超大直径泥水盾构掘进施工泥水控制技术要点分析

发布时间：2023-02-02T01:13:38.882Z 来源：《中国科技信息》2022年9月第18期 作者： 邓俊，南东伟，王高翔[导读] 在经济的牵引下，公路隧道项目增多，公路隧道工程中

邓俊，南东伟，王高翔

中交天和机械设备制造有限公司南京分公司， 江苏 南京 211800

摘要：在经济的牵引下，公路隧道项目增多，公路隧道工程中，起支撑作用的技术便是盾构掘进施工技术。结合现有经验可知，该技术具备诸多优点，例如安全保障好、成型质量高以及施工周期短等。正是因为如此，盾构法应用价值高，广泛运用在隧道工程。本文将以珠海兴业快线为例，探究超大直径泥水盾构法泥水技术关键点，在此基础上围绕泥水控制技术展开研究。 关键词：技术要点；盾构掘进；隧道施工；超大直径泥水平衡盾构机

0引言：在城市交通体系中，运用盾构施工技术，可减少资源浪费，提高隧道施工效率，确保项目稳定运行状态，掘进技术的全面推广,十分有利于推动城市基础建设。1盾构施工技术介绍

实际上，公路项目中实施的盾构掘进施工技术，属于全机械化施工模式的主要内容，是盾构法施工的核心技术。施工操作中，需要盾构技术人员精准把控施工进度，实现盾构机科学有效掘进，并依托盾构机外壳和拼装成型的整环管片，形成完整的隧道支撑体系，来确保隧道上方原封地层的稳定状态，不会出现坍塌等地质问题。另外在开挖时，盾构机刀盘选型和刀具的配置也不容忽视，它将发挥最重要的作用，在盾构司机的操控下，对土体进行开挖，精准控制泥水环流系统，将掘进时切屑下来的渣土通过泥水盾构机泥水环流系统泵送至洞外。与此同时，控制盾构机推进油缸在后部加压顶进。2工程案例

兴业快线（南段）二标主线盾构隧道从银桦路工作始发井至板樟山工作接收井。区间长度约 1740m，顶覆土厚度 9.8~41.3m。最小竖曲线半径为1500.00m，最大竖曲线半径为2500.00m。主线为双向四车道，设计速度60km/h。主线盾构区间洞身范围内穿越的主要地层地质有粉质黏土、淤泥质土、砾砂、砾质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩、构造破碎带、孤石。盾构机采用中交天和机械设备制造有限公司自主研发的泥水气垫平衡式盾构机，刀盘开挖直径为15.76m，盾体长度为17.325m，盾构机总长约135m，本工程已完成掘进完成19%。工程平面位置见图2-1。

图2-1工程总体线路平面示意图 3盾构机掘进施工泥水控制3.1泥水平衡原理简述

泥水气垫平衡式盾构机工作面土体是依靠泥水压力对掌子面上的水压力发挥平衡作用来维持稳定。泥水仓压力在泥水盾构掘进中主要起支护作用。泥水仓压力大于地层埋深和地下水压力，就可以形成一个向外的水力梯度，以此来保持泥水仓压力的稳定。在泥水平衡控制技术理论上，泥膜的形成至关重要，当泥水压力大于地下水压力时，泥水渗入土壤，形成与土壤间隙形成一定比例的悬浮颗粒，被捕获并集聚与泥水的接触表面，从而形成泥膜。伴随工作时间的推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐递增。当泥膜抵抗力远大于掌子面正面水压时，从而产生产生泥水平衡的效果。3.2 泥水系统控制原理

本工程可操作泥水系统模式为：掘进模式、反循环模式、旁通模式、长时间停机模式。

掘进模式：此模式掘进开挖时使用。根据气泡仓内的泥浆液位与设定压力和泥水仓内所需的压力，对流体系统P1.1、P2.1泥浆泵转速分别进行调整。通过调整P1.1泥浆泵转速来调整泵出口压力和流量，同时通过调整P2.1泥浆泵的转速，来满足排浆携渣所需要的流量与压力泵送至地面的泥水处理厂。

反循环模式：通过调整环流系统旁通液动阀开关顺序，来改变泥浆流向，实现反循环泥浆逆向流动冲洗气泡仓和泥水仓底部碎石或渣土。旁通模式；本工程中此模式可分为盾体机内循环与台车旁通循环，通过切换环流系统旁通液动阀开关顺序来实现，主要用于盾构机掘开始时调整泵送流量与压力和盾构掘进完成后旁通携渣，也可作用于当泥水仓主排泥流量或压力发生异常时紧急切换为该模式，以此来保证泥水仓内压力稳定。

长时间停机模式：此模式是由盾构机独立的周休保压系统压缩气回路来实现自动控制的。当泥水仓设定压力因长时间停机出现压力下降时，自动保压系统便自动给泥水仓内进行补液位来保证仓内压力稳定。3.3流量和液位的控制

泥水盾构机掘进循环时，泵送泥浆循环流量的目的是携带泥水仓和管路内的渣土。为避免泥水仓及管路内渣土沉淀，必须保证泥浆指标达标（其中包括泥浆比重和粘度），根据不同地层及时调整泥浆比重和粘度来满足携渣所需的泵送流量。

泥水仓液位必须保证满仓掘进，而气垫仓液位通常维持在仓内中部，当泥水仓内设定压力出现波动，此时需稳定调节P1.1进浆泵和P2.1排浆泵的流量差值来调节仓内波动，通过增加P1.1进浆泵和P2.1排浆泵的转速来实现流量调节。因地层原因，泥水盾构掘进时，环流系统携带舱内、管道内渣土所需的流量不同，P1.1进浆泵流量和P2.1排浆泵流量存在一定的偏差值，其流量调节的基准是调节P2.1排浆泵的转速，确保最低的排浆携渣流量（根据理论计算和实践证实相结合确定），此时根据液位变化，调节P1.1进浆泵流量，使仓内压力和液位保持在一个相对稳定值

3.4泥浆的压力控制

在进行盾构施工时，为确保泥水控制技术实施效果，应注意工程地质中土层的稳定。本案例中，采用的是精准度高、可行性较好的泥水气垫平衡式盾构，该方法是将一定浓度的泥浆，泵送入泥水盾构的泥水仓内，随着刀盘转动切下来的渣土流入泥水仓内，并平衡于开挖面的泥土压和水压，在开挖面上形成泥膜或泥水压形成的参透壁，从而对开挖面稳定挖掘，再通过对泥水环流系统对开挖面压力进行控制，强化施工效果。掘进施工前，想要出色完成掘进，需调精准控好开挖面压力，为有效促进掘进前进夯实基础。3.5泥浆比重的调整

从盾构机掘进来讲，正常掘进时泥浆的排浆比重，只能通过改变掘进速度来调整排浆的比重。根据地层不同排浆的比重亦不相同，本工程一般为1.2~1.35g/cm3之间，例如粉质粘土地层掘进时排浆比重很高时，就可以通过降低推进速度，来实现降低排浆比重。而进浆的粘度，只能由泥水处理厂来控制，进浆的粘度关系到盾构机泥水环流系统能否携渣的关键，故进浆粘度必须由泥水处理厂严格控制泥浆，一般进浆粘度控制是根据地层不同而做出不同调整，本工程为40s粘度的泥浆。 3.6 samson保压系统

本工程盾构机配备有两套独立的SAMSON公司产品气体保压系统，主备用各一套。并配置了三进三排气阀来保证能够及时供气和排气，以此来保证仓内压力稳定在设定值。还为该保压系统配备了4台空压机（其中两台90KW、两台200KW）。其原理为，当压力降低或升高，与设定值有偏差时，通过气仓内压力反馈，能自动调整进气阀或者排气阀开度，对气仓内进行补气或排气，使舱内压力逐渐升高或降低到预设值，直至与设定值平衡。

结语：通过本文研究分析可知，现阶段超大直径隧道工程中应用盾构法施工相比传统小直径泥水盾构环流系统控制技术更为复杂，所有泥水控制技术方法基本上是明确的。但因隧道施工条件和工程地质不同，所以在采用盾构法施工阶段，要充分评估施工环境，科学合理控制环流系统的各项参数，因地制宜灵活运用，确保公路隧道施工品质，发挥泥水盾构掘进的最大优势。4参考文献

［1］王永喜,柳值.大直径泥水盾构长距离软硬不均复合地层应对措施[J].企业科技与发展.2022,(4).026

［2］钱七虎,陈健.大直径盾构掘进风险分析及对特大直径盾构挑战的思考[J].隧道建设（中英文）.2021,(2).001