足，如泥漿門因卵石堆積而關(guān)閉困難及關(guān)閉操作程序復(fù)雜等，在每次需要檢查碎石機(jī)或其他氣墊倉(cāng)的部件時(shí)，需要工作人員帶壓關(guān)閉泥倉(cāng)門，存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)。

如果能夠改進(jìn)上述問(wèn)題，則氣墊式泥水模式盾構(gòu)將會(huì)有很好的使用前景;同時(shí)，由于國(guó)內(nèi)穿越江河湖海的隧道很多，上述問(wèn)題的解決將有助于加快國(guó)內(nèi)隧道的建設(shè)及保證工程的安全。

2 改進(jìn)措施

2.1 增加主機(jī)段循環(huán)

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

為提高砂卵石地層的氣墊式泥水盾構(gòu)的適應(yīng)能力，就必須提高格柵前面碴土的流動(dòng)能力，可以采取的措施是加大進(jìn)漿泵1和排漿泵14的流量 (見(jiàn)圖1)。改進(jìn)以前基本的泥水循環(huán)方式如圖1所示。從進(jìn)排漿泵考慮無(wú)疑需要增加泵的體積和功率，而且長(zhǎng)距離流動(dòng)對(duì)管路能耗的控制會(huì)提出更高的要求。為此，在主機(jī)段增加一個(gè)循環(huán)泵來(lái)加大底部出口的流量，以此來(lái)提高泥漿的攜碴能力，減少在格柵處的堆積，從而提高氣墊式泥水盾構(gòu)的工作效率。不改變氣墊式泥水盾構(gòu)原有的泥漿循環(huán)系統(tǒng)，仍保持原泥漿循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)漿及攜帶碴土排漿功能，只是在此基礎(chǔ)上，在盾構(gòu)主機(jī)內(nèi)增設(shè)一個(gè)輔助循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng) (見(jiàn)圖2)由吸漿管18、吸漿管閘閥19、泥漿泵組20、進(jìn)漿管21、進(jìn)漿管閘閥22以及其他部分組成。吸漿管18的吸漿口布置在氣墊倉(cāng)隔板上，位于原泥漿循環(huán)排漿吸口的上方，吸漿管連接閘閥后延至主機(jī)后部后配套臺(tái)架上，與安裝在臺(tái)架上的泥漿泵吸入口連接，泥漿泵輸出口連接到泥水倉(cāng)使泥漿直接回到主機(jī)不斷循環(huán)。

圖1 增加輔助循環(huán)系統(tǒng)前的泥水管路示意圖Fig.1 Sketch of slurry circuit of shield machine before assistant slurry cycling system is added

圖2 增加輔助循環(huán)系統(tǒng)后的泥水管路示意圖Fig.2 Sketch of slurry circuit of shield machine after assistant slurry cycling system is added

2.1.2 改進(jìn)后計(jì)算

增加主機(jī)段循環(huán)泵(圖2中的20)的計(jì)算如下:

最小排漿泵流量(開(kāi)挖直徑按6.28 m計(jì)算)

式中:d盾為主機(jī)段循環(huán)泥漿管直徑，取0.3 m;v排為主機(jī)段循環(huán)泥漿管泥漿流速，取2.3 m/s。

盾體泥水管路的循環(huán)泵功率

式中:ρ為介質(zhì)密度，取1 300 kg/m3;g為重力加速度，取9.81 m/s2;H為泵的揚(yáng)程，取40 m;η為泵的效率，取65%。

2.1.3 改進(jìn)后預(yù)計(jì)效果

1)提高了泥水倉(cāng)與氣墊倉(cāng)底部的泥漿流速。

2)不改變?cè)羞M(jìn)漿泵與排漿泵的流量，不會(huì)增加主管路的負(fù)擔(dān)。

3)管路較短，揚(yáng)程損失少。

4)提高了氣墊式泥水盾構(gòu)的使用范圍，提高了工作效率。

2.2 增加刀盤中心背部和底部沖刷

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

泥水倉(cāng)和氣墊倉(cāng)底部的沖刷主要是為了防止碴土在底部沉淀，使碴土能及時(shí)被攪動(dòng)浮起，而現(xiàn)有的歐洲模式的氣墊式泥水盾構(gòu)由于底部橫截面積比較大，造成底部流速相對(duì)比較緩慢，致使在砂卵石地層中泥水底部通道經(jīng)常被堵，嚴(yán)重影響掘進(jìn)，同時(shí)不得不停機(jī)帶壓進(jìn)倉(cāng)進(jìn)行清理，增加了施工的風(fēng)險(xiǎn)。為了改變這一現(xiàn)象，加快局部沖刷管路，增加局部流速，減少底部碴土堆積，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后底部沖刷示意如圖3所示。

2.2.2 改進(jìn)后效果

改進(jìn)后系統(tǒng)增加了中心底部沖刷泵23、底部沖刷管路24、控制閘閥25，達(dá)到了以下效果:

1)從進(jìn)漿泵到泥水倉(cāng)的泥漿具備一定的流量和壓力，但由于距離的原因，對(duì)刀盤的沖刷能力非常有限，增加中心底部沖刷泵以后沖刷效果大大改善。

2)底部沉淀的主要原因是過(guò)大的卵石粗砂由于流速較慢不能浮起，增加底部向上的泥漿，將會(huì)提高底部卵石粗砂的浮力，有效地托起較大的卵石粗砂，從而使過(guò)大的卵石粗砂通過(guò)泥漿帶走。

3)對(duì)于不同的地層，可以針對(duì)實(shí)際情況有選擇地開(kāi)啟中心底部沖刷泵或開(kāi)啟對(duì)應(yīng)管路閘閥，泥水倉(cāng)底部沖刷能有效地將碴土塊石托起，在泥水的流動(dòng)下帶入氣墊倉(cāng)，同樣氣墊倉(cāng)的底部沖刷能有效地托起底部的堆積。泥水倉(cāng)和氣墊倉(cāng)底部沖刷剖視如圖4和圖5所示。

2.2.3 中心沖刷計(jì)算

根據(jù)中心的沖刷面積，地鐵泥水的總進(jìn)漿量約800 m3/h，其中用于刀盤沖刷的約300 m3/h。從中心區(qū)域能夠覆蓋的面積考慮，中心的用量約100 m3/h。

由流量 Q≈100 m3/h，泵的揚(yáng)程H=70 m，則泵的功率

式中:ρ為介質(zhì)密度，取1 100 kg/m3;g為重力加速度，取9.81 m/s2;η為泵的效率，取65%。

圖3 底部沖刷示意圖Fig.3 Sketch of flushing system

2.3 破碎機(jī)的改進(jìn)

2.3.1 破碎機(jī)存在問(wèn)題

歐洲模式的氣墊式泥水盾構(gòu)在氣墊倉(cāng)設(shè)有破碎機(jī)(見(jiàn)圖6)，開(kāi)挖的碴土進(jìn)入第1個(gè)排漿泵泵送之前預(yù)先經(jīng)過(guò)破碎機(jī)，確保大塊的卵礫石經(jīng)過(guò)破碎再進(jìn)入排漿口。但由于氣墊倉(cāng)內(nèi)泥漿通過(guò)的橫斷面面積大，泥漿流速低，大塊的卵礫石很難被泥漿攜帶走，隨著氣墊倉(cāng)控制液位的不斷上升和下降，經(jīng)常堆積在氣墊倉(cāng)下部，破碎機(jī)整體被埋在卵礫石碴土中。在至今為止的氣墊式泥水盾構(gòu)破碎機(jī)設(shè)計(jì)中，由于為破碎機(jī)鄂板提供動(dòng)力的左右2根液壓油缸直接與左右鄂板鉸接，安裝位置低，油缸被迫在卵礫石碴土中強(qiáng)行動(dòng)作，導(dǎo)致油缸各部件過(guò)早松動(dòng)損壞，從而降低了油缸的使用壽命。

圖6 改進(jìn)前破碎機(jī)的布置形式Fig.6 Layout of original stone crusher

2.3.2 破碎機(jī)改進(jìn)措施

解決氣墊式泥水盾構(gòu)破碎機(jī)油缸在卵礫石碴土中強(qiáng)行動(dòng)作造成的損壞問(wèn)題，延長(zhǎng)油缸的使用壽命，減少因油缸損壞而帶壓進(jìn)倉(cāng)維修的次數(shù)并降低由此造成的工程及人員安全風(fēng)險(xiǎn)，是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，徹底解決破碎機(jī)油缸在卵礫石碴土中強(qiáng)行動(dòng)作造成的損壞問(wèn)題，延長(zhǎng)油缸的使用壽命，設(shè)計(jì)出一種新型的破碎機(jī)，其布置形式如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后破碎機(jī)的布置形式Fig.7 Layout of optimized stone crusher

氣墊式泥水盾構(gòu)破碎機(jī)油缸防損壞裝置，包括與盾構(gòu)殼體5通過(guò)無(wú)桿腔端連接的油缸1，位于油缸1下方且與油缸1連接的破碎機(jī)鄂板2。其特征在于:在油缸1與破碎機(jī)鄂板2之間安裝有連桿3，連桿3下端與破碎機(jī)鄂板2鉸接連接，上端與油缸1活塞桿端連接，同時(shí)與搖臂4下端并聯(lián)鉸接連接。

搖臂4上端與盾體殼體5連接，這樣破碎油缸在比較高的位置工作，可減少與石塊碰撞的次數(shù)，能有效提高使用壽命。

油缸防損壞裝置中所述的連接關(guān)系均為鉸接連接，且鉸接在連接點(diǎn)配置自動(dòng)潤(rùn)滑油脂注入系統(tǒng)。

2.3.3 改進(jìn)后優(yōu)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，解決了現(xiàn)有破碎機(jī)裝置動(dòng)力油缸易損壞問(wèn)題。由于該油缸在隧道地下的盾構(gòu)設(shè)備與開(kāi)挖面相連帶泥水壓力密閉結(jié)構(gòu)中工作，工作環(huán)境惡劣，原位置的維修空間狹窄，維修過(guò)程必須采取的輔助過(guò)程繁雜，一旦損壞會(huì)極大影響隧道的施工進(jìn)度，完全不同于在地面上的設(shè)備的工作及維修環(huán)境條件。通過(guò)改進(jìn)破碎機(jī)布置形式，可以避免破碎機(jī)動(dòng)力油缸損壞造成的盾構(gòu)設(shè)備的完好率和利用率降低問(wèn)題，同時(shí)還可避免由于維修開(kāi)倉(cāng)時(shí)開(kāi)挖面坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。解決了氣墊式泥水盾構(gòu)氣墊倉(cāng)內(nèi)下部安裝的破碎機(jī)驅(qū)動(dòng)油缸在帶壓力及泥漿卵礫石碴土動(dòng)作中易沖擊、磨損和損壞問(wèn)題，以及提供更寬敞和較安全的維修空間，減少了破碎機(jī)發(fā)生故障的概率，從而保證盾構(gòu)設(shè)備的完好率及掘進(jìn)施工進(jìn)度。

3 結(jié)論與討論

1)在目前氣墊式泥水盾構(gòu)的基礎(chǔ)上增加主機(jī)段循環(huán)，極大地增加了主機(jī)段的泥漿循環(huán)速度，提高了泥漿攜帶砂卵石的能力，同時(shí)不用增加進(jìn)漿和排漿的管路和泵的功率，減少了進(jìn)排漿管路的堵塞。

2)增加刀盤中心可以有效地防止刀盤中心接泥餅現(xiàn)象，同時(shí)加快中心部位碴土的流動(dòng)速度，有利于提高掘進(jìn)速度;增加底部沖刷可以有效防止較大直徑卵石在泥水倉(cāng)和氣墊倉(cāng)底部的沉淀，防止底部卵石堆積，影響泥漿的流動(dòng)通道。

3)新的破碎機(jī)的布置形式有利于提高盾構(gòu)設(shè)備的使用壽命，減少維修次數(shù)，降低施工成本和風(fēng)險(xiǎn)。

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