砂卵石泥巖地層中盾構(gòu)機(jī)加水系統(tǒng)的優(yōu)化改造

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 101100）

摘要：為優(yōu)化提升盾構(gòu)在復(fù)合地層掘進(jìn)效率，以成都軌道交通10號(hào)線二期五津站～儒林路站盾構(gòu)區(qū)間項(xiàng)目為依托，對(duì)海瑞克S892盾構(gòu)機(jī)在砂卵石和泥巖復(fù)合地層掘進(jìn)過程中的加水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。從盾構(gòu)加水系統(tǒng)的改造、加水量的控制等方面，對(duì)復(fù)合砂卵石地層渣土系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)控制，有效節(jié)約人工和時(shí)間成本，可為今后類似工程施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工；砂卵和泥巖復(fù)合地層；加水系統(tǒng)改造；加水量控制

中圖分類號(hào)：U455.43" " " " " "文獻(xiàn)識(shí)碼：A" " " " " " 文章編號(hào)：

Optimization of Water Adding System of Shield Machine in Sandy Pebble Mudstone Formation

ZHANG Huibin

（China Railway 16th Bureau Group Corporation Limited，Beijing 101100，China）

Abstract：In order to optimize and improve the efficiency of shield tunneling in composite formation， based on the shield section project from Wujin Station to Yulin Road Station of Chengdu Rail Transit Line 10 Phase II， the water addition system of Herrenkrenk S892 shield tunneling machine in the sand gravel and mudstone composite formation was optimized and reformed. From the aspects of the transformation of the shield water adding system and the control of the water adding， the optimization and transformation of the slag system of the composite sand and pebble formation can realize the automatic system control， effectively save the labor and time cost， and provide experience for the construction of similar projects in the future.

Keywords：shield construction;sand-egg and mudstone composite formation;renovation of water adding system;water addition control

0 引言

盾構(gòu)機(jī)在砂卵石和泥巖復(fù)合地層掘進(jìn)時(shí)，渣土中的泥巖和砂卵石攪拌不均勻，和易性較差，單純的通過泡沫劑改良，效果不理想，很容易造成泡沫管路堵塞、刀盤發(fā)生結(jié)泥餅現(xiàn)象。同時(shí)，渣土和易性較差會(huì)導(dǎo)致出土不連續(xù)，隧道內(nèi)渣土掉落較多，從而導(dǎo)致掘進(jìn)不連續(xù)工序銜接時(shí)間較長(zhǎng)。在這種情況下，需要向土倉(cāng)和刀盤前方注入適量的水配合渣土改良，而海瑞克設(shè)備本身加水系統(tǒng)無法滿足掘進(jìn)需要，因此加水系統(tǒng)的改造成為砂卵石和泥巖復(fù)合地層掘進(jìn)的關(guān)鍵。本文針對(duì)成都地鐵10號(hào)線二期四標(biāo)五津站～儒林路站盾構(gòu)區(qū)間右線海瑞克S892復(fù)合地層段掘進(jìn)展開討論。

1 工程概況

成都軌道交通10號(hào)線，施工儒林路站～五津站盾構(gòu)區(qū)間（以下簡(jiǎn)稱儒～五區(qū)間），沿迎賓大道一路向東，區(qū)間側(cè)穿時(shí)代晶座小區(qū)，最終在五津站解體、吊出、退場(chǎng)。儒～五區(qū)間設(shè)計(jì)里程左線里程為：ZDK33+951.354～ZDK34+899.828，右線起訖里程為：YDK34+012.204～YDK34+899.828，左線長(zhǎng)946.053 m，右線長(zhǎng)887.624 m。在里程為YDK34+452.500（ZDK34+449.618）設(shè)置一個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道區(qū)間長(zhǎng)度為10 m，同時(shí)，在10號(hào)聯(lián)絡(luò)通道處設(shè)廢水泵房。平面上，10號(hào)聯(lián)絡(luò)通道及泵房位于迎賓大道及西側(cè)的綠化道內(nèi)。縱斷面上，10號(hào)聯(lián)絡(luò)通道（廢水泵房）埋深為17.8 m，施工影響范圍內(nèi)的管線如下：一根埋深約3.2 m，DN500污水管，材質(zhì)混凝土；一根埋深1.82 m光纖。儒～五 區(qū)間始發(fā)段為砂卵石地層，從72環(huán)開始進(jìn)入砂卵石和泥巖交接面，開始復(fù)合地層掘進(jìn)。

2 地質(zhì)概況

成都軌道交通10號(hào)線所經(jīng)場(chǎng)地地表多分布有厚度不均的第四系人工填土，下部主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積卵石，下伏白堊系上統(tǒng)灌口組（K2g）泥巖。

區(qū)間途經(jīng)岷江水系Ⅰ級(jí)階地。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在區(qū)間路線鉆探揭示的深度范圍內(nèi)，場(chǎng)地土主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）、上白堊統(tǒng)灌口組（K2g）基巖組成。該施工現(xiàn)場(chǎng)巖土層的組成和特征描述如下。

2.1 第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）

1） 雜填土：黃褐色、灰褐色等雜色，松散至稍密，干至稍濕。由混凝土、瀝青、卵石和少量粘性土組成。分布于該路段，層厚0.2 m～3.0 m，為路基回填土?；靥顣r(shí)間超過5年，該層的均勻性較差。大部分土壤壓實(shí)不足，自重固結(jié)尚未完成。該結(jié)構(gòu)松散，具有強(qiáng)度低、壓縮性高、在荷載作用下易變形等特點(diǎn)。

2） 素填土：褐灰色、灰黃色，稍濕，稍密，由卵石、黏性土等組成，本段局部分布，層厚1.0 m～3.4 m。

2.2 第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）

1） 粉質(zhì)粘土：灰褐色、黃褐色，可塑性，主要由黏粒組成，含少量粉粒。用手軋攆時(shí)有輕微的沙狀，輕微的光澤反應(yīng)，沒有震動(dòng)反應(yīng)，中等干強(qiáng)度，韌性適中，在現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)連續(xù)分布。層厚1.00 m～2.60 m，層頂標(biāo)高462.96 m～463.87 m。

2） 卵石：青灰色、灰黃色，濕～飽和，以稍密～中密為主，局部松散。卵石的成分主要由巖漿巖和變質(zhì)巖組成。磨圓度好，以亞圓形為主，少量圓形，分選性差，中風(fēng)化～微風(fēng)化。卵石含量一般為50%～70%，粒徑2 cm～15 cm。根據(jù)對(duì)鄰近基坑的調(diào)查，最大粒徑為40 cm，漂石含量一般為5%。填料主要為細(xì)砂、中砂和圓礫石。根據(jù)DB51/T 5026—2001《成都地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，根據(jù)卵石的顆粒含量和N120動(dòng)力觸探試驗(yàn)，將其分為3個(gè)亞層：松散卵石、稍密卵石和中密卵石。

3） 松散卵石：褐灰色為主，濕～飽和，卵石含量約51.5%～53.6%，一般粒徑2 cm～8 cm。充填圓礫、細(xì)砂、中砂，磨圓度好，層厚1.2 m～5.1 m。N120動(dòng)力觸探修正錘擊數(shù)小于4擊。

4） 稍密卵石：青灰色、灰黃色，濕～飽和，稍密，約占卵石的54.2%～59.2%，粒徑一般2 cm～12 cm。充填圓礫、中細(xì)砂，磨圓度好，分選性差，含漂石約10%，層厚2.0 m～8.9 m。N120動(dòng)力觸探校正錘擊數(shù)4～7擊。

5） 中密卵石：青灰色、灰黃色，中密，局部稍密，飽和，卵石含量52.3%～80%，充填圓礫、中砂。卵石粒徑主要為2 cm～18 cm，層厚3.5 m～9.3 m。N120動(dòng)力觸探修正錘擊數(shù)7～10擊。

6） 密實(shí)卵石：褐灰色、淺灰色，飽和，密實(shí)，卵石含量70%以上。卵石粒徑為2 cm～20 cm，含漂石。圓度好，分選性差，充填圓礫、中砂。根據(jù)顆粒分析試驗(yàn)，顆粒尺寸＞20 mm的顆粒含量在74.5%～82.3%。N120功率穿透修正值＞10。該層頂標(biāo)高440.41 m～448.64 m，頂深17.70 m～24.50 m，層厚＞6.40 m，本段僅引用一個(gè)初探孔揭露該層，層厚9.3 m，埋深32.30 m。

7） 強(qiáng)風(fēng)化泥巖：暗紅色、紫紅色，巖石較軟，敲擊聲沉悶，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。節(jié)理相對(duì)發(fā)育。巖芯多呈碎塊狀，少量短柱狀。巖芯可人工破碎，層厚0.6 m～2.5 m，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。

8） 中風(fēng)化泥巖：暗紅色、紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石較軟，錘擊聲為半靜音至靜音。節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部裂隙表面可見黑色氧化膜。巖體的RQD值為70%～90%，巖體較為完整。巖芯多為短柱狀，少量長(zhǎng)柱狀、碎塊狀?？紤]到巖體的整體完整性，其范圍從破碎到相對(duì)破碎。巖石硬度屬于極軟巖石，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。

儒林路站～五碾站（原大新路站）區(qū)間盾構(gòu)施工段地質(zhì)縱剖面圖及不同地質(zhì)占比分析見圖1。

3 海瑞克S892加水系統(tǒng)改造

為配合復(fù)合地層段的渣土改良，對(duì)海瑞克S892加水系統(tǒng)進(jìn)行如下改造。

1） 考慮盾構(gòu)機(jī)用水量過大，除外循環(huán)水路外再?gòu)耐庋h(huán)水池中單獨(dú)增加一路水管，向盾構(gòu)機(jī)污水箱、膨潤(rùn)土箱、二次注漿罐進(jìn)行供水。

2） 污水箱改至儲(chǔ)水箱，然后增加18.5 kW多級(jí)水泵。水泵由變頻柜控制，操作室可調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂屏髁?，水泵出水口鋪設(shè)為φ50 mm的管路通過中心回轉(zhuǎn)體向土倉(cāng)內(nèi)加水，在管路端頭安裝流量計(jì)，連接操作室，顯示加水流量。

3） 膨潤(rùn)土箱改至儲(chǔ)水箱，增加18.5 kW水泵，水泵由變頻柜控制，操作室可調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂屏髁?，水泵出水口鋪設(shè)為連接φ50 mm的管路通過1號(hào)泡沫管路向刀盤前方加水，在管路端頭安裝流量計(jì)，連接操作室，顯示加水流量。

4） 5.5 kW膨潤(rùn)土泵連接原有膨潤(rùn)土管路，將接口改到土倉(cāng)壁備用接水口，并安裝單向閥向土倉(cāng)內(nèi)直接加水。

5） 二次注漿罐改至儲(chǔ)水箱，增加5.5 kW水泵，增加控制柜，操作室可控制開關(guān)，然后通過注漿管路連接土倉(cāng)壁向土倉(cāng)內(nèi)加水[1]，在管路端頭安裝流量計(jì)，連接操作室，顯示加水流量。掘進(jìn)過程中根據(jù)渣土泥巖含量的不同，適當(dāng)調(diào)節(jié)每個(gè)水泵的加水量，水泵流量固定只能通過手動(dòng)調(diào)整管路上的開關(guān)位置進(jìn)而調(diào)整加水流量大小[2]。

4 加水系統(tǒng)組成分解

由于每臺(tái)盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造不同，為了對(duì)不同盾構(gòu)機(jī)的加水系統(tǒng)進(jìn)行改造，需對(duì)加水系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單分解。

1） 主線路圖為：水源→管路→加水目標(biāo)。

2） 循環(huán)水池泵送水到臺(tái)車上的儲(chǔ)水罐，儲(chǔ)水罐可以為污水罐、膨潤(rùn)土罐、二次注漿罐，若臺(tái)車上無空閑儲(chǔ)水罐，再加工一個(gè)臺(tái)車或在尾架上焊接增加一個(gè)儲(chǔ)水罐。

3） 根據(jù)不同的需求，將臺(tái)車上的若干個(gè)儲(chǔ)水罐（每個(gè)儲(chǔ)水罐可以連接若干管路）泵送至刀盤不同區(qū)域。詳見圖2。

5 加水系統(tǒng)控制優(yōu)化

目前S892加水系統(tǒng)控制，基本通過人工實(shí)現(xiàn)，包括循環(huán)水池的開關(guān)，水泵加水量的控制。實(shí)際操作過程中容易出現(xiàn)諸多問題：水泵在隧道外，隧道內(nèi)儲(chǔ)水罐的水量控制需要安排專人通過電話聯(lián)系井口進(jìn)行開關(guān)。加水流量需要安排人員通過球閥半開關(guān)進(jìn)行控制。為了節(jié)省人工，達(dá)到控制精細(xì)化，通過以下改造對(duì)加水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1） 在盾構(gòu)機(jī)上所有改裝的儲(chǔ)水罐中增加液位計(jì)，在儲(chǔ)水罐進(jìn)水口增加自動(dòng)開關(guān)連接液位計(jì)，在儲(chǔ)水罐水位達(dá)到使用要求時(shí)，液位計(jì)報(bào)警水滿，從而進(jìn)水口開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，防止儲(chǔ)水罐中的水溢出。在儲(chǔ)水罐水位低于要求值時(shí)，液位計(jì)報(bào)警最低液位，自動(dòng)打開進(jìn)水開關(guān)進(jìn)行加水。如加水異常，則設(shè)立報(bào)警值，在儲(chǔ)水罐低于或高于液位時(shí)，自動(dòng)開關(guān)未進(jìn)行正常工作，則反饋信號(hào)給操作室，便于及時(shí)排查管路故障。

2） 在循環(huán)水池水泵后方設(shè)置泄壓閥，當(dāng)三個(gè)儲(chǔ)水罐水位都滿足使用要求，進(jìn)水管關(guān)閉后，水管中的水回流至循環(huán)水池內(nèi)。

3） 在盾構(gòu)機(jī)上改裝儲(chǔ)水罐的出水口水泵后方設(shè)置泄壓閥門[3]，刀盤或者土倉(cāng)內(nèi)加水壓力過高時(shí)能夠通過泄壓回流至儲(chǔ)水罐中，防止水泵燒壞。

4） 將所有儲(chǔ)水罐后的水泵改為變頻水泵，將控制開關(guān)接至操作室面板，通過操作室可以精細(xì)化調(diào)整每條管路的流量。

5） 在所有改裝管路刀盤的接入口處安裝流量計(jì)并接入操作室，反饋流入土倉(cāng)和刀盤前方的具體加水量。

6） 在所有改裝管路末端增加自動(dòng)開關(guān)球閥及單向閥，自動(dòng)開關(guān)球閥與水泵啟停連鎖，當(dāng)水泵打開后球閥自動(dòng)打開，水泵關(guān)閉后球閥自動(dòng)關(guān)閉。單向閥則可以防止土倉(cāng)內(nèi)壓力過大造成回流現(xiàn)象。

通過以上改造完全實(shí)現(xiàn)操作室控制土倉(cāng)加水自動(dòng)化操作，并且能夠有效地節(jié)約處理問題的時(shí)間，從而真正達(dá)到加水系統(tǒng)針對(duì)性改造的實(shí)用性。詳見圖3。

6 結(jié)語

盾構(gòu)機(jī)在砂卵石和泥巖復(fù)合地層掘進(jìn)時(shí)，容易擾動(dòng)地層而發(fā)生坍塌，且復(fù)合地層不穩(wěn)定因素較多，在掘進(jìn)過程中對(duì)刀盤磨損較大，容易發(fā)生刀盤卡?，F(xiàn)象，因此在掘進(jìn)過程中主要考慮渣土改良。渣土改良一般分為化學(xué)改良和物理改良，常用的渣土改良劑有水、泡沫劑、膨潤(rùn)土、高分子聚合物等。渣土的改良效果主要取決于所用改良劑的添加方式與用量等參數(shù)的調(diào)整，因此加水用量的精準(zhǔn)控制至關(guān)重要。加水系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化、有效化改造能夠及時(shí)有效地配合渣土改良，從而達(dá)到快速連續(xù)掘進(jìn)的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，中鐵隧道股份有限公司.盾構(gòu)法開倉(cāng)及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范：CJJ 217—2014[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

[2]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，中鐵隧道集團(tuán)有限公司.盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50446—2017[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2017.

[3]公安部第一研究所，公安部科技信息化局.安全防范工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50348—2018[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2018.

編輯：楊洋

作者簡(jiǎn)介：張會(huì)賓（1989.10-），男，河南平頂山人，?？疲ǖ诙W(xué)歷本科），工程師，從事盾構(gòu)機(jī)設(shè)備管理維修與保養(yǎng)方面的工作。

作者簡(jiǎn)介：張會(huì)賓（1989～），男，河南省平頂山市人，工程師，從事盾構(gòu)機(jī)設(shè)備管理維修與保養(yǎng)方面的工作。