大直徑泥水盾構(gòu)針對長距離施工的優(yōu)化

孫善輝，陳 饋，王助鋒

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450003)

0 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和綜合國力的提高，盾構(gòu)施工技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，特別是在城市中心區(qū)及江河湖海長大隧道(本文定義長大隧道為直徑10 m級、掘進(jìn)距離5 km以上的隧道)施工中多采用泥水盾構(gòu)法施工，刀盤直徑也一般在11～15.5m，而且有直徑愈來愈大、掘進(jìn)距離愈來愈長的發(fā)展趨勢［1］。這表明我國已掀起長大盾構(gòu)隧道的開發(fā)浪潮。

作為盾構(gòu)施工核心設(shè)備，為了保證工程質(zhì)量、安全和進(jìn)度，必須確保盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)良好。但目前在國內(nèi)外大直徑泥水盾構(gòu)長距離施工中，盾構(gòu)總是出現(xiàn)諸多問題和故障。如:刀盤刀具不適應(yīng)地層需要，刀具大批破壞掉落和刀盤磨損嚴(yán)重，而帶壓進(jìn)倉進(jìn)行刀具更換及壓縮空氣條件下動火焊接作業(yè)恢復(fù)刀盤安全風(fēng)險較大，且工作效率較低，周期較長［2－3］;在進(jìn)行主機(jī)破碎機(jī)的維修和進(jìn)排漿管閥的更換、耐磨保護(hù)工作期間，通常需要將盾構(gòu)氣墊艙壓力降為常壓，同時需要保證盾構(gòu)掌子面壓力的平衡和穩(wěn)定，而這類維修及更換工作往往需要數(shù)天甚至數(shù)周才能完成，所以如何保證在氣墊艙常壓條件下掌子面的穩(wěn)定是關(guān)鍵［4］;盾構(gòu)電控柜密封防護(hù)等級不足，發(fā)生泥漿管爆裂事件時，高壓力泥漿沖進(jìn)電控柜，破壞嚴(yán)重［5］;液壓式刀具監(jiān)測系統(tǒng)無法有效地投入使用等。為了解決這些問題，保證大直徑泥水盾構(gòu)長距離施工的質(zhì)量和各設(shè)備的安全可控，通過北京某項目泥水盾構(gòu)在施工過程中遇到的諸多問題，找出問題產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，并驗證了優(yōu)化措施的可行性，得出了大直徑泥水盾構(gòu)長距離施工的經(jīng)驗，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

北京鐵路某項目在首都城市中心區(qū)首次采用12 m級膨潤土－氣墊式泥水盾構(gòu)獨頭掘進(jìn)5.2 km，隧道主要穿越卵石、圓礫、中粗砂及黏土的交互地層。地質(zhì)統(tǒng)計資料顯示:最大粒徑200 mm，一般粒徑20～60 mm，大于0.08 mm的顆粒含量約占總量的97%，其中大于20 mm的粒徑含量約占總量的65%［2］。隧道具有埋深大、掘進(jìn)距離長、地質(zhì)條件差、風(fēng)險點多、沉降控制要求嚴(yán)格、地面注漿加固困難和帶壓進(jìn)倉風(fēng)險大等特點［3］。所以，此工程盾構(gòu)施工無異于在首都心臟動手術(shù)，風(fēng)險極大，同時又必須確保施工的安全可控。

2 優(yōu)化改進(jìn)措施

2.1 刀盤刀具改造

由于該隧道穿越的地層與原地質(zhì)勘察資料變化較大，呈現(xiàn)為非常致密的卵石層，甚至板結(jié)層，切刀受頻繁劇烈沖擊和碰撞，螺栓出現(xiàn)大批疲勞斷裂的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致切刀大范圍崩落，無法進(jìn)行及時有效地更換(螺栓斷裂在刀座內(nèi)，無法有效取出)，最終導(dǎo)致刀盤磨損嚴(yán)重，盾構(gòu)停機(jī)［3－4］。

優(yōu)化措施:帶壓進(jìn)艙在壓縮空氣條件下動火焊接對原切刀型式進(jìn)行改造。即在原螺栓固定式切刀刀座上焊接新型軸銷固定式切刀刀座，如圖1所示，同時針對砂卵石磨損刀盤母體嚴(yán)重的現(xiàn)象，對刀盤進(jìn)行全斷面耐磨保護(hù)。

優(yōu)化效果:優(yōu)化改造后有了很大的改觀，刀具掉落和刀盤磨損的現(xiàn)象明顯減少，特別是帶壓進(jìn)艙進(jìn)行刀具更換時，原舊型切刀單艙僅能更換3～4把，而新型切刀單艙可以更換15～20把，大大節(jié)約了盾構(gòu)停機(jī)的換刀時間，并降低了帶壓作業(yè)的施工風(fēng)險和作業(yè)成本。

2.2 泥水循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.1 進(jìn)漿系統(tǒng)優(yōu)化

1)盾構(gòu)在復(fù)雜砂卵石地層長距離掘進(jìn)過程中，主機(jī)泥漿管路及閥經(jīng)常會出現(xiàn)嚴(yán)重磨損和損壞的現(xiàn)象，必須進(jìn)行耐磨處理和更換，而由于主機(jī)泥漿管前部直接與刀盤艙相通，承受著壓力，同時更換檢修過程中還必須保證掌子面壓力的平衡［5－7］。目前一般采用的方法是利用帶壓進(jìn)艙進(jìn)入到刀盤艙，將事前準(zhǔn)備好的錐形木塞封閉需要更換的管路，然后進(jìn)行管路及閥門的檢修更換。此種方法最大的風(fēng)險是錐形木塞可能掉落，泥漿灌入隧道，掌子面失壓坍塌，所以，為保證設(shè)備的安全和掌子面的穩(wěn)定，應(yīng)對其進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

優(yōu)化措施:在靠近前盾的進(jìn)漿管上(需要經(jīng)常檢修的球閥前部)和刀盤艙進(jìn)漿口處分別新裝一個閥門和折疊型封閉門，其功能是盾構(gòu)正常掘進(jìn)時處于常開狀態(tài)，當(dāng)需要檢修更換閘閥和管路時，將其關(guān)閉。

優(yōu)化效果:在更換管路和閥期間，可以有效地保護(hù)掌子面的穩(wěn)定及人員設(shè)備的安全。

2)盾構(gòu)在復(fù)雜砂卵石地層中長距離掘進(jìn)，破碎機(jī)由于受到卵石的頻繁沖擊，故障率較高，同時主機(jī)排漿管及閥也磨損嚴(yán)重。處理這些問題通常需要在氣墊艙常壓狀態(tài)下進(jìn)行(特別是破碎機(jī)維修和中盾底部排漿口處的管路及閥的耐磨處理和更換)，同時需要保證掌子面的穩(wěn)定，而盾構(gòu)在設(shè)計制造時并沒有考慮到氣墊艙常壓狀態(tài)下如何保證掌子面穩(wěn)定的問題，所以需要對其進(jìn)行優(yōu)化改造。

優(yōu)化措施:在中盾上部左右進(jìn)漿管各增裝1個φ50 mm球閥，如圖2所示，將同步注漿管路與該球閥連接起來，砂漿管中儲存足量的備用漿液。當(dāng)需要將氣墊艙降為常壓時，先將刀盤艙泥艙門完全關(guān)閉，將氣墊艙逐漸降至常壓，并焊接固定泥艙門，最后人員在常壓狀態(tài)下進(jìn)入作業(yè)區(qū)工作。考慮到盾構(gòu)主機(jī)各種管路、閥、倉門密封不嚴(yán)和掌子面壓力衰減等因素，在氣墊艙降低壓力和常壓期間，掌子面壓力也會降低。這時利用同步注漿泵將砂漿罐中儲存的漿液泵入刀盤艙，保證掌子面壓力的穩(wěn)定，確保施工安全。

優(yōu)化效果:該項目多次將氣墊艙降為常壓，時間5～15 d，由于措施管控到位，及時根據(jù)掌子面壓力衰減情況補(bǔ)充帶有壓力的漿液，氣墊艙常壓工作期間掌子面均安全可控，有效地保證了施工安全。

圖2 新增球閥位置示意圖Fig.2 Position of added ball valve

2.2.2 排漿系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.2.1 主機(jī)排漿口管路優(yōu)化

盾構(gòu)由于受到掘進(jìn)距離長、斷面大及地層復(fù)雜等因素影響，主機(jī)排漿管路磨損一般是最嚴(yán)重的，也是最難更換的，特別是中盾排漿口處的管路耐磨處理及更換，不僅耗時費工，而且安全風(fēng)險較大。針對這種情況，建議在原有基礎(chǔ)上新增1條排漿口管路，當(dāng)其中1條管路磨損嚴(yán)重時，啟用另1條管路，以減少停機(jī)時間和降低安全風(fēng)險。但是考慮到中盾結(jié)構(gòu)緊湊、空間狹小等因素的制約，建議15 m級以上大直徑泥水盾構(gòu)長距離掘進(jìn)時進(jìn)行此種優(yōu)化方法。

2.2.2.2 其他排漿管優(yōu)化

1)在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，排漿管彎頭磨損優(yōu)先和嚴(yán)重于平直管路，所以彎頭除正常采用耐磨材質(zhì)的管材外，還需要在鑄造過程中對彎頭部位進(jìn)行加厚處理或者在投入使用前加焊耐磨鋼板，如圖3所示。

圖3 耐磨彎頭Fig.3 Anti-wearing elbow

2)在復(fù)雜砂卵石地層掘進(jìn)過程中，隧洞內(nèi)排漿管路的磨損也是十分嚴(yán)重的。該項目每掘進(jìn)300 m左右，管路就磨透了，需要進(jìn)行補(bǔ)焊或更換，所以需要提前考慮排漿管路的磨損問題。利用耐磨復(fù)合雙層管代替原排漿管，即采用φ619 mm大管套φ355 mm小管，中間灌注含硅粉及玻璃纖維絲的C50耐磨混凝土。耐磨復(fù)合雙層管如圖4所示。

優(yōu)化效果:經(jīng)過上述優(yōu)化措施，該項目由于排漿管磨透而造成盾構(gòu)停機(jī)的概率大大降低了，特別是耐磨復(fù)合雙層管的成功應(yīng)用，耐磨性能提高了5～8倍，目前已經(jīng)成功運用約1.5 km。

2.3 破碎機(jī)和泥艙門優(yōu)化

由于破碎機(jī)和泥艙門所處的工作環(huán)境十分惡劣，在掘進(jìn)過程中，液壓油缸、管路及接頭經(jīng)常由于砂卵石的頻繁沖擊和碴土擠壓而損壞。所以，必須采取必要的防護(hù)措施進(jìn)行保護(hù)，減少故障停機(jī)。其優(yōu)化措施是利用高質(zhì)量的橡膠軟管穿套保護(hù)液壓管路，管路接頭部位利用鋼板及螺栓將其進(jìn)行封閉保護(hù)。實踐證明，經(jīng)過優(yōu)化改造后，破碎機(jī)和泥艙門的故障率大大降低了。

圖4 耐磨復(fù)合雙層管Fig.4 Anti-wearing double-shell pipes

2.4 電氣系統(tǒng)優(yōu)化保護(hù)

在盾構(gòu)機(jī)電控區(qū)域，進(jìn)排漿管路也存在管路磨穿及爆管危險，高壓力泥水沖破電控柜的密封保護(hù)而進(jìn)入柜內(nèi)，造成極大危險;所以，需要對其進(jìn)行封閉保護(hù)，同時利用便攜式超聲波測厚儀定期測量該區(qū)域的管路壁厚，對不合格的、達(dá)到磨損標(biāo)準(zhǔn)的管路及時進(jìn)行更換，如圖5所示。經(jīng)過上述優(yōu)化改進(jìn)措施，施工中有效地保證了電控區(qū)域的電氣安全，值得借鑒和推廣。

2.5 監(jiān)控檢測系統(tǒng)優(yōu)化

在復(fù)雜砂卵石地層中施工，及時掌握刀盤刀具的磨損狀態(tài)是至關(guān)重要的。目前國內(nèi)外盾構(gòu)檢測刀盤刀具磨損的方法基本上都采用液壓方式，即刀具磨損達(dá)到額定標(biāo)準(zhǔn)，檢測刀的液壓力消失，從而說明刀具磨損已經(jīng)達(dá)到設(shè)計要求。但由于此液壓油管路是通過刀盤旋轉(zhuǎn)中心連接到檢測刀上的，受到刀盤頻繁旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)中心密封等因素影響而經(jīng)常損壞，更換維修十分困難，無法較好地投入使用;特別是在長大盾構(gòu)高水壓條件下施工，無法較好地達(dá)到預(yù)期效果。所以，需要一種新型檢測刀來解決此問題。下面介紹3種檢測方法，但僅限于概念理論方面。

2.5.1 藍(lán)牙刀具檢測裝置

該裝置是采用超聲波測厚儀對檢測刀的合金頭厚度進(jìn)行測量，然后通過藍(lán)牙無線傳送信號方式將數(shù)據(jù)傳至盾構(gòu)機(jī)內(nèi)，由電腦讀取。優(yōu)點是不受管線限制，可以檢測磨損最嚴(yán)重的周邊刀具。缺點是由于受到刀盤的頻繁振動沖擊和檢測裝置密封不嚴(yán)，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)或裝置損壞，且藍(lán)牙信號無法在水中傳播，數(shù)據(jù)讀取必須在盾構(gòu)停止后進(jìn)行，并將安裝有檢測裝置的輻條停在上方，同時降低液位，保證藍(lán)牙信號傳輸端露出，隨后才能讀取數(shù)據(jù)。

2.5.2 醫(yī)學(xué)示蹤技術(shù)

示蹤就是指示跟蹤，是指以放射性元素或者化合物作為示蹤劑，應(yīng)用射線探測儀器檢測示蹤劑的行蹤，研究被標(biāo)記物在生物體系或者外界環(huán)境中的分布狀態(tài)或變化規(guī)律的技術(shù)。其特點主要有代表性和可測性，利用高靈敏度的儀器能夠準(zhǔn)確定量、定位和定性探測。所以從原理上講，此種技術(shù)同樣可以用于泥水盾構(gòu)施工的刀具檢測。即在檢測刀中注入一定容積的放射性同位素并封閉，在排漿管路上安裝相應(yīng)的探測儀器，當(dāng)?shù)毒吣p達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，放射性元素進(jìn)入刀盤艙內(nèi)，當(dāng)儀器探測到該放射性元素時，說明刀具已經(jīng)達(dá)到磨損極限，需要進(jìn)行更換。此種技術(shù)的優(yōu)點在于無需像液壓檢測刀那樣從刀盤旋轉(zhuǎn)中心連接液壓管路到檢測刀上，同時也避免了藍(lán)牙檢測刀信號傳輸困難、測量不準(zhǔn)的問題，同時此種技術(shù)也可以用于檢測刀盤外圈。

2.5.3 內(nèi)窺鏡技術(shù)

內(nèi)窺鏡是一種光學(xué)儀器，通過視頻攝像頭電子顯示的方式檢測肉眼無法直接觀測的地方，可對被檢測對象的內(nèi)部缺陷進(jìn)行視覺定性檢查和定量測量等檢測工作。此種技術(shù)同樣可以用于盾構(gòu)刀盤的檢查，即需要檢查時，先將刀盤艙內(nèi)液位降低到要求后，將盾構(gòu)上自備的攝影頭(具有伸縮及轉(zhuǎn)向功能)伸出至刀盤區(qū)域(正常情況下，攝影頭封閉在盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)，需要時伸出)，觀察、拍攝、錄像刀盤刀具磨損狀況及觀察掌子面地層狀況。

2.6 設(shè)備管理及配置優(yōu)化

1)環(huán)境保護(hù)。該項目施工中，由于黏土含量較高，造成進(jìn)漿比重居高不下，高比重泥漿無法有效攜帶碴土，同時造成循環(huán)系統(tǒng)負(fù)荷加重、泥水分離困難及設(shè)備故障頻發(fā)，經(jīng)常導(dǎo)致不得已停機(jī)，同時產(chǎn)生大量廢棄泥漿［8］，所以必須采取措施進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過充分論證，最后確定以壓濾及離心分離為主、絮凝沉淀為輔的優(yōu)化方案，有效地降低了泥漿比重，掘進(jìn)效率得到了明顯提高，達(dá)到了零排放、零污染的目的。

2)帶壓進(jìn)倉優(yōu)化設(shè)計。針對大直徑泥水盾構(gòu)高水壓條件下長距離施工，不可避免地要進(jìn)行帶壓進(jìn)艙檢修和維護(hù)刀盤刀具，所以需要充分考慮檢修及維護(hù)的方便快捷、節(jié)約人力、工期及成本等方面的問題。即考慮盾構(gòu)主機(jī)雙人艙設(shè)計，盾構(gòu)拖車高壓居住艙、中轉(zhuǎn)艙及醫(yī)療艙配置設(shè)計，刀盤艙刀具輕便拆裝設(shè)施及吊具的設(shè)計等，以達(dá)到施工安全和節(jié)約工期的目的。

3 結(jié)論與討論

通過對北京某項目12 m級泥水盾構(gòu)在施工過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入探討，找出了問題產(chǎn)生的原因，提出了優(yōu)化措施，并驗證了優(yōu)化措施的可行性，得出了大直徑泥水盾構(gòu)長距離施工的經(jīng)驗，可為類似工程提供借鑒。但作為盾構(gòu)法施工的核心設(shè)備，盾構(gòu)的設(shè)計、制造及輔助設(shè)施配置的合理化是重中之重，還有許多問題、難題需要解決，值得我們今后深入研究。

21世紀(jì)是我國長大隧道、地下空間大力開發(fā)利用的時代，目前國內(nèi)長大泥水盾構(gòu)工程愈來愈多，不斷地進(jìn)行更高層次的挑戰(zhàn)，相信在不遠(yuǎn)的將來，瓊州海峽、臺灣海峽、渤海海峽等大通道隧道建設(shè)也會應(yīng)運而生，而泥水盾構(gòu)法作為其首選方案，無疑將被優(yōu)先考慮和采用。對于大直徑泥水盾構(gòu)長距離施工而言，盾構(gòu)選型、設(shè)計聯(lián)絡(luò)及優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要，需要進(jìn)行認(rèn)真研究和反復(fù)論證，確保設(shè)備性能良好、功能完備，從而保證施工的質(zhì)量和安全。

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