中俄東線天然氣管道長江穿越工程盾構選型研究

王又增，賀開偉，徐金秋，丁夢俊，蘇志學，張 浩

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

現有盾構主要分為土壓平衡盾構、泥水平衡盾構和TBM。泥水盾構根據壓力控制及出渣方式的不同，分為常規(guī)氣墊式泥水盾構和直排式盾構（一般稱無氣墊緩沖的直排式盾構為直排式盾構，其代表為日式直排式盾構[1]）。泥水盾構因結構和功能的不同，在工程應用中各有優(yōu)缺點。

隨著盾構關鍵技術的攻克和工程亟需解決的問題，泥水盾構又衍生出其它類型的泥水工作模式的盾構，例如氣墊直排式盾構、多模式泥水類盾構等。

配置氣墊倉的泥水類盾構，由于氣墊的緩沖作用，調控壓力精度高，穩(wěn)定切口環(huán)壓力的能力強，在工程中應用較多。在下文介紹了直排式、常規(guī)氣墊式和氣墊直排式泥水盾構，分析了常規(guī)氣墊式與氣墊直排式泥水盾構的優(yōu)缺點，并結合中俄東線天然氣管道工程（永清-上海）長江盾構穿越工程的地質概況，對此項目進行選型分析。

1 工程概況

中俄東線干線起自黑龍江省黑河市中俄邊境，途經9 省區(qū)市，止于上海市白鶴末站，干線全長3 334.6km。中俄東線天然氣管道工程（永清-上海）長江盾構穿越工程于江蘇省南通市經濟技術開發(fā)區(qū)與江蘇省常熟市經濟技術開發(fā)區(qū)穿越長江，采用盾構隧道穿越方案，是中俄東線的控制性工程。

據巖土工程勘察說明書介紹，盾構工程相繼穿越新江海河、常熟港海輪錨地、主航道、專用航道、白茆河及其之間區(qū)域（圖1），穿越長度約為10 226m，穿越水面寬度約為7 500m。

圖1 盾構穿越工程周圍環(huán)境

盾構隧道軸線主要穿越的地層為⑤層粉土、⑤-1 層粉砂、⑥層粉質黏土及⑦層粉砂，其中⑤層粉土的石英含量約為50%～55%、長石含量約10%～15%，硬質礦物含量相對較高，而⑤-1層粉砂及⑦層粉砂，石英含量最高達75%，長石含量最高達25%，該砂土地層硬質礦物含量較高，對泥漿循環(huán)系統(tǒng)的耐磨性具有極大的挑戰(zhàn)，特別對于盾構獨頭掘進10 226m，泥水盾構的選型尤其重要。

2 直排式泥水盾構功能概述

直排式泥水盾構（圖2）僅設計有泥水倉、進漿管、排漿管和沖刷管，泥水倉的水土壓力依靠主進排漿的流量壓力平衡。主排漿管位于泥水倉底部，開挖后渣漿的混合物通過主排漿管道排出，輸送至地面分離站[2]。

圖2 直排式泥水盾構功能原理示意圖

直排式泥水盾構在泥漿循環(huán)模式切換及正常施工中，切口環(huán)壓力波動較大，且易形成冒頂隆起，在穿江越?；蚓o鄰構建筑物敏感的盾構工程中很少應用。

3 常規(guī)氣墊式泥水盾構功能概述

常規(guī)氣墊式泥水盾構（圖3），設計有泥水倉、氣墊倉和泥漿連通管；氣墊倉底部可配置破碎裝置或攪拌器及格柵；主進泥漿通過不同的分支管進入泥水倉和氣墊倉；主排漿管位于氣墊倉底部，渣漿依次通過泥漿門、攪拌器（或破碎裝置）和格柵進入排漿管輸送至分離站。

圖3 常規(guī)氣墊式泥水盾構功能原理示意圖

常規(guī)氣墊泥水盾構通過泥漿門或泥漿連通管傳遞壓力，通過氣墊倉的壓縮空氣及泥漿壓力平衡掌子面的水土壓力。

4 氣墊直排式泥水盾構功能簡述

氣墊直排式泥水盾構（圖4），設計有泥水倉、氣墊倉和泥漿連通管；設備無泥漿門、破碎機或者攪拌器及格柵；主進泥漿通過不同的分支管進入泥水倉和氣墊倉[3～4]；主排漿管位于泥水倉底部，泥水倉渣漿可以直接進入排漿管輸送至分離站，排渣效率較高。

圖4 氣墊直排式泥水盾構功能原理示意圖

氣墊直排式泥水盾構僅通過泥漿連通管傳遞壓力，通過氣墊倉的壓縮空氣及泥漿壓力平衡掌子面的水土壓力。

5 兩種泥水盾構適應性分析

直排式盾構控制壓力波動性能差，風險較大，地質適應性差，工程應用較少，不再作適應性分析。下文主要依據常規(guī)氣墊式泥水盾構和氣墊直排式泥水盾構的功能特點，對二者進行適應性分析。

5.1 地質適應能力

氣墊直排式泥水盾構直排管直接接入泥水倉，在復合地層特別是大砂卵石、上軟下硬及全斷面硬巖盾構段，由于無法控制巖屑塊及卵石大小，氣墊直排式堵管卡泵概率比較大，影響整體掘進效率；常規(guī)氣墊式由于在氣墊倉底部配置了碎石裝置及格柵[5]，可以破碎限徑，相對來說堵管卡泵風險小，綜合掘進效率相對氣墊直排式較高。分析表明，常規(guī)氣墊式泥水盾構比氣墊直排式泥水盾構地質適應能力廣。

5.2 應對滯排能力

氣墊直排式泥水盾構，復合渣漿在泥水倉內直接進入排漿管，排渣效率較高，但常規(guī)氣墊式泥水盾構泥水倉內的復合渣漿需要依次通過泥漿門、破碎裝置或攪拌器及格柵、穿越氣墊倉后才能進入排漿管，排渣效率相對氣墊直排式略有降低，應對倉內滯排能力相對偏低。但是針對中俄東線長江盾構穿越工程項目，在軟弱均質（例如，淤泥質土、粉質黏土、粉土、粉細砂及中砂等）地層，都可以高效掘進，滯排概率較低。

5.3 壓力自平衡能力

常規(guī)氣墊式泥水盾構泥水倉及氣墊倉通過泥漿門及泥漿連通管傳遞壓力，通流面積較大，壓差趨平衡時間短，壓力自平衡能力強；氣墊直排式泥水盾構泥水倉及氣墊倉僅通過泥漿連通管傳遞壓力，通流面積有限，壓差趨平衡時間相對較長，壓力自平衡能力相對常規(guī)氣墊式偏弱。分析表明，常規(guī)氣墊式泥水盾構壓力自平衡能力比氣墊直排式泥水盾構要強。

5.4 應對“高水壓+壓力波動”次生風險能力

氣墊直排式泥水盾構壓力自平衡能力偏弱，且存在堵管的風險，根據以往施工經驗最大波動值約達到1.5bar。若在高水壓施工環(huán)境中，會導致關鍵部件密封受到異常沖擊，存在一定風險；常規(guī)氣墊式泥水盾構壓力自平衡能力強，雖然存在堵管風險，但堵管概率低，根據以往的施工經驗，壓力波動基本在±0.2bar，即使在高水壓工況下施工，壓力波動導致的沖擊相對偏弱。常規(guī)氣墊式泥水盾構相對氣墊直排式泥水盾構應對“高水壓+壓力波動”次生風險能力強。

5.5 處理非勘明異物能力

雖然在施工前期對盾構段地質進行了勘探，很難面面俱到，存在未堪明死角，不排除在盾構通過區(qū)域存在異物。選用氣墊直排式泥水盾構，開挖下的渣土若存在異物，異物較小可以通過排漿管排出；若異物較大，很難進入排漿管，特殊情況下需要作業(yè)人員帶壓進入泥水倉進行處理，風險較大。選用常規(guī)氣墊式泥水盾構，開挖下的渣土若存在異物，可以將異物排至氣墊倉，通過關閉泥漿門常壓處理或者不關泥漿門帶壓處理，處理異物相對方便。分析表明，常規(guī)氣墊式泥水盾構處理非堪明異物的能力相對較強。

6 常規(guī)氣墊式泥水盾構是否搭載前倉直排管分析

常規(guī)氣墊式泥水盾構搭載前倉直排管路（圖5），在原有常規(guī)氣墊式泥水盾構基礎上增加一根前倉直排管，該前倉直排管與氣墊直排式排漿管位置不同，在豎直方向比氣墊直排式排漿管高約0.5m，在左右方向上偏離約1.5m，偏離距離隨盾體直徑不同存在一定的差異。

圖5 常規(guī)氣墊式泥水盾構搭載前倉直排管功能原理

該類型泥水盾構排渣具有兩種模式，一種常規(guī)氣墊式泥水排渣方式，此模式是主用模式（圖6），此模式擁有常規(guī)氣墊式泥水盾構的所有優(yōu)勢；另一種氣墊直排式泥水排渣方式，此模式是輔助模式（圖7），擁有氣墊直排式泥水盾構的功能，但與單純的氣墊直排式泥水盾構相比，性能略有下降，但在處理突發(fā)地質工況及長距離掘進異常風險時，多了一道備用措施。由于常規(guī)氣墊式泥水搭載了前倉直排管，前倉直排管占用了空間，造成氣墊倉底部和中盾底部擁擠，長距離掘進維護有一定的空間限制。

圖6 主用模式-常規(guī)掘進

圖7 輔助模式-前倉直排掘進

7 結語

中俄東線天然氣管道盾構穿越工程穿越的地質主要以淤泥質土、粉質黏土、粉土、粉細砂及中砂等為主，無大的渣塊，渣漿流動性相對較好，倉內滯排概率小，從這個角度分析，常規(guī)氣墊式和氣墊直排式盾構都可以選用。

由于盾構穿越距離長，埋深較大，穿越區(qū)域為千年航道，不排除存在異物。從壓力自平衡、應對“高水壓+壓力波動”次生風險及處理異物能力角度來評比，常規(guī)氣墊式泥水盾構更具有優(yōu)勢。

為了提高盾構地質適應性，提高應對突發(fā)地質工況及長距離掘進異常風險，在防治泥餅、降低積渣滯排概率和增加設備可靠性方面考量，中俄東線盾構工程選用常規(guī)氣墊式泥水盾構搭載前倉直排功能機型更合適。

上文對直排式泥水盾構、常規(guī)氣墊式泥水盾構、氣墊直排式泥水盾構及復合型泥水類盾構的功能進行對比分析，為泥水類盾構的選型提供關鍵要點，也為類似工程泥水盾構的選型設計及施工提供借鑒。