泥水盾構(gòu)的壓力設(shè)定分析及其應(yīng)用

石小政 韋詩圣

摘 要：泥水盾構(gòu)的壓力設(shè)定是控制地層沉降、隆起的關(guān)鍵。文章基于泥水盾構(gòu)的壓力平衡原理，圍繞泥水盾構(gòu)施工中的壓力設(shè)定進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為解決泥水盾構(gòu)壓力平衡問題提供參考。

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu) 設(shè)定壓力 壓力平衡

鑒于當(dāng)前的業(yè)內(nèi)所說的泥水盾構(gòu)（或稱泥水平衡盾構(gòu)）通常專指氣墊式泥水盾構(gòu)（或稱為混合式泥水盾構(gòu)，或稱間接控制型泥水盾構(gòu)），且泥水平衡盾構(gòu)（或稱直接控制型泥水盾構(gòu)）目前已被淘汰，所以文章主要講解氣墊式泥水盾構(gòu)，直接控制型泥水盾構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容只作為講解氣墊式泥水盾構(gòu)工作壓力問題的輔助材料。

1.泥水盾構(gòu)的壓力平衡原理

1.1泥水平衡盾構(gòu)

（1）盾構(gòu)不施工時，依靠盾構(gòu)的閉胸特點，達(dá)到工作面的壓力靜態(tài)平衡；

（2）在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，通過把刀盤切削的渣土、盾構(gòu)推進(jìn)長度中的含水量、進(jìn)漿量及出漿量操控到相對平衡，來避免地層的沉降或隆起。

1.2氣墊式泥水盾構(gòu)

（1）盾構(gòu)不施工時，依靠泥漿在掌子面形成的泥膜、氣墊倉中氣壓的壓力通過連通器傳遞給泥水倉泥水的壓力、掌子面的水土壓力三者形成平衡，泥膜一定程度上起到中合泥水倉泥水的壓力與掌子面的水土壓力的偏差影響，泥膜的優(yōu)劣直接影響氣壓設(shè)定值與掌子面水土壓力值之間允許偏差值的大小，泥膜質(zhì)量越好，允許偏差值越大；

（2）在盾構(gòu)推進(jìn)過程中：通過單位時間內(nèi)刀盤切削的渣土及推進(jìn)長度內(nèi)的含水量、泥漿在掌子面形成的泥膜、氣墊倉中氣壓的壓力通過連通器傳遞給泥水倉泥水的壓力、掌子面的水土壓力、進(jìn)漿管的進(jìn)漿量、出漿管的出漿量等所有因素控制至相對平衡。

2.泥水盾構(gòu)施工中設(shè)定的掌子面工作壓力計算

以過江隧道為例來講解氣墊式泥水盾構(gòu)的壓力計算。過江隧道泥水盾構(gòu)穿越段有3種典型地層：（1）粘性土地層；（2）岸上段砂層地層；（3）過江段穿越砂層。對于第一種地層按照水土分算的原則計算刀盤泥水倉頂部壓力，對于第二、第三種地層則按照水土分算方式計算。計算簡圖如圖1～圖3所示。

在圖1～圖3中，γ、h1、H以及Ka都是變化的量，且在隧道施工中這些數(shù)值多是根據(jù)有限的地質(zhì)堪探孔估測的值，所以基于這些數(shù)值計算出來的壓力值存在偏差，其中造成偏差最大的因素主要是h1、H。

3.氣墊式泥水盾構(gòu)施工的設(shè)定壓力與地層的水土壓力的偏差值偏離允許范圍后的常見問題

（1）通過基于計算壓力而設(shè)定的工作壓力低時，容易造成地層中的水土超挖（盾構(gòu)掘進(jìn)）或水土流失（盾構(gòu)停機(jī)），最終造成不同程度的地面沉降；

（2）通過計算壓力設(shè)定的工作壓力高時容易造成氣體進(jìn)入地層，進(jìn)而造成地層被擊穿、泥膜失效，最終導(dǎo)致工作壓力難以穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)不同程度的冒頂。

綜上，壓力設(shè)定的一定范圍內(nèi)的偏高比偏低對泥水盾構(gòu)施工自身來講，造成的危害更大。氣墊倉內(nèi)的壓力設(shè)定長時間偏高，也是很多泥水盾構(gòu)施工中隧道頂部被氣體擊穿，甚至出現(xiàn)大的冒頂事故的首要因素。

4.泥水盾構(gòu)施工的設(shè)定壓力與實際需求壓力的偏差值偏離允許范圍后的過程分析

（1）當(dāng)基于計算壓力執(zhí)行的氣墊倉設(shè)定工作壓力低于實際需求的壓力較小范圍時的分析：氣墊倉的設(shè)定壓力低于實際需求的壓力，泥水倉的壓力將低于實際需求的壓力，地層中的水會透過泥漿護(hù)壁，進(jìn)入到泥水倉，并通過氣墊倉與泥水倉的連通處向氣墊倉內(nèi)擠壓，氣墊倉內(nèi)的氣壓受壓后通過保壓系統(tǒng)的排氣閥向隧道內(nèi)排氣，同時氣墊倉內(nèi)液位升高，直至達(dá)到新的平衡。

（2）當(dāng)基于計算壓力執(zhí)行的氣墊倉設(shè)定工作壓力低于實際需求的壓力較大范圍時的分析：靠氣墊倉內(nèi)的高度緩沖的壓力差已不能解決偏差，泥漿會通過排氣管排入隧道，對氣體保壓系統(tǒng)制造危害，如果不及時關(guān)閉保壓系統(tǒng)的排氣閥或手動截止閥，將有泥水通過保壓系統(tǒng)的排氣管道涌入隧道的風(fēng)險。

（3）當(dāng)基于計算壓力執(zhí)行的氣墊倉設(shè)定工作壓力高于實際需求的壓力較小范圍時的分析：氣墊倉的設(shè)定壓力高于實際需求的壓力，氣墊倉內(nèi)的氣體所受壓力被釋放，并通過氣墊倉與泥水倉的連通處向泥水倉內(nèi)擠壓，泥水倉的壓力將高于實際需求的壓力，泥水會透過泥漿護(hù)壁，進(jìn)入到地層中，同時氣墊倉內(nèi)液位降低，直至達(dá)到新的平衡。

（4）當(dāng)基于計算壓力執(zhí)行的氣墊倉設(shè)定工作壓力高于實際需求的壓力較大范圍時的分析：靠氣墊倉內(nèi)的高度緩沖的壓力已不能解決壓力差，氣墊倉中的高壓氣體會將氣墊倉內(nèi)的液位壓至連通閘范圍內(nèi)，此時高壓氣體將通過連通閘竄入泥水倉，形成大量氣泡，氣泡上升并通過地層中的透水通道進(jìn)入地層；在高壓氣體逃逸過程中，其將破壞盾構(gòu)刀盤中上部區(qū)域的掌子面的泥膜，并通過盾構(gòu)機(jī)頂部至地面（過江段為水面）之間的透水通道穿出地層或水面；氣體穿透地層時間越長，單位時間內(nèi)穿透的氣體量越大，地層中的透水通道也將被動變得越多、越大，該現(xiàn)象即是冒頂。

5.泥水盾構(gòu)掘進(jìn)中設(shè)定壓力偏離實際需求壓力時的措施

（1）在確保不出現(xiàn)嚴(yán)重的冒頂或泥水通過氣壓調(diào)節(jié)排氣閘涌入隧道的情況下的措施：

①首先進(jìn)行微調(diào)（比如0～0.5bar），直至達(dá)到液位穩(wěn)定要求。

②微調(diào)已不能滿足需求，保壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)壓力需調(diào)至高于之前設(shè)計壓力的0.5bar（擬定值0.5bar，實際根據(jù)實況而定）以上，一方面需求核實隧道的工程資料及核算計算過程，一方面要立刻復(fù)查一下盾構(gòu)機(jī)是否存在故障（比如保壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)、泥水系統(tǒng)、液位傳感器、閥門等），如果經(jīng)最終核實所有這些都不存在問題，就需要測量人員復(fù)測埋深，甚至到所發(fā)生不穩(wěn)定區(qū)域的地面或水面復(fù)核工況。

（2）出現(xiàn)嚴(yán)重的冒頂或泥水通過氣壓調(diào)節(jié)排氣閘涌入隧道，且微調(diào)已不能解決問題的情況下的措施：

①檢查保壓系統(tǒng)是否處于供氣狀態(tài)，如果沒有處于供氣狀態(tài)則，關(guān)閉所有與泥水盾構(gòu)機(jī)倉內(nèi)相連的管道的手動閘閥，詳細(xì)檢查泥水盾構(gòu)氣體、流體系統(tǒng)是否存在閥門打開或關(guān)閉不嚴(yán)的情況。

②如果保壓系統(tǒng)一直處于供氣狀態(tài)，直接大幅度降低保壓氣壓，暫時穩(wěn)定供氣壓力，如果還不能使倉內(nèi)壓力穩(wěn)定，則直接關(guān)閉保壓系統(tǒng)，并把保壓系統(tǒng)通向倉內(nèi)的管道的手動閥門關(guān)閉，之后再詳細(xì)檢查泥水盾構(gòu)氣體、流體系統(tǒng)是否存在閥門打開或關(guān)閉不嚴(yán)的情況。

6.出現(xiàn)嚴(yán)重冒頂時的解決措施

（1）在通過不穩(wěn)定地層前，檢查泥水管路的閘閥，保證各控制閘閥能良好地控制泥水循環(huán)系統(tǒng)的良好運行，確保倉內(nèi)泥水的壓力穩(wěn)定。

（2）關(guān)閉保壓系統(tǒng)，避免高壓氣體對地層二次傷害。

（3）通過控制進(jìn)、出泥漿泵的流量及壓力來進(jìn)行推進(jìn)盾構(gòu)掘進(jìn)，即采用泥水平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)模式進(jìn)行施工，等掘進(jìn)一段距離，避開之前的不穩(wěn)定地層后，再打開保壓系統(tǒng)，重新恢復(fù)正常的氣墊式泥水盾構(gòu)的保壓模式進(jìn)行推進(jìn)。

7.結(jié)束語

綜上所述，正確理解氣墊式泥水盾構(gòu)氣倉內(nèi)壓力是被動壓力，高壓氣體只是優(yōu)化壓力控制的手段這一特征，是解決泥水盾構(gòu)壓力平衡問題的

參考文獻(xiàn)：

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