大直徑泥水平衡盾構(gòu)輔助氣壓工法應(yīng)用研究

摘要：輔助氣壓掘進(jìn)工法在國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工中常被用于土壓盾構(gòu)掘進(jìn)“上軟下硬”地層和埋深較大、裂隙水發(fā)育的地層，以及富水、氣密性好的復(fù)合地層。在泥水盾構(gòu)掘進(jìn)中采用輔助氣壓掘進(jìn)工法的案例較少，本文結(jié)合河南城際鐵路大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目全斷面黏土層氣密性好等工程特點(diǎn)，嘗試在黏土層掘進(jìn)施工中采用泥水盾構(gòu)輔助氣壓法掘進(jìn)工法，應(yīng)對(duì)刀盤結(jié)泥餅，使各項(xiàng)參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)果惡化、施工效率降低等問(wèn)題，有效降低了刀盤結(jié)泥餅的概率，提升了施工效率，為類似地層大直徑泥水盾構(gòu)施工提供了參考意義。

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu)；輔助氣壓掘進(jìn)；黏土層；結(jié)泥餅

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

Application of Auxiliary Pneumatic Construction Method for Large Diameter Mud-Water Balanced Shield

Abstract：In domestic shield construction， auxiliary pneumatic tunneling method is often used in the earth pressure shield tunneling of \"soft above and hard below\" strata，strata with large buried depth and fissure water development， and composite strata with rich water and good air tightness.There are few cases in which auxiliary pneumatic tunneling method is used in mud shield tunneling，in this paper，combined with the engineering characteristics of the large diameter shield project of Henan Intercity Railway，such as good air tightness of the clay layer in the whole section，we try to adopt the auxiliary pneumatic tunneling method of mud-water shield tunneling method in the construction of clay layer，so as to deal with the problems such as the change of various parameters caused by the mud cake，resulting in the deterioration of results and the reduction of construction efficiency，the probability of mud cake formation is effectively，the construction efficiency is improved，and the reference significance is provided for the construction of large diameter mud-water shield in similar strata.

Keywords：mud-water shield;auxiliary pressure driving;clay layer;mud cake

0 引言

泥水平衡型盾構(gòu)機(jī)由于施工過(guò)程中掌子面壓力波動(dòng)小，相對(duì)土壓平衡盾構(gòu)壓力控制精度高，能有效控制地表沉降，保持地層穩(wěn)定[1]，使其被廣泛應(yīng)用于各類軌道交通及穿越江、河、湖、海等隧道建設(shè)中。盾構(gòu)機(jī)在黏土層類地層掘進(jìn)時(shí)，由于切削掉的泥渣黏結(jié)聚積成團(tuán)逐漸附著于刀盤上，使刀盤孔眼堵塞、開口率減小，造成結(jié)泥餅[2]，在泥水循環(huán)過(guò)程中，造成流量波動(dòng)進(jìn)而影響開挖面平衡壓力波動(dòng)、泥漿滯排、刀盤切削效率降低、掘進(jìn)參數(shù)不達(dá)標(biāo)等[3]，如果不及時(shí)處理，會(huì)惡性循環(huán)，造成巨大損失。因此，泥水盾構(gòu)在此類地層采取措施預(yù)防刀盤結(jié)泥餅至關(guān)重要。

1 工程概況

河南城際鐵路工程連接鄭州南站與鄭州機(jī)場(chǎng)兩大交通樞紐，是河南“米”字型高鐵的關(guān)鍵聯(lián)絡(luò)線，也是河南省“一帶一路”綜合交通樞紐和中原城市群軌道交通網(wǎng)的重要組成部分。全線全長(zhǎng)7.6 km，其中盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)3.8 km，為單洞雙線圓形隧道，采用一臺(tái)開挖直徑12.8 m的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，隧道斷面外徑 12.3 m，內(nèi)徑11.3 m，隧道下穿三官?gòu)R鎮(zhèn)淺覆土建筑物群；盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)總干渠相交并以85度角斜下穿南水北調(diào)總干渠工程。盾構(gòu)隧道長(zhǎng)距離穿越粉質(zhì)黏土含鈣質(zhì)膠結(jié)地層，洞身范圍內(nèi)從上至下依次為粉砂、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂層，其中80%為粉質(zhì)黏土層，20%為粉砂、細(xì)砂層，盾構(gòu)隧道洞身大部分處于粉質(zhì)黏土層中，顆粒較細(xì)，易造成盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅及堵倉(cāng)、滯排等。隧道拱頂埋深10.26 m～31.07 m，地下水豐富，基本處于潛水—承壓水中。

2 輔助氣壓工法應(yīng)用

在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)中，多采用半倉(cāng)掘進(jìn)，在開挖倉(cāng)內(nèi)上半部打開保壓系統(tǒng)注入一定壓力的壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)輔助氣壓掘進(jìn)以加強(qiáng)排渣。泥水平衡盾構(gòu)機(jī)工作原理與土壓盾構(gòu)機(jī)不同，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)排漿方式及管路布置的不同，一般將泥水平衡盾構(gòu)機(jī)分為直接式與間接式。直接式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)操作控制較為簡(jiǎn)單，通過(guò)計(jì)算得出的地層壓力值可以通過(guò)盾構(gòu)機(jī)自帶的保壓系統(tǒng)控制器進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定后保壓系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力，保持開挖面壓力值穩(wěn)定，即使波動(dòng)較大也可快速自動(dòng)調(diào)整回設(shè)定值，因此廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外大直徑盾構(gòu)隧道或?qū)Τ两悼刂埔蟾叩亩軜?gòu)隧道[4]。間接式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)前倉(cāng)一般注滿泥漿保持飽和狀態(tài)下掘進(jìn)，需要盾構(gòu)機(jī)操作人員在掘進(jìn)過(guò)程中手動(dòng)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速與通向開挖倉(cāng)的閥門開度來(lái)控制泥漿流量進(jìn)而穩(wěn)定開挖倉(cāng)壓力，調(diào)節(jié)過(guò)程對(duì)操作人員要求較高。一般常用的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)以間接式為主，本工程因下穿各類風(fēng)險(xiǎn)源較多，對(duì)控制精度要求高，采用間接型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行施工。

2.1 輔助氣壓工法應(yīng)用背景

開挖倉(cāng)注滿泥漿，采用飽和泥漿掘進(jìn)，在全斷面黏土層掘進(jìn)一段距離后，由于掉落的泥渣無(wú)法完全排出，導(dǎo)致聚積成團(tuán)，部分黏附在刀盤上，泥渣過(guò)多導(dǎo)致刀盤泥餅增多，使各項(xiàng)參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)果惡化。一般情況下為保證掘進(jìn)效率，需要階段性帶壓進(jìn)倉(cāng)清理泥餅后再恢復(fù)掘進(jìn)，此工程在帶壓進(jìn)倉(cāng)清理刀盤泥餅后恢復(fù)掘進(jìn)參數(shù)變化情況如圖1所示。

由圖1可知，在盾構(gòu)掘進(jìn)一段距離后，掘進(jìn)參數(shù)變化明顯，推力逐漸增大，在推進(jìn)25環(huán)后，推力增大20 000 kN～90 000 kN，上漲約4倍～5倍，掘進(jìn)速度由0.42 mm/s下降至0.083 mm/s～0.167 mm/s，扭矩隨速度變化波動(dòng)。泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在黏土層采用滿倉(cāng)泥漿掘進(jìn)存在以下問(wèn)題。

1） 隨著掘進(jìn)距離增加，泥團(tuán)聚積黏附在刀盤上越來(lái)越多，甚至部分開口直接堵塞，導(dǎo)致泥漿無(wú)法正常攜渣進(jìn)行環(huán)流，嚴(yán)重影響施工效率。

2） 速度降低后，切削下的渣土不能有效分離，會(huì)逐漸溶解至漿液中，泥漿中細(xì)顆粒增多，漿液比重增大，不僅導(dǎo)致泥漿處理能力下降，還會(huì)導(dǎo)致泥漿攜渣能力下降，進(jìn)一步降低掘進(jìn)效率。

3） 設(shè)備長(zhǎng)期高負(fù)荷工作，主機(jī)、刀盤發(fā)熱量增加，泥餅越結(jié)越多、越硬，形成惡性循環(huán)。

4） 掘進(jìn)效率降低后，刀盤在低速下長(zhǎng)期空轉(zhuǎn)，易造成超挖，影響開挖面及周邊穩(wěn)定。

2.2 輔助氣壓法工法施工應(yīng)用

采取輔助氣壓法掘進(jìn)的前提條件是保證掌子面土體穩(wěn)定，在控制壓力下保持沉降量不超標(biāo)[5]，不發(fā)生塌陷。本工程在盾構(gòu)穿越南水北調(diào)段埋深約32 m，在完成穿越南水北調(diào)影響范圍后采用輔助氣壓工法掘進(jìn)。

2.2.1 輔助氣壓工法原理

泥水盾構(gòu)采用輔助氣壓掘進(jìn)是將壓縮空氣填充前倉(cāng)上半部與下半部的泥漿以平衡掌子面、盾構(gòu)三大密封系統(tǒng)的油脂。通常情況下，壓縮空氣的流速大于泥漿的流速，泥漿的流速大于渣土的流速。刀盤切削土體，出現(xiàn)空隙后，壓縮空氣與泥漿會(huì)立即對(duì)空隙填充，通過(guò)泥漿環(huán)流控制泥漿液位處于一定范圍內(nèi)，泥漿液位以上壓縮空氣會(huì)逐漸逼退泥漿占有的空間，將開挖倉(cāng)與氣墊倉(cāng)再進(jìn)行連通后，開挖倉(cāng)泥漿液面也填充為壓縮空氣。

壓縮空氣具備一定壓力，除了與泥漿能共同維持掌子面穩(wěn)定外，壓縮空氣進(jìn)入盾體與開挖輪廓間隙，抵抗地下水、土壓力，同時(shí)也平衡盾構(gòu)機(jī)外密封系統(tǒng)。

2.2.2 輔助氣壓工法實(shí)施過(guò)程

采取輔助氣壓法掘進(jìn)原理是通過(guò)泥水盾構(gòu)機(jī)獨(dú)有的壓縮空氣控制系統(tǒng)（SAMSON系統(tǒng)）設(shè)定壓力，然后利用平衡閥將氣墊倉(cāng)、開挖倉(cāng)管路連通，利用SAMSON系統(tǒng)將空氣壓縮機(jī)提供的氣源供氣，將開挖倉(cāng)上部的泥漿通過(guò)管路排出，注入壓縮空氣，下半部仍為泥漿，液位可根據(jù)上位機(jī)顯示界面查看并通過(guò)環(huán)流調(diào)節(jié)。

壓力設(shè)定：應(yīng)根據(jù)工程特性進(jìn)行設(shè)定，結(jié)合本工程掌子面開挖直徑與埋深條件，盾構(gòu)機(jī)頂部與中部壓力差約6 Pa；液位控制在腰線以上1 m～2 m，利用泥漿為維持掌子面穩(wěn)定，開挖倉(cāng)上半部壓力設(shè)定值與開挖倉(cāng)掘進(jìn)中泥漿線壓力值持平，此時(shí)氣墊倉(cāng)液位與開挖倉(cāng)相同。

通過(guò)盾構(gòu)機(jī)上位機(jī)顯示界面與開挖倉(cāng)布置的壓力傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開挖倉(cāng)壓縮空氣與泥漿壓力變化。

僅在全斷面黏土層及氣密性良好的地質(zhì)條件下使用輔助氣壓掘進(jìn)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1） 為保證掌子面穩(wěn)定，泥漿液位設(shè)定在腰線以上1 m～2 m。

2） 保證連通管路完全開啟，若未完全開啟，會(huì)在開挖倉(cāng)形成氣泡，影響排渣效果。

3） 應(yīng)時(shí)刻關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及地表沉降值的變化。

4） 應(yīng)保持泥漿池與盾構(gòu)機(jī)積極聯(lián)動(dòng)，輔助氣壓工法使用后應(yīng)持續(xù)觀察泥漿池出渣效果是否發(fā)生變化。

2.2.3 輔助氣壓工法應(yīng)用效果

通過(guò)切換為輔助氣壓法掘進(jìn)后，速度逐漸在30 min內(nèi)增加至0.33mm/s～0.67mm/s，扭矩與推力均有明顯下降，如圖2所示；將掘進(jìn)模式調(diào)整為輔助氣壓掘進(jìn)后，出渣黏土塊明顯增加，如圖3所示，出渣效果變化明顯。

采用輔助氣壓法掘進(jìn)后，地表沉降值略有明顯變化，其總體處于規(guī)范控制值內(nèi)，采用輔助氣壓掘進(jìn)地表沉降監(jiān)測(cè)值如圖4所示，最大沉降值僅為-7 mm。

3 輔助氣壓工法應(yīng)用效果分析

3.1 輔助氣壓工法施工特點(diǎn)

前倉(cāng)用壓縮空氣替換泥漿后，刀盤背部與沖刷管路之間缺少了泥漿阻隔，使沖刷的泥漿通過(guò)循環(huán)的沖刷管路可直接對(duì)刀盤背部進(jìn)行沖洗，客觀上加強(qiáng)了沖刷效果，有助于延緩泥餅的黏結(jié)。

上半部掌子面因沒(méi)有泥漿，無(wú)法形成泥膜進(jìn)行泥漿護(hù)壁，刀盤對(duì)掌子面開挖切削后，失去泥漿包裹的渣土更加容易掉落，有利于出渣；另一方面，隨著掘進(jìn)速度的提高和趨于穩(wěn)定，出渣渣塊體積也趨于一致，更易排出。

開挖面上半部填充壓縮空氣后上半部壓力相同，相當(dāng)于降低了部分掌子面壓力，只在氣密性良好的黏土層適用，客觀上降低了推力。

經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，壓縮空氣與泥漿的交界面在液位波動(dòng)過(guò)程中，一定程度上對(duì)刀盤起到了沖刷作用。

3.2 輔助氣壓工法控制要點(diǎn)

該工程切換輔助氣壓法掘進(jìn)后，各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)穩(wěn)定，最大日進(jìn)尺20 m，但由于開挖上半部沒(méi)有泥漿護(hù)壁，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可能直接沖刷到掌子面，掌子面易受擾動(dòng)。另外輔助氣壓模式掘進(jìn)由于降低了倉(cāng)壓，所以需在地層變換時(shí)及時(shí)改變掘進(jìn)模式，防止出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)、坍塌。

停機(jī)時(shí)需注意：因工序原因，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在連接管路時(shí)必須周期性停機(jī)，而輔助氣壓法掘進(jìn)開挖倉(cāng)上半部被空氣填充，沒(méi)有泥漿保護(hù)的掌子面泥膜易被破壞。該工程根據(jù)實(shí)際情況一般設(shè)定停機(jī)時(shí)間超過(guò)2 h即進(jìn)行建倉(cāng)，將開挖倉(cāng)充滿泥漿。

壓力與液位控制：因倉(cāng)壓可直接反應(yīng)與掌子面接觸情況，巨大的倉(cāng)壓波動(dòng)可能是掌子面失穩(wěn)的征兆。因此，為保證掌子面穩(wěn)定，倉(cāng)壓瞬時(shí)波動(dòng)超過(guò)±3 Pa或液位瞬時(shí)波動(dòng)超過(guò)±1 m出現(xiàn)，即認(rèn)為出現(xiàn)較大波動(dòng)，立即恢復(fù)建倉(cāng)，對(duì)開挖倉(cāng)用泥漿填充。

出渣量監(jiān)測(cè)：當(dāng)泥水處理中心出渣發(fā)生變化時(shí)可能是地質(zhì)情況出現(xiàn)變化，應(yīng)評(píng)估是否繼續(xù)利用輔助氣壓工法進(jìn)行掘進(jìn)，出渣量的變化也應(yīng)及時(shí)調(diào)整，因?yàn)槌鲈窟^(guò)多可能是出現(xiàn)超挖，必須及時(shí)進(jìn)行控制。

應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)各項(xiàng)參數(shù)，尤其是倉(cāng)壓、液位的波動(dòng)情況，注意觀測(cè)地面沉降值，如發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)恢復(fù)間接式泥水平衡循環(huán)。應(yīng)提前對(duì)線路進(jìn)行勘察，若發(fā)現(xiàn)孔ny洞及可能漏氣的通道，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行封閉。

4 結(jié)論與建議

在全斷面黏土地層及氣密性、自穩(wěn)性良好的地層中，輔助氣壓工法掘進(jìn)能提高施工效率，且將沉降值控制在可控范圍內(nèi)，有效提高了施工效率，該工程經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1） 地層適應(yīng)性是本工法使用的前提條件，因此地層氣密性、自穩(wěn)性滿足要求是采用泥水盾構(gòu)輔助氣壓法的前提條件。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)立即切換回飽和泥漿狀態(tài)進(jìn)行掘進(jìn)。

2） 參數(shù)控制：需要重視掘進(jìn)參數(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等變化情況，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

3） 液位控制：為保證掌子面穩(wěn)定，應(yīng)將液位始終控制在超過(guò)腰線1 m～2 m范圍內(nèi)。

4） 泥水處理中心聯(lián)動(dòng)：應(yīng)重視與泥水處理中心聯(lián)動(dòng)，出渣變化會(huì)直接通過(guò)泥水篩分設(shè)備反應(yīng)，當(dāng)發(fā)生變化時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整。

5） 應(yīng)保證同步注漿填充性，避免氣體從掌子面前方溢流至后方導(dǎo)致掌子面壓力失穩(wěn)。

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