福州地區(qū)泥水盾構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用

楊 輝，王 濤，張文強(qiáng)

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

泥水氣壓平衡式盾構(gòu)[1]（簡稱泥水盾構(gòu)）是一種利用泥水壓力來保持開挖面穩(wěn)定的特殊盾構(gòu)，其泥水控制系統(tǒng)和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是保證工程順利進(jìn)展的關(guān)鍵。其采用泥漿或氣壓支撐工作面，其工作原理如圖1所示。常采用懸浮液泥漿，懸浮液在壓力的作用下進(jìn)入土壤并利用其中包含的固體顆粒封閉隧道工作面，形成一層薄的不透水模，開挖艙中有壓力的懸浮液就能平衡工作面上的土壓及水壓，以使隧道工作面得到很好的支撐。

圖1 泥水氣壓平衡原理

在泥水平衡盾構(gòu)中起支護(hù)作用[2]的液體同時(shí)又作為運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)，由開挖工具開挖的土料在開挖艙與懸浮液混合，然后，土料/懸浮液的混合物被泵送到地面。在地面的分離廠中懸浮液從土料中分離出來，分離出來的懸浮液添加新的膨潤土后再泵回隧道工作面進(jìn)行循環(huán)利用。

泥水盾構(gòu)按生產(chǎn)國家分為日系、德系和英系[3]，目前使用比較廣泛是日系和德系。日系為直接控制模式，由泥漿液體直接支護(hù)開挖面并提供維持平衡壓力的盾構(gòu)，德系是間接控制式盾構(gòu)，其通過支護(hù)液體的壓力插入一個(gè)空氣緩沖層加以控制，即通過空氣緩沖層的壓力控制，間接控制開挖面的壓力。

日系泥水盾構(gòu)的泥漿壓力，在循環(huán)掘進(jìn)時(shí)，通過調(diào)整進(jìn)漿泵的轉(zhuǎn)速或者調(diào)整進(jìn)漿泵出口節(jié)流閥的開口比值來實(shí)現(xiàn)壓力控制的。因此掘進(jìn)速度、地層變化、掘進(jìn)深度及其掘進(jìn)長度對壓力均有影響。調(diào)節(jié)泵的壓力是通過中心控制室的自動(dòng)調(diào)節(jié)完成。德系的空氣室的壓力是根據(jù)開挖面需要的支護(hù)泥漿壓力設(shè)定的，空氣壓力可通過空氣控制閥使壓力保持恒定。同時(shí)由于空氣緩沖層的彈性作用，即使液位波動(dòng)或出現(xiàn)突然的泄漏，對土倉壓力也無明顯影響。

國內(nèi)泥水盾構(gòu)的前盾分為2個(gè)倉室，分別為泥水倉（或開挖倉）和氣墊倉。其中泥水倉掘進(jìn)時(shí)一般充滿泥水，氣墊倉在掘進(jìn)時(shí)一般底部為泥水，上部為壓縮空氣?？諝鈧}和泥水倉之間可以進(jìn)行壓力交換來保證開挖倉內(nèi)的壓力平衡。

1 工程簡介

福州地鐵2號(hào)線起于閩侯大學(xué)城組團(tuán)北部國賓大道沿線的沙堤站，終于晉安區(qū)鼓山風(fēng)景區(qū)入口處的鼓山站。線路全長約26.2km，全部為地下線。沿線場地多為市區(qū)主干道、住宅、寫字樓、商店等，總體地勢起伏不大，高程主要在5～13m間。地下區(qū)間埋深8.4～30.1m。沿線場地場地地貌單元主要為山前沖淤積平原地貌，工程地質(zhì)分區(qū)屬?zèng)_、淤積區(qū)。其中厚庭站至桔園洲站區(qū)間采用泥水盾構(gòu)施工，總長度約2 667.97m。區(qū)間共設(shè)4處聯(lián)絡(luò)通道，其中一處聯(lián)絡(luò)通道兼區(qū)間泵房，此外還設(shè)一處區(qū)間風(fēng)井。地層自上而下依次為素填土、雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、粗中砂（中密）、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土。根據(jù)1標(biāo)段沿線地下水按賦存條件、含水介質(zhì)及水利特征分析，地下水主要分為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水（包括潛水和承壓水）、基巖構(gòu)造裂隙水三種類型。

沿線地下水主要分為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水（包括潛水和承壓水）、基巖構(gòu)造裂隙水三種類型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，沿線地質(zhì)巖土的力學(xué)性能如表1。

福州2號(hào)線厚庭站-橘園洲站區(qū)間總長2.827公里，站間距為2號(hào)線最長，其中過江段長度約為1 700m，掘進(jìn)橫穿的烏龍江為強(qiáng)透水地層，存在大粒徑卵石，穿越難度巨大淤泥質(zhì)土、密實(shí)卵石層地質(zhì)條件，針對這些情況研制的?6 480mm泥水氣壓平衡式盾構(gòu)，采用大開口率刀盤設(shè)計(jì)及先行刀具布置、泥水控制系統(tǒng)（氣泡倉控制技術(shù)、可逆洗的泥水循環(huán)技術(shù)、泥水分流器設(shè)計(jì)技術(shù)）、破碎機(jī)設(shè)計(jì)、三通球閥式接管其設(shè)計(jì)等技術(shù)。盾構(gòu)在該區(qū)間施工未曾出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅、出現(xiàn)盾構(gòu)下沉、結(jié)泥餅、噴涌、塌方、頻繁換刀、掘進(jìn)困難等問題，并實(shí)現(xiàn)2 660m連續(xù)掘進(jìn)未換刀的記錄。

2 大開口率刀盤設(shè)計(jì)

刀盤采用34%的大開口率設(shè)計(jì)，可以通過較大塊粒的卵石及切削下的石塊，減少刀盤前面的刀具的磨損，降低掘進(jìn)過程中刀盤的轉(zhuǎn)矩。刀盤中心設(shè)置4個(gè)注水口，有效防止刀盤中心土砂粘結(jié)。切削刀、刮刀切削軌跡已經(jīng)布滿整個(gè)開挖面，且相鄰刀具切削軌跡之間具有一定的重疊，確保整個(gè)開挖面被完全切削掉。在不同的切削半徑上，所布置的切削刀具數(shù)量不同，且隨著半徑的增加而增多，可以使得切削刀具在一定程度上盡可能的等壽命。同組切削刀具之間以及不同組切削刀具之間應(yīng)保持一定的相位角差，使得整個(gè)刀盤形成一種順次切削，降低切削刀具切削扭矩的同時(shí)，提高了切削效率。刀盤的周邊焊有耐磨條，刀盤的面板焊接有格柵狀的Hardox耐磨材料，耐磨板厚度10mm，充分保證刀盤在巖層掘進(jìn)時(shí)的耐磨性能。參見圖2。

圖2 福州地鐵2號(hào)線泥水盾構(gòu)刀盤刀具布置圖

表1 場地土層地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)表

3 泥水控制系統(tǒng)的研究

3.1 雙路氣泡倉控制技術(shù)

本次采用了氣體緩沖效果的氣壓控制方式。即通過調(diào)整送泥泵的轉(zhuǎn)速控制送往艙內(nèi)的泥水水平面，調(diào)整排泥泵的轉(zhuǎn)速控制排泥流量，同時(shí)通過使用氣壓艙的壓力控制，使得對挖掘面壓力的控制更加精確。

氣壓艙的壓力控制系統(tǒng)由空壓機(jī)、氣壓調(diào)節(jié)裝置、壓力傳感器以及空氣控制閥構(gòu)成，通過控制艙內(nèi)壓力的PID控制（比例，積分，微分控制），能夠以0.01bar的精度管理艙內(nèi)壓力。

空氣壓力調(diào)節(jié)裝置使用的Samson系統(tǒng)。圖3為Samson系統(tǒng)控制原理圖。

圖3 Samson系統(tǒng)控制原理圖

1）氣泡艙的容積氣泡艙設(shè)置在隧道掘進(jìn)機(jī)外周部分是環(huán)形（底部為缺圓形），泥水的水位標(biāo)準(zhǔn)控制在接近中心線的位置，挖掘面的泥水艙的容積=挖掘面和氣泡艙側(cè)面之間的體積。

2）氣壓、容積的控制幅度氣泡艙的容積隨壓力的變動(dòng)而變動(dòng)[4-5]。對于容積的變動(dòng)需要有充分富裕的空氣容積。在此對它們進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)PV=定值的理論，泥水壓力控制幅度ΔP以空氣調(diào)整容量ΔV進(jìn)行基本的控制。

PV=(P+ΔP)(V+ΔV)

ΔP=PV/(V+ΔV)-P

ΔV=PV/(P+ΔP)-V

式中P——泥水壓力；

V——?dú)馀菖撊莘e；

ΔP—— 控制幅度(控制幅度ΔP=±0.2MPa)。

通過計(jì)算，對容積的變化量可以確保氣泡艙充分的容積，從而保證切口壓力的控制精度滿足0.01MPa。

3）泥水面變化量氣泡艙的控制是通過調(diào)整氣壓和泥水水位來進(jìn)行的。泥水水位的控制標(biāo)準(zhǔn)在中心線。容積的控制幅度為上述值時(shí)，水位面的變化為下述數(shù)值：

氣泡艙斷面積A=14m2；容積變化量ΔVMax=±21m3（壓力變化相當(dāng)于ΔPMax=0.20MPa）；ΔVMin=±1.3m3（ 壓 力 變 化 相 當(dāng) 于ΔPMin=0.01MPa）；泥水面變化量ΔH＝ΔV/A。

因此，隨著壓力的變動(dòng)泥水面的變化量為以下數(shù)值：

ΔHMax=±21m3/14m2=±1.5m

ΔHMin=±1.3m3/14m2=±0.09m

采用日系的氣泡艙從結(jié)構(gòu)上能夠充分控制這種泥水面的變化量。

從上述的結(jié)果來看，設(shè)計(jì)的氣泡艙對于本項(xiàng)目的要求具有充分的能力。

3.2 可逆洗的泥水循環(huán)技術(shù)

此項(xiàng)技術(shù)在傳統(tǒng)的反循環(huán)模式上改進(jìn)而來，傳統(tǒng)的反循環(huán)模式在發(fā)生堵塞時(shí)，在保證開挖倉內(nèi)壓力平衡的條件下，整個(gè)進(jìn)泥系統(tǒng)或者出泥系統(tǒng)進(jìn)行逆循環(huán)。此項(xiàng)技術(shù)中配置多個(gè)壓力傳感器，自動(dòng)識(shí)別可能堵管的位置，通過局部逆洗及時(shí)防止排漿管堵塞、滯排；當(dāng)前方出現(xiàn)意外坍陷，泥水艙下部堆積很多泥漿時(shí)，可以利用多層逆洗功能，分層次分區(qū)域地沖洗，有利于排出堆積的泥漿。通過分流器將排出的泥漿逆洗到排泥口，逆洗的泥漿濃度保持不變，利于泥膜的穩(wěn)定。逆循環(huán)系統(tǒng)見圖4。

圖4 可逆洗的泥水循環(huán)系統(tǒng)

3.3 分流器設(shè)計(jì)

泥水分流器主要作用是將盾構(gòu)切削土砂形成的泥水進(jìn)行顆粒分離和處理，再將回收泥漿泵入調(diào)整槽。

一般分離器采用振動(dòng)篩作為首道初級分離比較合適，振動(dòng)篩的作用是對泥水作預(yù)處理，去除團(tuán)狀或塊狀粗大顆粒。粗顆粒的分離采用3層振動(dòng)篩，〈10mm粒徑顆粒通過第一層振動(dòng)篩進(jìn)入第二層，〈6mm粒徑顆粒經(jīng)振動(dòng)篩進(jìn)入第三層，≤3mm泥漿顆粒下料進(jìn)入沉淀池，振動(dòng)篩上面的顆粒物排至堆土場。旋流處理分系統(tǒng)的主要功能是將經(jīng)過分離以后的中西顆粒漿液再次進(jìn)行細(xì)化處理，依次降低漿液粒徑，處理系統(tǒng)一般采用多級旋流器。

針對卵石、中粗砂等地層，泥水輸送過程中會(huì)伴隨著卵石一起循環(huán)，對管路造成嚴(yán)重堵塞及磨損現(xiàn)象，采用獨(dú)有的排渣設(shè)計(jì)。通過分流器將排出的泥漿逆洗到排泥口，逆洗的泥漿濃度保持不變，利于泥膜的穩(wěn)定。

4 破碎機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了避免破碎機(jī)油缸鉸接處液壓管路的破損，對油缸液壓管路采用了內(nèi)置式設(shè)計(jì)，解決了破碎機(jī)在使用一段時(shí)間后，油缸管路損壞難以修復(fù)而無法繼續(xù)使用的問題，滿足長距離、復(fù)雜地層使用的需求。同時(shí)為了讓人進(jìn)入氣泡艙對破碎機(jī)進(jìn)行檢修，設(shè)置了整體式閘門及格柵，能夠承受10bar的水土壓力，在閘門關(guān)閉下，常壓進(jìn)入氣泡艙維修和檢查。同時(shí)針對卵石地層排渣困難，提高了排泥管的流速，同時(shí)改進(jìn)了破碎機(jī)的破碎能力，提高破碎頻率，確保卵石小于100mm，以順利通過格柵，解決了卵石的滯排現(xiàn)象。參見圖5。

圖5 破碎機(jī)示意圖

5 環(huán)保型接管器技術(shù)

泥水盾構(gòu)的管路多而復(fù)雜，經(jīng)常對管路進(jìn)行更換或者由于管路內(nèi)壓力比較大時(shí)，泥水會(huì)通過接管器流到隧道內(nèi)，對施工帶來不便?？偨Y(jié)以往經(jīng)驗(yàn)，此項(xiàng)目中采用三通打球式接管器（圖6），在接管時(shí)將管路打開，泥水不會(huì)溢出到隧道內(nèi)，徹底改善了隧道的施工環(huán)境，減少清理隧道的成本，實(shí)現(xiàn)了綠色文明的施工現(xiàn)場。

圖6 接管器

6 總 結(jié)

福州2號(hào)線厚庭站-橘園洲站區(qū)間總長2.827km，站間距為2號(hào)線最長，其中過江段長度約為1 700m，掘進(jìn)橫穿的烏龍江為強(qiáng)透水地層，存在大粒徑卵石，穿越難度巨大淤泥質(zhì)土、密實(shí)卵石層地質(zhì)條件，針對這些情況研制的?6 480mm泥水氣壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，采用大開口率刀盤設(shè)計(jì)及先行刀具布置、泥水控制系統(tǒng)（氣泡倉控制技術(shù)、可逆洗的泥水循環(huán)技術(shù)、泥水分流器設(shè)計(jì)技術(shù)）、破碎機(jī)設(shè)計(jì)、三通球閥式接管其設(shè)計(jì)等技術(shù)。盾構(gòu)在該區(qū)間施工未曾出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅、出現(xiàn)盾構(gòu)下沉、結(jié)泥餅、噴涌、塌方、頻繁換刀、掘進(jìn)困難等問題，并實(shí)現(xiàn)2 660m連續(xù)掘進(jìn)未換刀的記錄。