兩種泥水平衡盾構(gòu)在設(shè)備配置及使用上的區(qū)別

邵業(yè)勤/SHAO Ye-qin

（廣東華隧建設(shè)股份有限公司，廣東 廣州 510625）

廣州水文地質(zhì)條件復(fù)雜，被地下工程界稱之為“地質(zhì)的博物館”，因此在盾構(gòu)選型中需要經(jīng)常根據(jù)地層的變換來選擇盾構(gòu)類型。在廣州地鐵建設(shè)中使用的盾構(gòu)類型大多可分為兩種，即土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)。泥水平衡盾構(gòu)的選擇原則是適用于滲透系統(tǒng)大于10-7m/s，巖土顆粒中粉粒和黏粒總量小于40%的地層，在上軟下硬地層,水體、密集的建筑物或構(gòu)筑物下地層使用有著地表沉降量小、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。泥水平衡盾構(gòu)的基本類型又分為兩種，即直接控制型（日系）和間接控制型(德系)。二者在設(shè)備配置、實(shí)際使用方面各有特點(diǎn)，僅以廣州地鐵9號(hào)線施工5標(biāo)清布——高增區(qū)間使用的日本三菱泥水平衡盾構(gòu)和德國海瑞克泥水平衡盾構(gòu)為例對環(huán)流系統(tǒng)、管片拼裝及輸送系統(tǒng)、環(huán)流管路延伸系統(tǒng)進(jìn)行對比和分析。

1 環(huán)流系統(tǒng)比較

1.1 設(shè)備配置

從結(jié)構(gòu)上來看，三菱泥水平衡盾構(gòu)密封隔板與掌子面僅有1個(gè)密封艙，稱為泥水艙（圖1）。海瑞克泥水平衡盾構(gòu)是在密封艙內(nèi)增加了1個(gè)中隔板，靠近掌子面的稱為泥水艙，靠近密封隔板的稱為氣壓艙，兩艙體底部通過泥漿連通，氣壓艙上部通過外接的氣壓系統(tǒng)形成1個(gè)氣囊（圖2）。三菱泥水平衡盾構(gòu)泥水艙灌滿泥漿，通過PLC變頻器來調(diào)整送漿泵及排漿泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制泥漿流量，通過調(diào)整送泥和排泥流量來控制泥水艙內(nèi)泥漿壓力，以實(shí)現(xiàn)泥水艙壓力與掌子面水土壓力平衡，這種方式稱為直接控制型（日系），泥水艙壓力調(diào)節(jié)比較直接、迅速，切口水壓波動(dòng)會(huì)比較大，人員的熟練程度和操控水平要求較高。切口水壓變化要求控制在±10kPa以內(nèi)。海瑞克泥水平衡盾構(gòu)泥水艙灌滿泥漿，氣壓艙內(nèi)上部充滿壓縮空氣，下部是泥漿且與泥水艙連通。氣壓艙上部的空氣壓力通過氣壓艙下部泥漿傳遞到泥水艙，通過調(diào)節(jié)氣壓艙壓力來間接控制泥水艙的泥漿壓力，并保持氣壓加泥水艙壓力與掌子面水土壓力平衡，這種方式稱為間接控制型(德系)。由于氣艙壓力的變化是通過氣壓平衡系統(tǒng)來調(diào)節(jié)的，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定切口水壓波動(dòng)值，便可自動(dòng)通過調(diào)節(jié)氣壓平衡系統(tǒng)的進(jìn)氣排氣來保持艙內(nèi)泥水壓力平衡，因此切口水壓波動(dòng)會(huì)較小，切口水壓變化要求控制在±5kPa以內(nèi)。海瑞克氣壓平衡系統(tǒng)不僅可以用于調(diào)節(jié)泥水艙壓力，還可以用于人員進(jìn)艙換刀、清理泥餅的加氣壓作業(yè)。三菱泥水平衡盾構(gòu)沒有配置這項(xiàng)功能，加氣壓作業(yè)可通過安裝一套獨(dú)立的空氣壓縮裝置來進(jìn)行。

圖1 三菱泥水平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖2 海瑞克泥水平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2 實(shí)際使用

在實(shí)際操作盾構(gòu)時(shí)，通常是根據(jù)當(dāng)前環(huán)的地質(zhì)和水文條件，通過公式計(jì)算出切口水壓設(shè)定值。三菱泥水平衡盾構(gòu)操作人員時(shí)刻關(guān)注裝在隔艙壁的壓力表反饋的切口水壓波動(dòng)，及時(shí)通過調(diào)節(jié)送泥管和排泥管的泵轉(zhuǎn)速來保持掌子面壓力平衡，維持掘進(jìn)狀態(tài)。當(dāng)環(huán)流系統(tǒng)堵塞時(shí)，通過切換管路變換送排泥管的方向用正逆洗管（送排泥方向互換）及旁路狀態(tài)來帶出管路堵塞物，使得排泥管出口不易堵塞。海瑞克泥水平衡盾構(gòu)需要時(shí)刻關(guān)注裝在氣壓艙壁的液位計(jì)反饋的液位高度，來維持掌子面的壓力平衡，通過調(diào)節(jié)送泥管和排泥管的泵轉(zhuǎn)速來保持壓力平衡，維持掘進(jìn)狀態(tài)。在掘進(jìn)時(shí)，可以通過來回切換連通到氣壓艙和泥水艙的眾多進(jìn)泥管來沖刷刀盤及破碎機(jī)格柵，預(yù)防環(huán)流系統(tǒng)堵塞。但是環(huán)流系統(tǒng)一旦堵塞，要比三菱泥水平衡盾構(gòu)花費(fèi)更多的時(shí)間去清洗管路。兩種盾構(gòu)管路圖如圖3、圖4所示。相比之下，海瑞克盾構(gòu)解決堵管問題是主動(dòng)式，三菱泥水平衡盾構(gòu)解決堵管問題是被動(dòng)式。在刀盤防結(jié)泥餅方面，除了共同具備的送排泥管、回轉(zhuǎn)中心管、主被動(dòng)攪拌棒，海瑞克泥水平衡盾構(gòu)還可以切換不同的送流管路來沖刷刀盤，并且單獨(dú)加大某根管路來沖刷刀盤上不同的部位，對于防結(jié)泥餅方面更加有利，三菱泥水平衡盾構(gòu)只有1根送泥管，沖刷到刀盤的位置有限，不利于防結(jié)泥餅。對付刀盤切削下來的石塊，三菱泥水平衡盾構(gòu)是通過裝在后配套臺(tái)車排泥管路上的采石箱去收集，防止大塊的石頭堵塞管路，當(dāng)掘進(jìn)到六、七號(hào)以上地層占多的環(huán)號(hào)時(shí)，采石箱很容易就被堵滿，需要花費(fèi)不少時(shí)間去人工清理。而海瑞克泥水平衡盾構(gòu)通過在氣壓艙下部的排漿管入口前方設(shè)置破碎機(jī)和格柵，利用破碎機(jī)（把大塊石頭破碎成小石子）+格柵（阻擋直徑20cm以上石頭）組合來解決大塊石頭堵管的問題。

圖3 三菱泥水平衡盾構(gòu)管路圖

圖4 海瑞克平衡泥水盾構(gòu)管路圖

2 管片拼裝及輸送系統(tǒng)比較

2.1 拼裝系統(tǒng)比較

從原理上來看，完成一環(huán)管片的拼裝,需要對管片的6個(gè)自由度進(jìn)行調(diào)整（圖5）即水平伸縮(沿隧道斷面x方向)、軸向回轉(zhuǎn)(沿隧道壁周向y方向)、軸向伸縮(沿隧道軸線方向z)，以及隨管片姿態(tài)調(diào)整的3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)(偏轉(zhuǎn)θx,俯仰θy,搖擺θz)。三菱泥水平衡盾構(gòu)的管片拼裝機(jī)只有5個(gè)自由度，即水平伸縮、軸向回轉(zhuǎn)、軸向伸縮、管片的俯仰θy及軸向搖擺θz，只有偏轉(zhuǎn)θx,需要依靠推進(jìn)油缸的頂推來完成。三菱泥水平衡盾構(gòu)軸向伸縮長度為0.6m,換向閥控制靈敏度低，管片拼裝不夠平穩(wěn)，成環(huán)管片錯(cuò)臺(tái)量大、碎裂現(xiàn)象多。海瑞克泥水平衡盾構(gòu)的管片拼裝機(jī)具備全部6個(gè)自由度，軸向伸縮長度為2m，液壓伺服控制靈敏度高，管片拼裝平穩(wěn)，成環(huán)管片平整，碎裂現(xiàn)象少。從設(shè)備配置來看，前者拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,可稱為環(huán)型齒式拼裝機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)平臺(tái)大。后者拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可稱為環(huán)型液壓式拼裝機(jī)，作業(yè)平臺(tái)小，優(yōu)點(diǎn)是拼裝操作較前者要靈活，拼裝質(zhì)量更高。

圖5 自由度拼裝示意圖

2.2 輸送系統(tǒng)比較

管片輸送是管片拼裝工藝流程一個(gè)重要的影響因素，對吊運(yùn)過程中管片的保護(hù)以及管片拼裝的速度有著至關(guān)重要的影響。三菱泥水平衡盾構(gòu)輸送系統(tǒng)由1臺(tái)單軌梁電動(dòng)葫蘆吊+1臺(tái)雙軌梁電動(dòng)葫蘆吊組成(圖6)，管片從電瓶車上先用單軌梁電動(dòng)葫蘆吊卸車，吊至雙軌梁區(qū)域后，再用雙軌梁電動(dòng)葫蘆吊轉(zhuǎn)運(yùn)至最前環(huán)管片位置，兩次吊運(yùn)不僅增加了管片碰撞破損的幾率，還增加了輸送時(shí)間。海瑞克泥水平衡盾構(gòu)輸送系統(tǒng)由1臺(tái)單軌梁電動(dòng)葫蘆吊+管片輸送器組成(圖7),在吊運(yùn)過程單軌梁把管片從電瓶車直接吊運(yùn)到管片輸送器上，吊運(yùn)平穩(wěn)且只吊運(yùn)1次，降低了管片碰撞破損的幾率，較前者節(jié)省輸送時(shí)間。

圖6 三菱泥水平衡盾構(gòu)拼裝示意圖

圖7 海瑞克泥水平衡盾構(gòu)拼裝示意圖

3 環(huán)流管路延伸系統(tǒng)比較

由于泥水平衡盾構(gòu)每推進(jìn)6m都需要延伸一次環(huán)流管路，因此三菱泥水平衡盾構(gòu)與海瑞克泥水平衡盾構(gòu)在最末節(jié)臺(tái)車都設(shè)有環(huán)流管路延伸系統(tǒng)，但兩者也在設(shè)備配置及使用方面也有所不同。三菱泥水平衡盾構(gòu)采用軟管卷盤系統(tǒng)(圖8)，延伸管路時(shí)，通過牽引電機(jī)收縮鋼索收縮管路，在收縮后的延伸區(qū)域用手拉葫蘆延伸管路。結(jié)構(gòu)簡單，延伸管路時(shí)間較后者多。海瑞克泥水平衡盾構(gòu)采用的是鋼套管延伸系統(tǒng)（類似推進(jìn)千斤頂收縮的方式，如圖9所示），通過液壓裝置收縮管路，在收縮好的延伸區(qū)域用電動(dòng)葫蘆延伸管路。鋼套管延伸系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)成本較高，但接續(xù)管路較前者方便。

圖8 三菱泥水平衡盾構(gòu)環(huán)流管路延伸示意圖

圖9 海瑞克泥水平衡盾構(gòu)環(huán)流管路延伸示意圖

4 結(jié) 語

通過對三菱泥水平衡盾構(gòu)與海瑞克泥水平衡盾構(gòu)進(jìn)行以上3方面的對比，從設(shè)備配置角度來看，前者的設(shè)備造價(jià)低，配置簡單實(shí)用，對作業(yè)人員的素質(zhì)要求高。后者設(shè)備造價(jià)高，配置方面較為復(fù)雜及自動(dòng)化，減輕了作業(yè)人員的工作量。另一方面，從現(xiàn)場施工角度來看，前者優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備維修保養(yǎng)簡單方便，管片拼裝平臺(tái)寬敞，缺點(diǎn)是臺(tái)車內(nèi)沒有設(shè)置人行通道，在生產(chǎn)繁忙時(shí)，電瓶車在臺(tái)車內(nèi)作業(yè)人員互相妨礙。后者優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備操作更為簡單，電瓶車與作業(yè)人員各行其道互不妨礙。缺點(diǎn)是設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)成本高。當(dāng)然，三菱泥水平衡盾構(gòu)與海瑞克泥水平衡盾構(gòu)在設(shè)備配置、實(shí)際施工中還存在許多不相同、值得研究的地方，本文僅僅就影響盾構(gòu)掘進(jìn)效率的3大系統(tǒng)做一簡單比較，希望能為盾構(gòu)的選型與施工提供一個(gè)參考。

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