大直徑泥水盾構針對長距離施工的優(yōu)化

孫善輝，陳 饋，王助鋒

(盾構及掘進技術國家重點實驗室，鄭州 450003)

0 引言

隨著我國科學技術的發(fā)展和綜合國力的提高，盾構施工技術已經(jīng)日趨成熟，特別是在城市中心區(qū)及江河湖海長大隧道(本文定義長大隧道為直徑10 m級、掘進距離5 km以上的隧道)施工中多采用泥水盾構法施工，刀盤直徑也一般在11～15.5m，而且有直徑愈來愈大、掘進距離愈來愈長的發(fā)展趨勢［1］。這表明我國已掀起長大盾構隧道的開發(fā)浪潮。

作為盾構施工核心設備，為了保證工程質量、安全和進度，必須確保盾構設備狀態(tài)良好。但目前在國內外大直徑泥水盾構長距離施工中，盾構總是出現(xiàn)諸多問題和故障。如:刀盤刀具不適應地層需要，刀具大批破壞掉落和刀盤磨損嚴重，而帶壓進倉進行刀具更換及壓縮空氣條件下動火焊接作業(yè)恢復刀盤安全風險較大，且工作效率較低，周期較長［2－3］;在進行主機破碎機的維修和進排漿管閥的更換、耐磨保護工作期間，通常需要將盾構氣墊艙壓力降為常壓，同時需要保證盾構掌子面壓力的平衡和穩(wěn)定，而這類維修及更換工作往往需要數(shù)天甚至數(shù)周才能完成，所以如何保證在氣墊艙常壓條件下掌子面的穩(wěn)定是關鍵［4］;盾構電控柜密封防護等級不足，發(fā)生泥漿管爆裂事件時，高壓力泥漿沖進電控柜，破壞嚴重［5］;液壓式刀具監(jiān)測系統(tǒng)無法有效地投入使用等。為了解決這些問題，保證大直徑泥水盾構長距離施工的質量和各設備的安全可控，通過北京某項目泥水盾構在施工過程中遇到的諸多問題，找出問題產(chǎn)生的原因，提出相應的優(yōu)化措施，并驗證了優(yōu)化措施的可行性，得出了大直徑泥水盾構長距離施工的經(jīng)驗，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

北京鐵路某項目在首都城市中心區(qū)首次采用12 m級膨潤土－氣墊式泥水盾構獨頭掘進5.2 km，隧道主要穿越卵石、圓礫、中粗砂及黏土的交互地層。地質統(tǒng)計資料顯示:最大粒徑200 mm，一般粒徑20～60 mm，大于0.08 mm的顆粒含量約占總量的97%，其中大于20 mm的粒徑含量約占總量的65%［2］。隧道具有埋深大、掘進距離長、地質條件差、風險點多、沉降控制要求嚴格、地面注漿加固困難和帶壓進倉風險大等特點［3］。所以，此工程盾構施工無異于在首都心臟動手術，風險極大，同時又必須確保施工的安全可控。

2 優(yōu)化改進措施

2.1 刀盤刀具改造

由于該隧道穿越的地層與原地質勘察資料變化較大，呈現(xiàn)為非常致密的卵石層，甚至板結層，切刀受頻繁劇烈沖擊和碰撞，螺栓出現(xiàn)大批疲勞斷裂的現(xiàn)象，從而導致切刀大范圍崩落，無法進行及時有效地更換(螺栓斷裂在刀座內，無法有效取出)，最終導致刀盤磨損嚴重，盾構停機［3－4］。

優(yōu)化措施:帶壓進艙在壓縮空氣條件下動火焊接對原切刀型式進行改造。即在原螺栓固定式切刀刀座上焊接新型軸銷固定式切刀刀座，如圖1所示，同時針對砂卵石磨損刀盤母體嚴重的現(xiàn)象，對刀盤進行全斷面耐磨保護。

優(yōu)化效果:優(yōu)化改造后有了很大的改觀，刀具掉落和刀盤磨損的現(xiàn)象明顯減少，特別是帶壓進艙進行刀具更換時，原舊型切刀單艙僅能更換3～4把，而新型切刀單艙可以更換15～20把，大大節(jié)約了盾構停機的換刀時間，并降低了帶壓作業(yè)的施工風險和作業(yè)成本。

2.2 泥水循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.1 進漿系統(tǒng)優(yōu)化

1)盾構在復雜砂卵石地層長距離掘進過程中，主機泥漿管路及閥經(jīng)常會出現(xiàn)嚴重磨損和損壞的現(xiàn)象，必須進行耐磨處理和更換，而由于主機泥漿管前部直接與刀盤艙相通，承受著壓力，同時更換檢修過程中還必須保證掌子面壓力的平衡［5－7］。目前一般采用的方法是利用帶壓進艙進入到刀盤艙，將事前準備好的錐形木塞封閉需要更換的管路，然后進行管路及閥門的檢修更換。此種方法最大的風險是錐形木塞可能掉落，泥漿灌入隧道，掌子面失壓坍塌，所以，為保證設備的安全和掌子面的穩(wěn)定，應對其進行相應的優(yōu)化。

優(yōu)化措施:在靠近前盾的進漿管上(需要經(jīng)常檢修的球閥前部)和刀盤艙進漿口處分別新裝一個閥門和折疊型封閉門，其功能是盾構正常掘進時處于常開狀態(tài)，當需要檢修更換閘閥和管路時，將其關閉。

優(yōu)化效果:在更換管路和閥期間，可以有效地保護掌子面的穩(wěn)定及人員設備的安全。

2)盾構在復雜砂卵石地層中長距離掘進，破碎機由于受到卵石的頻繁沖擊，故障率較高，同時主機排漿管及閥也磨損嚴重。處理這些問題通常需要在氣墊艙常壓狀態(tài)下進行(特別是破碎機維修和中盾底部排漿口處的管路及閥的耐磨處理和更換)，同時需要保證掌子面的穩(wěn)定，而盾構在設計制造時并沒有考慮到氣墊艙常壓狀態(tài)下如何保證掌子面穩(wěn)定的問題，所以需要對其進行優(yōu)化改造。

優(yōu)化措施:在中盾上部左右進漿管各增裝1個φ50 mm球閥，如圖2所示，將同步注漿管路與該球閥連接起來，砂漿管中儲存足量的備用漿液。當需要將氣墊艙降為常壓時，先將刀盤艙泥艙門完全關閉，將氣墊艙逐漸降至常壓，并焊接固定泥艙門，最后人員在常壓狀態(tài)下進入作業(yè)區(qū)工作?？紤]到盾構主機各種管路、閥、倉門密封不嚴和掌子面壓力衰減等因素，在氣墊艙降低壓力和常壓期間，掌子面壓力也會降低。這時利用同步注漿泵將砂漿罐中儲存的漿液泵入刀盤艙，保證掌子面壓力的穩(wěn)定，確保施工安全。

優(yōu)化效果:該項目多次將氣墊艙降為常壓，時間5～15 d，由于措施管控到位，及時根據(jù)掌子面壓力衰減情況補充帶有壓力的漿液，氣墊艙常壓工作期間掌子面均安全可控，有效地保證了施工安全。

圖2 新增球閥位置示意圖Fig.2 Position of added ball valve

2.2.2 排漿系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.2.1 主機排漿口管路優(yōu)化

盾構由于受到掘進距離長、斷面大及地層復雜等因素影響，主機排漿管路磨損一般是最嚴重的，也是最難更換的，特別是中盾排漿口處的管路耐磨處理及更換，不僅耗時費工，而且安全風險較大。針對這種情況，建議在原有基礎上新增1條排漿口管路，當其中1條管路磨損嚴重時，啟用另1條管路，以減少停機時間和降低安全風險。但是考慮到中盾結構緊湊、空間狹小等因素的制約，建議15 m級以上大直徑泥水盾構長距離掘進時進行此種優(yōu)化方法。

2.2.2.2 其他排漿管優(yōu)化

1)在盾構掘進過程中，排漿管彎頭磨損優(yōu)先和嚴重于平直管路，所以彎頭除正常采用耐磨材質的管材外，還需要在鑄造過程中對彎頭部位進行加厚處理或者在投入使用前加焊耐磨鋼板，如圖3所示。

圖3 耐磨彎頭Fig.3 Anti-wearing elbow

2)在復雜砂卵石地層掘進過程中，隧洞內排漿管路的磨損也是十分嚴重的。該項目每掘進300 m左右，管路就磨透了，需要進行補焊或更換，所以需要提前考慮排漿管路的磨損問題。利用耐磨復合雙層管代替原排漿管，即采用φ619 mm大管套φ355 mm小管，中間灌注含硅粉及玻璃纖維絲的C50耐磨混凝土。耐磨復合雙層管如圖4所示。

優(yōu)化效果:經(jīng)過上述優(yōu)化措施，該項目由于排漿管磨透而造成盾構停機的概率大大降低了，特別是耐磨復合雙層管的成功應用，耐磨性能提高了5～8倍，目前已經(jīng)成功運用約1.5 km。

2.3 破碎機和泥艙門優(yōu)化

由于破碎機和泥艙門所處的工作環(huán)境十分惡劣，在掘進過程中，液壓油缸、管路及接頭經(jīng)常由于砂卵石的頻繁沖擊和碴土擠壓而損壞。所以，必須采取必要的防護措施進行保護，減少故障停機。其優(yōu)化措施是利用高質量的橡膠軟管穿套保護液壓管路，管路接頭部位利用鋼板及螺栓將其進行封閉保護。實踐證明，經(jīng)過優(yōu)化改造后，破碎機和泥艙門的故障率大大降低了。

圖4 耐磨復合雙層管Fig.4 Anti-wearing double-shell pipes

2.4 電氣系統(tǒng)優(yōu)化保護

在盾構機電控區(qū)域，進排漿管路也存在管路磨穿及爆管危險，高壓力泥水沖破電控柜的密封保護而進入柜內，造成極大危險;所以，需要對其進行封閉保護，同時利用便攜式超聲波測厚儀定期測量該區(qū)域的管路壁厚，對不合格的、達到磨損標準的管路及時進行更換，如圖5所示。經(jīng)過上述優(yōu)化改進措施，施工中有效地保證了電控區(qū)域的電氣安全，值得借鑒和推廣。

2.5 監(jiān)控檢測系統(tǒng)優(yōu)化

在復雜砂卵石地層中施工，及時掌握刀盤刀具的磨損狀態(tài)是至關重要的。目前國內外盾構檢測刀盤刀具磨損的方法基本上都采用液壓方式，即刀具磨損達到額定標準，檢測刀的液壓力消失，從而說明刀具磨損已經(jīng)達到設計要求。但由于此液壓油管路是通過刀盤旋轉中心連接到檢測刀上的，受到刀盤頻繁旋轉和旋轉中心密封等因素影響而經(jīng)常損壞，更換維修十分困難，無法較好地投入使用;特別是在長大盾構高水壓條件下施工，無法較好地達到預期效果。所以，需要一種新型檢測刀來解決此問題。下面介紹3種檢測方法，但僅限于概念理論方面。

2.5.1 藍牙刀具檢測裝置

該裝置是采用超聲波測厚儀對檢測刀的合金頭厚度進行測量，然后通過藍牙無線傳送信號方式將數(shù)據(jù)傳至盾構機內，由電腦讀取。優(yōu)點是不受管線限制，可以檢測磨損最嚴重的周邊刀具。缺點是由于受到刀盤的頻繁振動沖擊和檢測裝置密封不嚴，導致檢測數(shù)據(jù)不準或裝置損壞，且藍牙信號無法在水中傳播，數(shù)據(jù)讀取必須在盾構停止后進行，并將安裝有檢測裝置的輻條停在上方，同時降低液位，保證藍牙信號傳輸端露出，隨后才能讀取數(shù)據(jù)。

2.5.2 醫(yī)學示蹤技術

示蹤就是指示跟蹤，是指以放射性元素或者化合物作為示蹤劑，應用射線探測儀器檢測示蹤劑的行蹤，研究被標記物在生物體系或者外界環(huán)境中的分布狀態(tài)或變化規(guī)律的技術。其特點主要有代表性和可測性，利用高靈敏度的儀器能夠準確定量、定位和定性探測。所以從原理上講，此種技術同樣可以用于泥水盾構施工的刀具檢測。即在檢測刀中注入一定容積的放射性同位素并封閉，在排漿管路上安裝相應的探測儀器，當?shù)毒吣p達到標準后，放射性元素進入刀盤艙內，當儀器探測到該放射性元素時，說明刀具已經(jīng)達到磨損極限，需要進行更換。此種技術的優(yōu)點在于無需像液壓檢測刀那樣從刀盤旋轉中心連接液壓管路到檢測刀上，同時也避免了藍牙檢測刀信號傳輸困難、測量不準的問題，同時此種技術也可以用于檢測刀盤外圈。

2.5.3 內窺鏡技術

內窺鏡是一種光學儀器，通過視頻攝像頭電子顯示的方式檢測肉眼無法直接觀測的地方，可對被檢測對象的內部缺陷進行視覺定性檢查和定量測量等檢測工作。此種技術同樣可以用于盾構刀盤的檢查，即需要檢查時，先將刀盤艙內液位降低到要求后，將盾構上自備的攝影頭(具有伸縮及轉向功能)伸出至刀盤區(qū)域(正常情況下，攝影頭封閉在盾構機結構內，需要時伸出)，觀察、拍攝、錄像刀盤刀具磨損狀況及觀察掌子面地層狀況。

2.6 設備管理及配置優(yōu)化

1)環(huán)境保護。該項目施工中，由于黏土含量較高，造成進漿比重居高不下，高比重泥漿無法有效攜帶碴土，同時造成循環(huán)系統(tǒng)負荷加重、泥水分離困難及設備故障頻發(fā)，經(jīng)常導致不得已停機，同時產(chǎn)生大量廢棄泥漿［8］，所以必須采取措施進行優(yōu)化。經(jīng)過充分論證，最后確定以壓濾及離心分離為主、絮凝沉淀為輔的優(yōu)化方案，有效地降低了泥漿比重，掘進效率得到了明顯提高，達到了零排放、零污染的目的。

2)帶壓進倉優(yōu)化設計。針對大直徑泥水盾構高水壓條件下長距離施工，不可避免地要進行帶壓進艙檢修和維護刀盤刀具，所以需要充分考慮檢修及維護的方便快捷、節(jié)約人力、工期及成本等方面的問題。即考慮盾構主機雙人艙設計，盾構拖車高壓居住艙、中轉艙及醫(yī)療艙配置設計，刀盤艙刀具輕便拆裝設施及吊具的設計等，以達到施工安全和節(jié)約工期的目的。

3 結論與討論

通過對北京某項目12 m級泥水盾構在施工過程中出現(xiàn)的問題進行深入探討，找出了問題產(chǎn)生的原因，提出了優(yōu)化措施，并驗證了優(yōu)化措施的可行性，得出了大直徑泥水盾構長距離施工的經(jīng)驗，可為類似工程提供借鑒。但作為盾構法施工的核心設備，盾構的設計、制造及輔助設施配置的合理化是重中之重，還有許多問題、難題需要解決，值得我們今后深入研究。

21世紀是我國長大隧道、地下空間大力開發(fā)利用的時代，目前國內長大泥水盾構工程愈來愈多，不斷地進行更高層次的挑戰(zhàn)，相信在不遠的將來，瓊州海峽、臺灣海峽、渤海海峽等大通道隧道建設也會應運而生，而泥水盾構法作為其首選方案，無疑將被優(yōu)先考慮和采用。對于大直徑泥水盾構長距離施工而言，盾構選型、設計聯(lián)絡及優(yōu)化設計至關重要，需要進行認真研究和反復論證，確保設備性能良好、功能完備，從而保證施工的質量和安全。

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