大直径泥水盾构针对长距离施工的优化

孙善辉，陈 馈，王助锋

(盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州 450003)

0 引言

随着我国科学技术的发展和综合国力的提高，盾构施工技术已经日趋成熟，特别是在城市中心区及江河湖海长大隧道(本文定义长大隧道为直径10 m级、掘进距离5 km以上的隧道)施工中多采用泥水盾构法施工，刀盘直径也一般在11～15.5m，而且有直径愈来愈大、掘进距离愈来愈长的发展趋势［1］。这表明我国已掀起长大盾构隧道的开发浪潮。

作为盾构施工核心设备，为了保证工程质量、安全和进度，必须确保盾构设备状态良好。但目前在国内外大直径泥水盾构长距离施工中，盾构总是出现诸多问题和故障。如:刀盘刀具不适应地层需要，刀具大批破坏掉落和刀盘磨损严重，而带压进仓进行刀具更换及压缩空气条件下动火焊接作业恢复刀盘安全风险较大，且工作效率较低，周期较长［2－3］;在进行主机破碎机的维修和进排浆管阀的更换、耐磨保护工作期间，通常需要将盾构气垫舱压力降为常压，同时需要保证盾构掌子面压力的平衡和稳定，而这类维修及更换工作往往需要数天甚至数周才能完成，所以如何保证在气垫舱常压条件下掌子面的稳定是关键［4］;盾构电控柜密封防护等级不足，发生泥浆管爆裂事件时，高压力泥浆冲进电控柜，破坏严重［5］;液压式刀具监测系统无法有效地投入使用等。为了解决这些问题，保证大直径泥水盾构长距离施工的质量和各设备的安全可控，通过北京某项目泥水盾构在施工过程中遇到的诸多问题，找出问题产生的原因，提出相应的优化措施，并验证了优化措施的可行性，得出了大直径泥水盾构长距离施工的经验，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

北京铁路某项目在首都城市中心区首次采用12 m级膨润土－气垫式泥水盾构独头掘进5.2 km，隧道主要穿越卵石、圆砾、中粗砂及黏土的交互地层。地质统计资料显示:最大粒径200 mm，一般粒径20～60 mm，大于0.08 mm的颗粒含量约占总量的97%，其中大于20 mm的粒径含量约占总量的65%［2］。隧道具有埋深大、掘进距离长、地质条件差、风险点多、沉降控制要求严格、地面注浆加固困难和带压进仓风险大等特点［3］。所以，此工程盾构施工无异于在首都心脏动手术，风险极大，同时又必须确保施工的安全可控。

2 优化改进措施

2.1 刀盘刀具改造

由于该隧道穿越的地层与原地质勘察资料变化较大，呈现为非常致密的卵石层，甚至板结层，切刀受频繁剧烈冲击和碰撞，螺栓出现大批疲劳断裂的现象，从而导致切刀大范围崩落，无法进行及时有效地更换(螺栓断裂在刀座内，无法有效取出)，最终导致刀盘磨损严重，盾构停机［3－4］。

优化措施:带压进舱在压缩空气条件下动火焊接对原切刀型式进行改造。即在原螺栓固定式切刀刀座上焊接新型轴销固定式切刀刀座，如图1所示，同时针对砂卵石磨损刀盘母体严重的现象，对刀盘进行全断面耐磨保护。

优化效果:优化改造后有了很大的改观，刀具掉落和刀盘磨损的现象明显减少，特别是带压进舱进行刀具更换时，原旧型切刀单舱仅能更换3～4把，而新型切刀单舱可以更换15～20把，大大节约了盾构停机的换刀时间，并降低了带压作业的施工风险和作业成本。

2.2 泥水循环系统优化

2.2.1 进浆系统优化

1)盾构在复杂砂卵石地层长距离掘进过程中，主机泥浆管路及阀经常会出现严重磨损和损坏的现象，必须进行耐磨处理和更换，而由于主机泥浆管前部直接与刀盘舱相通，承受着压力，同时更换检修过程中还必须保证掌子面压力的平衡［5－7］。目前一般采用的方法是利用带压进舱进入到刀盘舱，将事前准备好的锥形木塞封闭需要更换的管路，然后进行管路及阀门的检修更换。此种方法最大的风险是锥形木塞可能掉落，泥浆灌入隧道，掌子面失压坍塌，所以，为保证设备的安全和掌子面的稳定，应对其进行相应的优化。

优化措施:在靠近前盾的进浆管上(需要经常检修的球阀前部)和刀盘舱进浆口处分别新装一个阀门和折叠型封闭门，其功能是盾构正常掘进时处于常开状态，当需要检修更换闸阀和管路时，将其关闭。

优化效果:在更换管路和阀期间，可以有效地保护掌子面的稳定及人员设备的安全。

2)盾构在复杂砂卵石地层中长距离掘进，破碎机由于受到卵石的频繁冲击，故障率较高，同时主机排浆管及阀也磨损严重。处理这些问题通常需要在气垫舱常压状态下进行(特别是破碎机维修和中盾底部排浆口处的管路及阀的耐磨处理和更换)，同时需要保证掌子面的稳定，而盾构在设计制造时并没有考虑到气垫舱常压状态下如何保证掌子面稳定的问题，所以需要对其进行优化改造。

优化措施:在中盾上部左右进浆管各增装1个φ50 mm球阀，如图2所示，将同步注浆管路与该球阀连接起来，砂浆管中储存足量的备用浆液。当需要将气垫舱降为常压时，先将刀盘舱泥舱门完全关闭，将气垫舱逐渐降至常压，并焊接固定泥舱门，最后人员在常压状态下进入作业区工作。考虑到盾构主机各种管路、阀、仓门密封不严和掌子面压力衰减等因素，在气垫舱降低压力和常压期间，掌子面压力也会降低。这时利用同步注浆泵将砂浆罐中储存的浆液泵入刀盘舱，保证掌子面压力的稳定，确保施工安全。

优化效果:该项目多次将气垫舱降为常压，时间5～15 d，由于措施管控到位，及时根据掌子面压力衰减情况补充带有压力的浆液，气垫舱常压工作期间掌子面均安全可控，有效地保证了施工安全。

图2 新增球阀位置示意图Fig.2 Position of added ball valve

2.2.2 排浆系统优化

2.2.2.1 主机排浆口管路优化

盾构由于受到掘进距离长、断面大及地层复杂等因素影响，主机排浆管路磨损一般是最严重的，也是最难更换的，特别是中盾排浆口处的管路耐磨处理及更换，不仅耗时费工，而且安全风险较大。针对这种情况，建议在原有基础上新增1条排浆口管路，当其中1条管路磨损严重时，启用另1条管路，以减少停机时间和降低安全风险。但是考虑到中盾结构紧凑、空间狭小等因素的制约，建议15 m级以上大直径泥水盾构长距离掘进时进行此种优化方法。

2.2.2.2 其他排浆管优化

1)在盾构掘进过程中，排浆管弯头磨损优先和严重于平直管路，所以弯头除正常采用耐磨材质的管材外，还需要在铸造过程中对弯头部位进行加厚处理或者在投入使用前加焊耐磨钢板，如图3所示。

图3 耐磨弯头Fig.3 Anti-wearing elbow

2)在复杂砂卵石地层掘进过程中，隧洞内排浆管路的磨损也是十分严重的。该项目每掘进300 m左右，管路就磨透了，需要进行补焊或更换，所以需要提前考虑排浆管路的磨损问题。利用耐磨复合双层管代替原排浆管，即采用φ619 mm大管套φ355 mm小管，中间灌注含硅粉及玻璃纤维丝的C50耐磨混凝土。耐磨复合双层管如图4所示。

优化效果:经过上述优化措施，该项目由于排浆管磨透而造成盾构停机的概率大大降低了，特别是耐磨复合双层管的成功应用，耐磨性能提高了5～8倍，目前已经成功运用约1.5 km。

2.3 破碎机和泥舱门优化

由于破碎机和泥舱门所处的工作环境十分恶劣，在掘进过程中，液压油缸、管路及接头经常由于砂卵石的频繁冲击和碴土挤压而损坏。所以，必须采取必要的防护措施进行保护，减少故障停机。其优化措施是利用高质量的橡胶软管穿套保护液压管路，管路接头部位利用钢板及螺栓将其进行封闭保护。实践证明，经过优化改造后，破碎机和泥舱门的故障率大大降低了。

图4 耐磨复合双层管Fig.4 Anti-wearing double-shell pipes

2.4 电气系统优化保护

在盾构机电控区域，进排浆管路也存在管路磨穿及爆管危险，高压力泥水冲破电控柜的密封保护而进入柜内，造成极大危险;所以，需要对其进行封闭保护，同时利用便携式超声波测厚仪定期测量该区域的管路壁厚，对不合格的、达到磨损标准的管路及时进行更换，如图5所示。经过上述优化改进措施，施工中有效地保证了电控区域的电气安全，值得借鉴和推广。

2.5 监控检测系统优化

在复杂砂卵石地层中施工，及时掌握刀盘刀具的磨损状态是至关重要的。目前国内外盾构检测刀盘刀具磨损的方法基本上都采用液压方式，即刀具磨损达到额定标准，检测刀的液压力消失，从而说明刀具磨损已经达到设计要求。但由于此液压油管路是通过刀盘旋转中心连接到检测刀上的，受到刀盘频繁旋转和旋转中心密封等因素影响而经常损坏，更换维修十分困难，无法较好地投入使用;特别是在长大盾构高水压条件下施工，无法较好地达到预期效果。所以，需要一种新型检测刀来解决此问题。下面介绍3种检测方法，但仅限于概念理论方面。

2.5.1 蓝牙刀具检测装置

该装置是采用超声波测厚仪对检测刀的合金头厚度进行测量，然后通过蓝牙无线传送信号方式将数据传至盾构机内，由电脑读取。优点是不受管线限制，可以检测磨损最严重的周边刀具。缺点是由于受到刀盘的频繁振动冲击和检测装置密封不严，导致检测数据不准或装置损坏，且蓝牙信号无法在水中传播，数据读取必须在盾构停止后进行，并将安装有检测装置的辐条停在上方，同时降低液位，保证蓝牙信号传输端露出，随后才能读取数据。

2.5.2 医学示踪技术

示踪就是指示跟踪，是指以放射性元素或者化合物作为示踪剂，应用射线探测仪器检测示踪剂的行踪，研究被标记物在生物体系或者外界环境中的分布状态或变化规律的技术。其特点主要有代表性和可测性，利用高灵敏度的仪器能够准确定量、定位和定性探测。所以从原理上讲，此种技术同样可以用于泥水盾构施工的刀具检测。即在检测刀中注入一定容积的放射性同位素并封闭，在排浆管路上安装相应的探测仪器，当刀具磨损达到标准后，放射性元素进入刀盘舱内，当仪器探测到该放射性元素时，说明刀具已经达到磨损极限，需要进行更换。此种技术的优点在于无需像液压检测刀那样从刀盘旋转中心连接液压管路到检测刀上，同时也避免了蓝牙检测刀信号传输困难、测量不准的问题，同时此种技术也可以用于检测刀盘外圈。

2.5.3 内窥镜技术

内窥镜是一种光学仪器，通过视频摄像头电子显示的方式检测肉眼无法直接观测的地方，可对被检测对象的内部缺陷进行视觉定性检查和定量测量等检测工作。此种技术同样可以用于盾构刀盘的检查，即需要检查时，先将刀盘舱内液位降低到要求后，将盾构上自备的摄影头(具有伸缩及转向功能)伸出至刀盘区域(正常情况下，摄影头封闭在盾构机结构内，需要时伸出)，观察、拍摄、录像刀盘刀具磨损状况及观察掌子面地层状况。

2.6 设备管理及配置优化

1)环境保护。该项目施工中，由于黏土含量较高，造成进浆比重居高不下，高比重泥浆无法有效携带碴土，同时造成循环系统负荷加重、泥水分离困难及设备故障频发，经常导致不得已停机，同时产生大量废弃泥浆［8］，所以必须采取措施进行优化。经过充分论证，最后确定以压滤及离心分离为主、絮凝沉淀为辅的优化方案，有效地降低了泥浆比重，掘进效率得到了明显提高，达到了零排放、零污染的目的。

2)带压进仓优化设计。针对大直径泥水盾构高水压条件下长距离施工，不可避免地要进行带压进舱检修和维护刀盘刀具，所以需要充分考虑检修及维护的方便快捷、节约人力、工期及成本等方面的问题。即考虑盾构主机双人舱设计，盾构拖车高压居住舱、中转舱及医疗舱配置设计，刀盘舱刀具轻便拆装设施及吊具的设计等，以达到施工安全和节约工期的目的。

3 结论与讨论

通过对北京某项目12 m级泥水盾构在施工过程中出现的问题进行深入探讨，找出了问题产生的原因，提出了优化措施，并验证了优化措施的可行性，得出了大直径泥水盾构长距离施工的经验，可为类似工程提供借鉴。但作为盾构法施工的核心设备，盾构的设计、制造及辅助设施配置的合理化是重中之重，还有许多问题、难题需要解决，值得我们今后深入研究。

21世纪是我国长大隧道、地下空间大力开发利用的时代，目前国内长大泥水盾构工程愈来愈多，不断地进行更高层次的挑战，相信在不远的将来，琼州海峡、台湾海峡、渤海海峡等大通道隧道建设也会应运而生，而泥水盾构法作为其首选方案，无疑将被优先考虑和采用。对于大直径泥水盾构长距离施工而言，盾构选型、设计联络及优化设计至关重要，需要进行认真研究和反复论证，确保设备性能良好、功能完备，从而保证施工的质量和安全。

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