盾構(gòu)機(jī)加水系統(tǒng)改造探討

摘要：為了解決成都復(fù)合地層采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)刀盤容易結(jié)泥餅的問題，通過對(duì)原有泡沫系統(tǒng)和膨潤(rùn)土系統(tǒng)的改造，新增一套加水系統(tǒng)并入原有的管路，解決了推進(jìn)過程中加水不足的問題，目前該系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于盾構(gòu)施工。

關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；泡沫系統(tǒng)；膨潤(rùn)土系統(tǒng)；加水系統(tǒng)；盾構(gòu)施工；系統(tǒng)改造 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U455 文章編號(hào)：1009-2374（2017）05-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.012

隨著我國(guó)越來越多的城市進(jìn)行地鐵、隧道、綜合管廊施工，盾構(gòu)機(jī)的使用也越來越廣泛，其中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)使用較多。為了適應(yīng)復(fù)合地層的推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)都配備了渣土改良系統(tǒng)，主要是泡沫系統(tǒng)和膨潤(rùn)土系統(tǒng)，泡沫劑和膨潤(rùn)土作為土壤改良介質(zhì)，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程與土體混合在一起，提高了流動(dòng)性和塑性以及防水滲透性，可以降低刀盤扭矩，減少刀具磨損，防止土倉泥土黏附壓實(shí)。

目前海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)標(biāo)配的泡沫系統(tǒng)由測(cè)量控制系統(tǒng)、6個(gè)泡沫發(fā)生器、1個(gè)1.5kW水泵（流量為133L/min）、1個(gè)0.37kW泡沫泵（流量為5L/min）、刀盤上的8個(gè)注入點(diǎn)、土倉面板上的4個(gè)注入點(diǎn)、螺旋機(jī)上的8個(gè)注入點(diǎn)等組成；膨潤(rùn)土系統(tǒng)由1個(gè)5.5kW電機(jī)（流量為166L/min）、連接橋上并入泡沫系統(tǒng)的6條管路組成，該泡沫系統(tǒng)可通過混合水、空氣和發(fā)泡劑，并設(shè)定發(fā)泡率FER和注入率FIR，自動(dòng)在推進(jìn)過程中向土倉加入泡沫劑。原液配比一般選用2%～5%之間，發(fā)泡倍率FER一般選擇在8～20之間，泡沫注入率FIR一般選擇20%～70%之間，但是由于泡沫系統(tǒng)應(yīng)用范圍有限，特殊地層容易發(fā)生結(jié)泥餅和噴涌現(xiàn)象。

1 問題現(xiàn)狀

筆者所在某項(xiàng)目部為成都一號(hào)線某項(xiàng)目部，隧道地層為中風(fēng)化泥巖、砂巖復(fù)合地層地層，據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示：中等風(fēng)化泥巖（⑤13）：紫紅色，巖質(zhì)較軟，含少量砂質(zhì)，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，裂隙面充填灰綠色黏土礦物，錘擊聲半啞～較脆。巖芯多呈短柱狀，少量長(zhǎng)柱狀或碎塊狀，飽和抗壓強(qiáng)度值Rc=2.0～4.4MPa，中等風(fēng)化砂巖（⑤23）：紫紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面充填灰綠色黏土礦物，錘擊聲半啞～較脆。巖芯多呈短柱狀，少量長(zhǎng)柱狀或碎塊狀，飽和抗壓強(qiáng)度值Rc=5.87～8.92MPa，兩者均屬于軟巖，弱透水層，富水性差，黏性強(qiáng)，根據(jù)成都地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，其滲透系數(shù)k綜合取值為0.50m/d。項(xiàng)目部采用海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)自始發(fā)掘進(jìn)至44環(huán)，通過不斷調(diào)整土倉壓力（實(shí)際1.2Bar）、泡沫參數(shù)（實(shí)際FER=12，F(xiàn)IR=200）和刀盤轉(zhuǎn)速（實(shí)際1.5rpm/min），盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)平均推力仍然達(dá)到16000kN以上；掘進(jìn)平均扭矩3.2kN·m以上；推進(jìn)平均速度只有20mm左右，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率極低。

項(xiàng)目部在23環(huán)及44環(huán)分別進(jìn)行了開倉檢查，渣樣檢查為泥巖，渣樣含水率較小，雖然已經(jīng)選擇了發(fā)泡倍率較小的普通氣泡（FER=12）和較大的泡沫注入率（FIR=200%），但是刀盤面板仍然結(jié)泥餅嚴(yán)重，泡沫系統(tǒng)面板顯示各路流量實(shí)際只有20～30L/mim，其中中心部位完全固結(jié)，泡沫2號(hào)噴頭已經(jīng)堵死，渣土改良效果差是導(dǎo)致各掘進(jìn)參數(shù)不正常的主要原因。

根據(jù)海瑞克盾構(gòu)機(jī)渣土改良系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)資料顯示，該盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)共6路，每路由單獨(dú)1套1.5kW螺桿泵控制，刀盤面板有8個(gè)泡沫噴口，說明其中有兩路泡沫采用一拖二形式，即一條管路對(duì)應(yīng)2個(gè)泡沫噴頭，每個(gè)泡沫發(fā)生器向外供應(yīng)的泡沫的壓力是一個(gè)定值，由于其中兩條管路設(shè)有同直徑的分支管路，則這兩條管路的壓力將比其他4條管路壓力小，在這種黏性高的地層中掘進(jìn)時(shí)，其中1個(gè)噴頭很容易被堵塞，所有流量全部集中到另一個(gè)噴頭，該堵塞噴頭更加沒有泡沫壓力沖掉堵塞物，如此循環(huán)下去最終整條管路將全部堵死。

土倉承壓墻有預(yù)留管路接口6個(gè)，但刀盤無中心加水管路。該地層掘進(jìn)中渣土改良中對(duì)加水有較高要求，該盾構(gòu)機(jī)原有的泡沫系統(tǒng)和膨潤(rùn)土系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足加水的要求，為增加注水控制，提高渣土改良效果，實(shí)現(xiàn)加水恒壓恒流量調(diào)節(jié)控制，因此對(duì)加水系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 改造措施

為加大水量注入，擬定增設(shè)3套管路，由于在盾構(gòu)機(jī)上增加設(shè)備，需要滿足以下三個(gè)方面要求：（1）經(jīng)濟(jì)實(shí)用，元器件通用性好，互換性強(qiáng)，消耗配件易購買；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐高溫耐潮濕工作可靠、安裝方便；（3）提高壓力，減少堵管幾率，保證加水量的穩(wěn)定，預(yù)期系統(tǒng)流量：0～300L/min（穩(wěn)定范圍90～300L/min），系統(tǒng)壓力0～10Bar；選用普通三相異步電機(jī)電機(jī)功率：15kW/h，電機(jī)絕緣等級(jí)為F級(jí)，最高允許溫度為155℃，參考工作溫度為120℃。限定電機(jī)可調(diào)頻率范圍為15～50Hz，調(diào)速范圍為879～2930轉(zhuǎn)（因風(fēng)扇為非獨(dú)立風(fēng)扇，與電機(jī)轉(zhuǎn)速同步，不能長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行，實(shí)際使用轉(zhuǎn)速采用較高轉(zhuǎn)速），配套水泵為增壓泵15kW，配套變頻器18.5kW，要求調(diào)節(jié)旋鈕電位計(jì)實(shí)現(xiàn)供水流量的可調(diào)節(jié)，供水流量的實(shí)時(shí)顯示，此外在可能情況下還需要實(shí)現(xiàn)累計(jì)供水量和單次供水量的顯示。

2.1 泵出口流量控制

通過三臺(tái)18.5kW變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)三臺(tái)15kW增壓泵電機(jī)進(jìn)行控制，變頻器通過檢測(cè)輸入端的旋鈕的位置，從而對(duì)變頻器的輸出頻率進(jìn)行改變，這樣做到對(duì)電機(jī)進(jìn)行無極調(diào)速，進(jìn)而得到不同的流量，每一個(gè)泵管路的出口加裝流量計(jì)及壓力傳感器，這樣可以對(duì)每路的流量及壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該數(shù)值直接傳遞到顯示

屏上。

2.2 對(duì)刀盤及旋轉(zhuǎn)節(jié)的改造

刀盤原有泡沫管路8路保留5路，1路改為膨潤(rùn)土輔助注入，另外2路接入加水系統(tǒng)管路，在旋轉(zhuǎn)節(jié)中心鉆孔，增加1路接入加水系統(tǒng)管路，承壓墻上增加2路膨潤(rùn)土輔助注入。

2.3 系統(tǒng)的操作

變頻器調(diào)節(jié)旋鈕、壓力傳感器顯示屏、流量計(jì)顯示頻做在一個(gè)面板上，放置于控制室內(nèi)，通過PLC總線控制，這樣可以遠(yuǎn)程操作和檢測(cè)每路的壓力及流量，根據(jù)需要對(duì)每路的輸出流量進(jìn)行控制。

2.4 盾構(gòu)機(jī)加水系統(tǒng)改造內(nèi)容

觸摸顯示器1件，變頻器3套，電機(jī)及泵3套，壓力變送器3套，流量計(jì)3套，流量計(jì)二次表3套，線纜及安裝柜1套，PLC控制器1套，其他（如法蘭等）1套，軟件編程及現(xiàn)場(chǎng)施工1套。

3 改造效果

通過對(duì)加水系統(tǒng)進(jìn)行改造，推進(jìn)時(shí)的加水量得到增加和控制，平均每環(huán)（推進(jìn)45分鐘）增加注水15000～18000L，折合每根管路120L/min，出渣口排出的渣樣顯示渣樣中含水量增加，渣土改良效果較好，該盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)基本正常：土倉壓力降到0.8Bar，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)平均推力降到10000kN左右；掘進(jìn)扭矩3.2kN·m左右；推進(jìn)速度40mm左右，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率大大提高。

4 結(jié)語

通過加水系統(tǒng)的改造，在后來的掘進(jìn)中刀盤再也沒有結(jié)泥餅，出渣效果較好，掘進(jìn)效率也得到了提高，該系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛加裝在筆者項(xiàng)目部盾構(gòu)機(jī)上，其中新造盾構(gòu)機(jī)也要求廠家在出廠時(shí)進(jìn)行加裝。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張宇，王大江，王小軍，張志勇.土壓平衡式盾構(gòu)泡沫控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].工程機(jī)械，2014，（11）.

作者簡(jiǎn)介：楊磊（1983-），四川人，中鐵二局工程有限公司城通分公司機(jī)械工程師，研究方向：地鐵盾構(gòu)設(shè)備管理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）