全斷面卵石地層泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

葉 忠

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450003)

0 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通的建設(shè)和發(fā)展，地下空間開(kāi)發(fā)和利用受到高度重視。隧道區(qū)間穿越江河湖海的工程越來(lái)越多，泥水平衡盾構(gòu)因其良好的壓力控制效果及在富水地層的良好適用性，常常用于穿江越海的富水地層隧道掘進(jìn)。泥水平衡盾構(gòu)主要通過(guò)氣墊艙泥水的加壓作用來(lái)維持開(kāi)挖艙工作面的穩(wěn)定，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，刀盤旋轉(zhuǎn)切削下來(lái)的渣土經(jīng)攪拌后形成高濃度的泥漿，通過(guò)泥水循環(huán)將高濃度的泥漿輸送至地面。因此，泥水循環(huán)系統(tǒng)的環(huán)流通暢是泥水平衡盾構(gòu)快速掘進(jìn)的重要條件之一。

對(duì)于卵石地層的盾構(gòu)掘進(jìn)，曹建輝[1]、程高軍等[2]、戴志仁等[3]研究了土壓盾構(gòu)在富水砂卵石地層中的掘進(jìn)技術(shù)，其應(yīng)用較為成功。針對(duì)泥水平衡盾構(gòu)在卵石地層掘進(jìn)時(shí)存在的滯排問(wèn)題，戴慧麗[4]、楊杰[5]、鄧如勇等[6]研究了泥水平衡盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)的設(shè)計(jì)及控制要點(diǎn)，得出由于卵石的沉積，泥水平衡盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)的難點(diǎn)是環(huán)流系統(tǒng)的堵塞，影響掘進(jìn)效率?？子袂錥7]對(duì)不同地層排漿管攜渣能力進(jìn)行計(jì)算分析，指出當(dāng)泥漿流速大于1.6 m/s時(shí)，能夠攜帶直徑18 cm的少量卵石。霍濱等[8]從碎石系統(tǒng)改進(jìn)和大漂石、卵石處理2個(gè)方面對(duì)盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),以解決砂卵石地層盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)堵塞的問(wèn)題。汪朋[9]研究得出了在泥水環(huán)流系統(tǒng)增設(shè)分流器和采石箱，有利于復(fù)雜地層泥水平衡盾構(gòu)順利出渣。張社軍等[10]、劉雙仲等[11]、吳遁等[12]研究了雙艙采石箱和泥漿管路破碎機(jī)等卵石處理裝置的設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用。李茂松[13]研究了雙采石箱設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)采石箱的沖洗與反沖洗減少采石箱的清理次數(shù)。目前，關(guān)于卵石含量較少地層盾構(gòu)掘進(jìn)的控制方法已經(jīng)進(jìn)行大量研究，但對(duì)于富水、大粒徑、高含量、全斷面卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)的研究文獻(xiàn)較少。

本文基于洛陽(yáng)地鐵2號(hào)線博物館站—九都西路站盾構(gòu)區(qū)間工程，該工程隧道主要賦存于卵石層中，盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)卵石滯排極為嚴(yán)重。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及反饋的問(wèn)題，對(duì)并聯(lián)采石箱進(jìn)行數(shù)次試驗(yàn)性改造及優(yōu)化，逐步確定最優(yōu)采石方案，以提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率。

1 工程概況

洛陽(yáng)地鐵2號(hào)線博物館站—九都西路站盾構(gòu)區(qū)間下穿洛河，區(qū)間左線長(zhǎng)2 016 m，右線長(zhǎng)2 002 m，隧道最大覆土厚度為23 m，最小覆土厚度為9 m，區(qū)間縱斷面線路呈V字形，最大縱坡為27.7‰。區(qū)間地貌屬于河床及漫灘地貌區(qū)，隧道穿越地質(zhì)為全斷面卵石層，區(qū)間上覆地層從上至下依次為雜填土、素填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土，勘察深度范圍內(nèi)地下水類型為卵石孔隙潛水，主要賦存于卵石層中，場(chǎng)地內(nèi)地下孔隙潛水水位埋深0～22.5 m，地層滲透系數(shù)約140 m/d，地層松散，自穩(wěn)性差。

由于目前地質(zhì)勘查手段有限，地質(zhì)鉆機(jī)豎向取芯受鉆桿直徑限制，取出芯樣不足以揭示卵石地層大粒徑卵石含量。因此，在博物館站基坑開(kāi)挖過(guò)程中，以開(kāi)挖卵石層實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行顆粒含量統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)隧道所處地層內(nèi)大粒徑卵石含量較高，大于20 cm粒徑卵石含量約占15%，且最大粒徑達(dá)到70 cm，遠(yuǎn)高于地質(zhì)勘探報(bào)告中揭示的數(shù)據(jù)，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

區(qū)間采用2臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)施工(盾構(gòu)主要參數(shù)見(jiàn)表2)，隧道穿越地層為全斷面卵石地層，卵石含量高、粒徑大。為確保盾構(gòu)泥水循環(huán)系統(tǒng)環(huán)流通暢，在盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造時(shí)，環(huán)流系統(tǒng)針對(duì)此地層進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)： 環(huán)流系統(tǒng)的主排漿泵前設(shè)置并聯(lián)式采石箱，以更好地過(guò)濾地層中的卵石，避免環(huán)流系統(tǒng)管路堵塞，保證環(huán)流通暢。

表1 基坑開(kāi)挖不同粒徑卵石占比

表2 盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

2 并聯(lián)采石箱設(shè)計(jì)原理

盾構(gòu)氣墊艙內(nèi)設(shè)置鄂式破碎機(jī)，排漿口設(shè)置格柵，格柵限徑160 mm，防止大粒徑卵石進(jìn)入排漿管道堵塞管路，但不排除長(zhǎng)條型不規(guī)則的大粒徑卵石通過(guò)；且該地層卵石含量接近100%，故在盾構(gòu)主排漿泵前增設(shè)采石箱，通過(guò)采石箱內(nèi)置豎向格柵再次過(guò)濾卵石，防止排漿泵及管路堵塞。

采石箱設(shè)計(jì)為上下并聯(lián)式(如圖1所示)，包含上采石箱、下采石箱、過(guò)濾格柵、冗余進(jìn)漿裝置、冗余排漿裝置等，長(zhǎng)約3 m，直徑約1 m，內(nèi)設(shè)1道豎向格柵，格柵開(kāi)孔尺寸為150 mm×150 mm。泥漿環(huán)流過(guò)程中，粒徑小于150 mm的卵石快速通過(guò)，粒徑大于150 mm的卵石通過(guò)豎向格柵過(guò)濾后滯留在采石箱內(nèi)，通過(guò)人工掏出。上下采石箱功能相同，考慮到該地層卵石含量較高，采石箱堵塞、清理次數(shù)較多，因此配置2個(gè)采石箱并聯(lián)，其中一個(gè)采石箱堵塞后，可迅速切換至另外一個(gè)使用，掘進(jìn)的同時(shí)處理堵塞的采石箱，如此交替使用以提高施工效率。

圖1 并聯(lián)式采石箱

3 并聯(lián)采石箱使用效果及分析

3.1 并聯(lián)采石箱使用效果

由于地層卵石含量高、粒徑較大，大粒徑卵石進(jìn)入采石箱后被格柵過(guò)濾并堆積在格柵前部，造成泥漿流速驟降，小粒徑卵石立即沉積，導(dǎo)致采石箱頻繁堵塞。掘進(jìn)過(guò)程中需要長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)進(jìn)行管路疏通，頻繁采用人工掏采石箱清理堆積卵石，經(jīng)常一個(gè)采石箱未處理完畢，另外一個(gè)采石箱又被堵塞，達(dá)不到并聯(lián)采石箱交替使用的設(shè)計(jì)目的，嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率。原設(shè)計(jì)雙聯(lián)采石箱使用過(guò)程照片見(jiàn)圖2。

(a) 卵石在格柵前堵塞沉積

(b) 卵石在沉積裝置內(nèi)堵塞

3.2 采石箱滯排原因分析

采石箱豎向格柵孔徑為150 mm×150 mm，目的是將大粒徑卵石留下、小顆粒卵石快速通過(guò)，以保證泥水環(huán)流系統(tǒng)的流暢。實(shí)際使用過(guò)程中，大粒徑卵石數(shù)量超出預(yù)期，經(jīng)格柵阻擋后沉積在格柵底部，間接縮小了格柵的通過(guò)面積，對(duì)后續(xù)通過(guò)的卵石造成阻礙； 卵石越積越多，將采石箱格柵位置完全堵塞，只有少部分液體可以通過(guò)，繼而整個(gè)采石箱被完全堵塞，必須人工打開(kāi)采石箱進(jìn)行清理。正常掘進(jìn)下，每掘進(jìn)10 cm需要清理1次采石箱，耗時(shí)近1 h，由于堵塞頻繁，無(wú)法交替使用，經(jīng)常需停機(jī)處理，掘進(jìn)效率極低。

該區(qū)間卵石地層滲透系數(shù)為140 m/d，地層松散、孔隙率大，漿液損失嚴(yán)重，導(dǎo)致漿液相對(duì)體積質(zhì)量下降較快，泥漿懸浮效果差，攜渣能力降低，以至于小粒徑卵石沉積在泥漿管路底部，只能靠沖刷力移動(dòng)，很容易沉積。

4 采石箱優(yōu)化改進(jìn)及應(yīng)用研究

4.1 并聯(lián)采石箱串聯(lián)改進(jìn)

將現(xiàn)有上下并聯(lián)式采石箱改造為串聯(lián)使用，上下2個(gè)采石箱箱體連通，連通管路中間加設(shè)橫向格柵，橫向格柵孔徑為150 mm×150 mm，環(huán)流系統(tǒng)泥漿從上部采石箱進(jìn)口流入，下部采石箱出口流出，目的是讓大粒徑卵石進(jìn)入采石箱后隔離在上部采石箱，且在泥漿的沖擊力作用下，卵石會(huì)堆積在上部采石箱后部，不會(huì)堵塞連通管路，只需適時(shí)清理上部采石箱卵石即可；小粒徑卵石通過(guò)格柵落入下部采石箱并隨漿液排出。雙聯(lián)采石箱上下聯(lián)通示意如圖3所示。

圖3 雙聯(lián)采石箱上下聯(lián)通示意圖

改造后，掘進(jìn)過(guò)程中采石箱進(jìn)口壓力較大，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，打開(kāi)采石箱后發(fā)現(xiàn)上下2個(gè)采石箱均堵滿卵石。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析可知，改造后由于泥漿進(jìn)入采石箱時(shí)流速較快，沖擊力較大，大多數(shù)卵石經(jīng)過(guò)橫向格柵時(shí)尚未過(guò)濾分離就被泥漿裹挾帶至上部采石箱后部，導(dǎo)致上部采石箱被快速堆積堵塞；由于泥漿流速會(huì)在采石箱位置驟降，導(dǎo)致進(jìn)入下部采石箱的小粒徑卵石迅速在底部沉積，無(wú)法隨漿液順利排出，下部采石箱也被堆積堵塞。

4.2 新型格柵滾筒式采石箱改進(jìn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和施工需求，創(chuàng)新性地研制新型格柵滾筒式采石箱如圖4所示。此采石箱的優(yōu)點(diǎn)是增大了泥漿的過(guò)流面積，格柵設(shè)計(jì)為滾筒式，滾筒格柵開(kāi)孔孔徑為120 mm，滾筒內(nèi)側(cè)設(shè)置螺旋帶，在螺旋帶末端設(shè)置落石口，采石箱下部為密封式的卵石收集箱，并設(shè)置掏石孔。

(a) 橫剖面圖

(b) 縱剖面圖(單位: mm)

漿液攜帶卵石進(jìn)入滾筒后，經(jīng)過(guò)滾筒格柵的篩選，小粒徑卵石通過(guò)格柵落入下部，隨泥漿排出；大粒徑卵石留在滾筒內(nèi)，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，在螺旋帶的作用下運(yùn)動(dòng)至落石口，經(jīng)落石口落入下部卵石收集箱，在工序銜接時(shí)，打開(kāi)掏石孔清理收集箱內(nèi)的卵石即可。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，采石箱過(guò)濾收集卵石的效果基本達(dá)到預(yù)期，能夠保證環(huán)流系統(tǒng)運(yùn)行正常；但使用一段時(shí)間后，經(jīng)常出現(xiàn)滾筒卡頓、卡死現(xiàn)象，滾筒無(wú)法正常旋轉(zhuǎn)，繼而導(dǎo)致采石箱堵塞。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，很多小顆粒卵石進(jìn)入滾筒與筒體之間的縫隙，縫隙內(nèi)的卵石堆積較多時(shí)會(huì)卡住滾筒，導(dǎo)致滾筒無(wú)法正常旋轉(zhuǎn)。

滾筒式采石箱若能在滾筒與筒體之間增加密封或沖洗裝置，防止小顆粒卵石進(jìn)入，解決滾筒卡頓的問(wèn)題，也能較好地處理類似工況。由于現(xiàn)場(chǎng)改造工作量較大，施工工期緊，本工程未進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，在后續(xù)的施工中再擇機(jī)完善。

4.3 直通管道自落式旁通采石方案及工業(yè)性驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)數(shù)次試驗(yàn)性改進(jìn)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)各種方案的利弊可知，若需保證泥水循環(huán)系統(tǒng)的通暢，不僅要過(guò)濾掉大粒徑的卵石，而且要避免小粒徑卵石的沉積堆。因此，要求泥漿流速在采石箱位置不能產(chǎn)生驟降，小粒徑卵石可隨泥漿順利排出，同時(shí)要阻擋大粒徑卵石通過(guò)采石箱。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，采取直通管道自落式旁通采石方案： 取消上部采石箱，改為直通管道連接，直管中部增加旁通管路連接至采石箱，同時(shí)在直管旁通出口處增加十字格柵，下部采石箱作為大粒徑卵石收集箱(如圖5所示)。該方案的目的是通過(guò)直管保證泥漿流速，小粒徑卵石在流速損失較小的情況下可以快速通過(guò)，隨漿液排出；大粒徑卵石撞到格柵落下，通過(guò)旁通管路落入下部卵石收集箱，適時(shí)清理下部采石箱即可。

(a) 設(shè)計(jì)圖

(b) 實(shí)體圖

經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，此方案效果良好，基本能夠保證環(huán)流系統(tǒng)通暢，采石箱堵塞次數(shù)明顯減少，每掘進(jìn)1環(huán)(1.5 m)只需清理1～2次采石箱，且在管片拼裝過(guò)程中即可清理完成，大大提高了掘進(jìn)效率。改進(jìn)前后掘進(jìn)效率對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)前后掘進(jìn)效率對(duì)比

5 結(jié)論與討論

在卵石含量較低的地層中，采用氣墊艙鄂式破碎機(jī)配合采石箱或二次顎式破碎機(jī)，可以較好地解決環(huán)流系統(tǒng)堵塞問(wèn)題；而在卵石含量高、粒徑大的地層中，受顎式破碎機(jī)工作頻率較低的影響，破碎效果較差，大粒徑卵石對(duì)破碎機(jī)油缸頻繁撞擊，導(dǎo)致破碎機(jī)故障率較高，掘進(jìn)效率較低。本文通過(guò)數(shù)次優(yōu)化改進(jìn)及工業(yè)性試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

1)采用直通管道自落式旁通采石方案，可以較好地解決泥水盾構(gòu)在卵石含量高、粒徑大的地層中掘進(jìn)的管路滯排問(wèn)題，大大提高掘進(jìn)效率。

2)新型格柵滾筒式采石箱的設(shè)計(jì)若能解決滾筒卡頓的問(wèn)題，也能較好地處理類似工況，需要在后續(xù)的施工中再總結(jié)完善。

3)直通管道自落式旁通采石方案對(duì)于既有已投入施工的盾構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)改造方便、時(shí)間短、成本低；對(duì)于新造盾構(gòu)，建議采用優(yōu)化的新型格柵滾筒式采石箱方案，理論上該方案應(yīng)更加高效。