大直徑泥水氣平衡盾構(gòu)機(jī)的泥水環(huán)流處理應(yīng)用分析

薛黃煒

（上海隧道工程機(jī)械制造分公司，上海 2002137）

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)是通過(guò)一定壓力的泥漿來(lái)支撐穩(wěn)定開(kāi)挖面，通過(guò)泥水壓力與開(kāi)挖面的水土壓力形成平衡，與其他類型的盾構(gòu)機(jī)相比，有施工安全可靠、效率高、質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。泥水平衡盾構(gòu)的主要系統(tǒng)是泥水環(huán)流。

1 泥水盾構(gòu)的分類

泥水平衡盾構(gòu)主要分為全斷面泥水平衡盾構(gòu)和泥水氣平衡盾構(gòu)。全斷面泥水盾構(gòu)和泥水氣平衡盾構(gòu)在結(jié)構(gòu)上的差異：全斷面泥水平衡盾構(gòu)機(jī)隔板與開(kāi)挖面只有一個(gè)單腔，為泥水倉(cāng)；而泥水氣平衡盾構(gòu)機(jī)隔板與開(kāi)挖面有兩個(gè)腔，靠隔板一側(cè)的稱為氣墊倉(cāng)，則靠開(kāi)挖面一側(cè)的稱為泥水倉(cāng)，兩個(gè)倉(cāng)的底部則是通過(guò)前閘門(mén)連通。

全斷面泥水盾構(gòu)和泥水氣平衡盾構(gòu)在控制方式上的差異：全斷面泥水倉(cāng)內(nèi)充滿泥漿，調(diào)節(jié)進(jìn)泥和排泥流量來(lái)控制泥水倉(cāng)內(nèi)泥漿壓力，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)泥泵和排泥泵的轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量，實(shí)現(xiàn)控制壓力；泥水氣平衡盾構(gòu)的氣墊倉(cāng)上部是空氣，下部是泥漿并通過(guò)前閘門(mén)與泥水倉(cāng)連接，通過(guò)調(diào)節(jié)氣墊艙壓力進(jìn)而控制泥水倉(cāng)壓力。

2 泥水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

泥水平衡盾構(gòu)在支撐環(huán)前的泥水倉(cāng)內(nèi)，注入一定壓力的新漿后，會(huì)使其在開(kāi)挖面上形成一層泥膜，支撐正面的土體。再由盾構(gòu)前部的刀盤(pán)切削下來(lái)的土體表與工作泥漿混合，形成高密度泥漿，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的排泥管路與排泥泵輸送至地面泥水場(chǎng)地進(jìn)行處理。這種高密度泥漿進(jìn)入地面泥水處理系統(tǒng)后，根據(jù)不同土體顆粒直徑，經(jīng)泥水分離設(shè)備的分離，分別形成土砂和泥水，再經(jīng)過(guò)沉淀池沉淀后，將大顆粒的土砂排棄，回收含有微小顆粒的泥水，然后，將處理后泥水重新進(jìn)入調(diào)整池并按施工要求加入新漿進(jìn)行調(diào)整，再輸送回盾構(gòu)工作面，實(shí)現(xiàn)泥水循環(huán)。

上海隧道市域鐵路ST14050盾構(gòu)機(jī)D234泥水氣平衡盾構(gòu)在施工過(guò)程中，泥漿和空氣充滿泥水倉(cāng)和氣墊倉(cāng)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣墊倉(cāng)上部壓力，在頂部充滿壓力，形成空氣緩沖層，就可以調(diào)整開(kāi)挖面的支撐壓力，使泥水壓力波動(dòng)變小，支撐壓力更加穩(wěn)定，對(duì)地表控制更為有利。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)時(shí)，操作人員控制送泥泵和排泥泵轉(zhuǎn)速，使送泥流量與排泥流量基本相同，維持開(kāi)挖面壓力與地層的動(dòng)態(tài)平衡。

市域盾構(gòu)設(shè)有的氣墊倉(cāng)采用Samson氣平衡控制系統(tǒng)，我們可在控制室內(nèi)直觀看到氣墊倉(cāng)的實(shí)際壓力值與Samson給定壓力值，而在氣墊倉(cāng)加氣過(guò)程的氣體流量則是通過(guò)兩臺(tái)高精度氣體流量計(jì)檢測(cè)并反饋至控制室。當(dāng)排泥流量大于送泥流量（流量差處于正常狀態(tài)）時(shí)，泥水倉(cāng)液位下降，Samson系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)壓力，使壓力值達(dá)到設(shè)定值；相反，當(dāng)排泥流量小于送泥流量時(shí)，泥水倉(cāng)液位上升，Samson自動(dòng)泄壓排氣。在推進(jìn)施工中，我們不僅對(duì)送排泥的流量差進(jìn)行保護(hù)，同樣，也對(duì)氣墊倉(cāng)與泥水倉(cāng)壓力差進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)兩倉(cāng)的壓差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，泥水系統(tǒng)也會(huì)從推進(jìn)狀態(tài)切回旁路，與流量保護(hù)形成泥水系統(tǒng)的雙重保護(hù)。

3 泥水環(huán)流系統(tǒng)的組成

上海隧道市域鐵路ST14050盾構(gòu)機(jī)D234泥水氣平衡盾構(gòu)配備的泥水系統(tǒng)主要由泥水倉(cāng)、氣墊倉(cāng)、膨潤(rùn)土罐、中心沖洗泵、排泥泵、送泥泵、排泥管、送泥管、接力泵、泥水分離設(shè)備、調(diào)整池、沉淀池等幾部分組成。

送泥泵是將泥漿從地面的泥水處理站運(yùn)送至泥水倉(cāng)的設(shè)備；排泥泵則是將泥漿從泥水倉(cāng)抽出運(yùn)送至泥水處理站的設(shè)備。D234盾構(gòu)機(jī)采用功率為1100kW的送泥、排泥水冷變頻電機(jī)，配套流量為2400m3/h、比重1.4、最大設(shè)計(jì)壓力1.15MPa、最大允許轉(zhuǎn)速700rpm、設(shè)計(jì)通過(guò)粒徑240mm的單級(jí)端吸臥式離心泵，高功率大揚(yáng)程使盾構(gòu)機(jī)能夠滿足大流量泥水循環(huán)。

中心沖洗泵又名P0.1泵，則是一臺(tái)功率為250kW的風(fēng)冷變頻電機(jī)，配套流量為700m3、比重1.2、最大允許轉(zhuǎn)速1400rpm，設(shè)計(jì)通過(guò)粒徑520mm的單級(jí)端吸臥式離心泵。D234在掘進(jìn)時(shí)可以通過(guò)P0.1泵經(jīng)在刀盤(pán)上安裝12個(gè)氣動(dòng)沖洗球閥對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行沖洗，降低刀盤(pán)扭矩。

膨潤(rùn)土罐內(nèi)加注膨潤(rùn)土，在停機(jī)時(shí)穩(wěn)定開(kāi)挖面壓力時(shí)使用。泥水分離裝置可以將排出的泥漿分離不同直徑的土體顆粒，再經(jīng)沉淀池靜置，清出淤泥后的泥水經(jīng)調(diào)整池后調(diào)配出的新漿送入設(shè)備泥水倉(cāng)。

4 環(huán)流系統(tǒng)

4.1 環(huán)流流速

4.2 環(huán)流系統(tǒng)的工作模式

上海隧道市域鐵路ST14050盾構(gòu)機(jī)D234泥水氣平衡盾的泥水環(huán)流模式主要分為旁路模式、掘進(jìn)模式、逆洗模式、外循環(huán)模式、機(jī)內(nèi)小循環(huán)模式和停機(jī)模式。這幾種模式通過(guò)盾構(gòu)操作觸摸屏選擇模式配合開(kāi)閉相應(yīng)的管路閥門(mén)和泵送裝置。

（1）旁路模式。旁路模式是盾構(gòu)的待機(jī)模式，盾構(gòu)不開(kāi)挖，也用于盾構(gòu)模式切換的過(guò)渡。盾構(gòu)待機(jī)模式，是其余工作模式切換前的準(zhǔn)備狀態(tài)，保證循環(huán)系統(tǒng)中流量的穩(wěn)定，也用于拼裝管片或短時(shí)間停機(jī)時(shí)使用，防止排泥管渣土沉淀堵塞。

（2）掘進(jìn)模式。掘進(jìn)模式，用于盾構(gòu)推進(jìn)開(kāi)挖時(shí)使用，泥漿可通過(guò)氣墊艙進(jìn)入泥水艙。在正常推進(jìn)狀態(tài)下，新漿液通過(guò)送泥泵由地面輸送進(jìn)泥水倉(cāng)，以確保與開(kāi)挖倉(cāng)中刀盤(pán)切削下來(lái)的渣土混合，再通過(guò)排泥泵漿開(kāi)倉(cāng)內(nèi)的混合泥漿輸送到地面的泥水分離設(shè)備。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)所使用的模式，不可在停機(jī)情況下直接切換，其切換順序?yàn)椋和C(jī)→旁路模式→掘進(jìn)模式→盾構(gòu)推進(jìn)→旁路模式→停機(jī)。

（3）逆洗模式。逆洗模式，用于反沖被阻塞的格柵或者排泥管，此時(shí)，需注意保持氣墊艙壓力與液位穩(wěn)定。在施工中這個(gè)模式不常用，當(dāng)發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖倉(cāng)底部沉淀的渣土堆積較多或者排泥管管路堵塞時(shí)，可通過(guò)使用逆洗模式進(jìn)行排漿和疏通。操作人員可以在觸摸屏上選擇逆洗模式，而逆洗管路則是將排泥管轉(zhuǎn)變?yōu)樗湍喙?，新漿通過(guò)送泥泵輸送至旁通閥再進(jìn)入排泥管，對(duì)開(kāi)挖倉(cāng)底部或者排泥管進(jìn)行沖刷，隨著開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)新漿的增加，通過(guò)逆洗閥所在的排泥管路，經(jīng)排泥泵輸出至地面泥水分離設(shè)備。

常用于推進(jìn)過(guò)程中或者長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后當(dāng)排泥口或格柵堵塞后使用，但不可直接切換，其切換順序?yàn)椋壕蜻M(jìn)模式（停機(jī)）→旁路模式→逆洗模式→旁路模式→掘進(jìn)模式。

（4）外循環(huán)模式。外循環(huán)模式，泥漿只在地面系統(tǒng)循環(huán)，主要用于泥漿管路延伸時(shí)使用。市域盾構(gòu)中，此模式只在盾構(gòu)始發(fā)前使用。

（5）機(jī)內(nèi)小循環(huán)模式。機(jī)內(nèi)小循環(huán)模式，泥漿由氣墊倉(cāng)抽出，通過(guò)中心沖洗泵打入刀盤(pán)，進(jìn)行刀盤(pán)沖洗。

由氣墊倉(cāng)抽泥水通過(guò)中心沖洗泵加壓，送入刀盤(pán)正面，當(dāng)主機(jī)主送泥管有泥水輸送時(shí)，機(jī)內(nèi)小循環(huán)起提高刀盤(pán)中心沖洗水流量作用，當(dāng)主機(jī)主送泥管沒(méi)有泥水輸送時(shí)，機(jī)內(nèi)小循環(huán)可以使泥水在機(jī)內(nèi)循環(huán)，沖洗刀盤(pán)，防止結(jié)泥。

（6）停機(jī)模式。停機(jī)模式，在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)的情況下，泥水倉(cāng)內(nèi)可能發(fā)生泥漿的流失，為保持掌子面的壓力，需要對(duì)泥水倉(cāng)泥漿液位進(jìn)行控制，可通過(guò)膨潤(rùn)土罐進(jìn)行補(bǔ)液，在盾構(gòu)管路延伸時(shí)防止氣墊倉(cāng)液位流失，及時(shí)穩(wěn)定氣墊艙液位。此模式只在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)泥水平衡盾構(gòu)的泥水環(huán)流系統(tǒng)功能使用做介紹和設(shè)計(jì)，對(duì)全斷面泥水盾構(gòu)和泥水氣平衡盾構(gòu)做比較，而詳細(xì)介紹的泥水氣平衡盾構(gòu)在施工中的關(guān)鍵是控制環(huán)流系統(tǒng)和在開(kāi)挖面的泥漿壓力和氣壓保持平衡。考慮工程所遇到的問(wèn)題并提出相應(yīng)的解決方法，同時(shí)在市域鐵路盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)中注入多元化的自動(dòng)控制泥水系統(tǒng)，但實(shí)際工況與理論工況仍存在較大的差別，必須結(jié)合地質(zhì)環(huán)境等因素對(duì)泥水泵的控制方式確保足夠的安全，并結(jié)合工程施工的經(jīng)驗(yàn)，才能保證泥水系統(tǒng)在隧道掘進(jìn)施工中穩(wěn)定高效地運(yùn)行，同時(shí)在施工中，操作人員對(duì)多種模式和送排泥流量的熟練控制是保證順利施工必不可少的一步。