超大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)刀盤沖刷軟管破裂后處理方法研究

盛正楊

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京）

引言

隨著我國城市化發(fā)展進(jìn)程的加快，在城市公路、地鐵、管廊等地下施工建設(shè)中盾構(gòu)隧道也將得到越來越多的應(yīng)用[1-3]。超大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)因其適用于各種復(fù)雜地層的施工特點(diǎn)逐漸被人們所采納，但具備常壓換刀功能的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤在掘進(jìn)過程中容易出現(xiàn)開挖倉泥漿泄露進(jìn)入中心錐現(xiàn)象，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn)，降低盾構(gòu)施工效率。

本文主要依托于南京某過江通道隧道盾構(gòu)施工項(xiàng)目超大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)刀盤沖刷軟管破裂后處理方法進(jìn)行研究，為后續(xù)國內(nèi)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程概況

南京某過江盾構(gòu)項(xiàng)目管片設(shè)計(jì)外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，盾構(gòu)段最大縱坡為4.5%，最小轉(zhuǎn)彎半徑為1 100 m。江中段最小覆土厚度10.55 m，江中最大壓力達(dá)7.7 bar，隧道施工采用1 臺(tái)15.07 m 超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，盾構(gòu)段穿越主要地層有粉砂層、上軟下硬砂卵石復(fù)合層、上軟下硬土巖復(fù)合層和粉質(zhì)黏土層。在地層中主要含有粉砂、圓礫、中（強(qiáng)）風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖夾礫巖、斷層破碎帶（泥巖+白云巖）、粉質(zhì)黏土夾粉砂等。

2 刀盤滾刀沖刷軟管破裂問題分析

2.1 刀盤滾刀沖刷軟管破裂問題描述

盾構(gòu)施工至江底停機(jī)保壓期間（此環(huán)水深29.96 m，覆土厚度16.56 m，斷面地層為圓礫和礫砂層，切口壓力5.80 bar，氣泡倉6.80 bar），突然出現(xiàn)液位下降現(xiàn)象，20 min 內(nèi)液位下降約2 m，此時(shí)由監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)中心錐內(nèi)有泥漿上漲至換刀平臺(tái)處，并且在刀盤中心刀附近有泥漿持續(xù)噴出。約1 h 左右監(jiān)控畫面信號(hào)中斷，中心錐觀察口已無法觀察到內(nèi)部情況。

根據(jù)監(jiān)控中刀盤中心錐中心刀附近泥漿噴出量（詳見圖1），結(jié)合前期中心錐內(nèi)常壓滾刀沖刷軟管鼓包并更換分析，中心錐內(nèi)泥漿泄漏應(yīng)為軟管爆管或接頭松動(dòng)。

圖1 刀盤中心錐中心刀附近泥漿噴出

2.2 刀盤與中心錐設(shè)計(jì)

本臺(tái)盾構(gòu)機(jī)刀盤具備常壓換刀功能，人員可常壓由中心錐進(jìn)入刀盤主臂內(nèi)部，在刀盤主臂內(nèi)部進(jìn)行刀具的檢查或更換作業(yè)[4]。刀盤面板和常壓滾刀沖刷系統(tǒng)通過中心回轉(zhuǎn)體穿過中心錐，使沖刷管路分布于刀盤各個(gè)主臂間進(jìn)行刀盤面板和常壓滾刀的沖刷（詳見圖2）。

圖2 刀盤與中心錐設(shè)計(jì)剖面圖

2.3 刀盤滾刀沖刷軟管破裂后修復(fù)辦法分析

中心錐內(nèi)充滿泥漿，壓力高達(dá)6.7 bar，由于中心錐內(nèi)部滾刀沖刷軟管持續(xù)泄露，現(xiàn)場通過中心錐外壁DN50 和DN100 管路進(jìn)行排漿泄壓，已無法降低中心錐內(nèi)壓力，同時(shí)機(jī)修人員已無法進(jìn)入中心錐內(nèi)進(jìn)行處理。根據(jù)以上情況分析，得出以下兩種處理方案。

2.3.1 潛水員帶壓進(jìn)倉修復(fù)

通過氣墊倉升降液位的方式，降低中心錐內(nèi)壓力至5 bar 以下，潛水員用過中心錐物料運(yùn)輸通道進(jìn)行加壓進(jìn)入中心錐內(nèi)，手動(dòng)關(guān)閉破裂的刀盤滾刀沖刷軟管前端球閥，完成后潛水員再通過中心錐物料運(yùn)輸通道減壓離開中心錐。此時(shí)即可通過中心錐外壁DN50和DN100 管路進(jìn)行排漿泄壓直至常壓，再由機(jī)修人員進(jìn)入更換破裂的軟管。

2.3.2 向開挖倉注入聚氨酯堵漏修復(fù)

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)，刀盤滾刀沖刷軟管直接連通開挖倉到達(dá)滾刀刀頭位置。聚氨酯的注入需通過盾體外壁中下部連通開挖倉的管路向內(nèi)注入，由于此管路出口位于刀盤背部，則需要向開挖倉注入大量聚氨酯，聚氨酯發(fā)泡后使其可填充開挖倉上部空間[5]，通過中心錐泄壓后泥漿回流的原理，對刀盤中心滾刀軟管沖刷口進(jìn)行堵漏。漏漿點(diǎn)封堵完成后，通過中心錐外壁DN50 和DN100 管路進(jìn)行排漿泄壓直至常壓，再由機(jī)修人員進(jìn)入更換破裂的軟管。

考慮人員作業(yè)安全性，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)先選擇向開挖倉注入聚氨酯進(jìn)行堵漏修復(fù)。

3 刀盤滾刀沖刷軟管破裂處理過程

3.1 主驅(qū)動(dòng)內(nèi)密封增加背壓

本臺(tái)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)內(nèi)密封設(shè)計(jì)為4 道唇形密封（詳見圖3），為防止中心錐內(nèi)壓力過高導(dǎo)致主驅(qū)動(dòng)內(nèi)部唇形密封泄露泥漿，將LA 腔、OA 腔、大齒圈腔內(nèi)連接管路進(jìn)行獨(dú)立加壓，壓力通過氣動(dòng)三聯(lián)件進(jìn)行調(diào)節(jié)。中心錐內(nèi)壓力為0～3 bar 時(shí)，三個(gè)腔可不進(jìn)行加壓；當(dāng)中心錐內(nèi)壓力為3～7 bar 時(shí)，LA 加壓0～3 bar，OA 加壓0.5～3 bar，大齒圈加壓1～3 bar，且需要切斷自動(dòng)加壓裝置對大齒圈加壓的氣源。

圖3 主驅(qū)動(dòng)密封示意

在LA 腔、OA 腔、大齒圈腔內(nèi)連接管路進(jìn)行獨(dú)立加壓時(shí)，應(yīng)遵循主驅(qū)動(dòng)密封壓力梯度，以氣墊倉壓力為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)（主驅(qū)動(dòng)密封梯度詳見表1）。

表1 主驅(qū)動(dòng)密封梯度

3.2 聚氨酯的注入

由于聚氨酯發(fā)泡快的特性，在選擇盾體外壁中下部連通開挖倉的管路時(shí)，不宜選擇管徑較粗的管路，管徑盡量控制在DN50 以下，本項(xiàng)目選擇DN25 壓力傳感器沖刷管路進(jìn)行聚氨酯的注入。聚氨酯注入使用1 臺(tái)雙螺桿泵，可向開挖倉內(nèi)大量及高效的注入聚氨酯。聚氨酯注入前，首先使用液壓油進(jìn)行清洗、潤滑管路，防止管路堵塞。聚氨酯注入完成后，同樣使用液壓油進(jìn)行清洗、潤滑管路，保證注入管路后續(xù)使用中的通暢。

聚氨酯在注入前應(yīng)進(jìn)行發(fā)泡速率配比試驗(yàn)，使聚氨酯主劑、促進(jìn)劑和泥漿混合后發(fā)泡時(shí)間大于20 min以上，防止注入管路堵塞，同時(shí)使聚氨酯注入至開挖倉后具有一定的流動(dòng)性，可由刀盤背面流動(dòng)至刀盤前端。

3.3 穩(wěn)定氣墊倉液位及中心錐排漿

為加強(qiáng)聚氨酯在開挖倉內(nèi)的流動(dòng)性，氣墊倉液位通過環(huán)流系統(tǒng)持續(xù)向氣墊倉內(nèi)補(bǔ)充漿液，在氣墊倉液穩(wěn)定的同時(shí)通過中心錐外壁DN50 和DN100 管路進(jìn)行排漿泄壓。如環(huán)流系統(tǒng)補(bǔ)漿量較大，則適當(dāng)降低中心錐泄壓速度[6]。

持續(xù)觀察中心錐內(nèi)壓力變化，根據(jù)壓力變化情況進(jìn)行相關(guān)操作。

3.4 增強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)排污系統(tǒng)

由于通過中心錐外壁DN50 和DN100 管路進(jìn)行泄壓的漿液大量排放至盾體下部，并且持續(xù)放漿，容易將盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部設(shè)備淹沒，此時(shí)需進(jìn)行增強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)排污系統(tǒng)，如下：

（1）首先在箱涵拼裝區(qū)域前端使用沙袋進(jìn)行制作圍堰，便于泥漿存儲(chǔ)。

（2）盾體排污隔膜泵和應(yīng)急排污泵排污至污水箱，由污水箱通過隧道內(nèi)污水管路排至地面。

（3）盾尾處增加兩臺(tái)7.5 KW 污水泵以及喂片機(jī)后部增加1 臺(tái)18.5 KW 污水泵，將盾尾處污水抽至箱涵圍堰存儲(chǔ)區(qū)。

（4）圍堰存儲(chǔ)區(qū)使用1 臺(tái)氣動(dòng)隔膜泵和1 臺(tái)22 KW 污水泵，將污水排至四號(hào)臺(tái)車污水箱內(nèi)，通過污水箱泥漿泵排放至進(jìn)漿管。

通過以上排污系統(tǒng)的建立，并充分使用盾構(gòu)機(jī)排污設(shè)備，滿足中心錐漿液排放的需求。

3.5 常壓更換破裂軟管

當(dāng)環(huán)流系統(tǒng)補(bǔ)漿量穩(wěn)定在50～80 m3/h，中心錐壓力降至0.1 bar 或0 bar 時(shí)，嘗試進(jìn)行開啟中心錐倉門，開啟后首先安裝軸流風(fēng)機(jī)，建立中心錐內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)，使用手持氣體檢測儀對中心錐內(nèi)氣體進(jìn)行檢測，氣體檢測合格后機(jī)修人員進(jìn)入中心錐內(nèi)安放7.5 KW污水泵進(jìn)行排污，并且使用高壓水進(jìn)行中心錐沖洗，當(dāng)中心錐內(nèi)液位降低至換刀平臺(tái)時(shí)，機(jī)修人員可佩帶安全帶進(jìn)入，關(guān)閉刀盤沖刷破裂軟管的球閥。

刀盤滾刀沖刷軟管破裂問題處理完成后，中心錐泥漿內(nèi)漂浮較多已發(fā)泡的聚氨酯顆粒，向開挖倉注入聚氨酯堵漏方案可行，且大大提高施工作業(yè)中的安全性。

4 中心錐內(nèi)部注意事項(xiàng)

4.1 提高中心沖刷軟管的性能

刀盤滾刀沖刷壓力一般約為8～10 bar，滾刀沖刷軟管承壓為17 bar，但沖刷過程中，軟管易產(chǎn)生振動(dòng)、磨損等現(xiàn)象，易導(dǎo)致管路的破裂，可將滾刀沖刷軟管承壓能力提高至80 bar 以上，降低管路損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 加強(qiáng)中心錐內(nèi)管路檢查

掘進(jìn)結(jié)束后，機(jī)修人員檢查常壓刀具螺栓的同時(shí)進(jìn)行各類中心沖刷軟管的檢查，如有暗傷或損壞現(xiàn)象需及時(shí)更換，對沖刷鋼管也應(yīng)定期進(jìn)行壁后測量，防止出現(xiàn)砂眼、彎頭磨損等現(xiàn)象。

4.3 避免常壓換刀對沖刷軟管的影響

由于中心沖刷管路分布于各個(gè)刀盤主臂內(nèi)部，在常壓換刀期間，換刀工裝的安放、刀具的吊裝等易對沖刷管路產(chǎn)生磕碰等現(xiàn)象，需提醒常壓換刀人員注意，必要時(shí)對易磕碰點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。

4.4 分地層適時(shí)開啟沖刷系統(tǒng)

刀盤沖刷系統(tǒng)本質(zhì)為防止刀盤泥餅的集結(jié)而設(shè)計(jì)，盾構(gòu)機(jī)在粉砂層掘進(jìn)施工時(shí)，可關(guān)閉刀盤刀具中心沖刷，僅開啟刀盤面板中心沖刷。

結(jié)束語

通過采用向開挖倉內(nèi)注入聚氨酯堵漏的方案，大大降低了刀盤沖刷軟管破裂后修復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)，且由于聚氨酯發(fā)泡后強(qiáng)度較低，軟管破裂問題處理期間留存在開挖倉內(nèi)的聚氨酯在后續(xù)盾構(gòu)施工作業(yè)中未發(fā)現(xiàn)明顯影響。