分析泥水平衡盾構(gòu)穿越軟弱地層快速掘進(jìn)技術(shù)

林震

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.024

摘 要：該文對(duì)穿越軟弱底層的泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)速度的因素進(jìn)行了分析，通過對(duì)泥漿性能和黏土段掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整，泥漿攜渣能力改善了，黏土段的掘進(jìn)速度得到提高，提出了技術(shù)措施來改善壓力波動(dòng)和出渣。通過對(duì)掘進(jìn)速度、扭矩及推力等運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，順利通過沙礫層。調(diào)整泥水循環(huán)和泥漿比重，避免發(fā)生堵泵、堵倉、管路堵塞情況，形成了關(guān)鍵成套技術(shù)用于泥水平衡盾構(gòu)穿越軟地層施工，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的長距離軟巖條件下泥水平衡盾構(gòu)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)掘進(jìn) 泥水平衡 盾構(gòu)姿態(tài) 軟弱地層 刀具配置 管片錯(cuò)臺(tái)

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（c）-0024-02

某市核電站取水隧洞單隧建筑長度4 321.4 m，開挖直徑8.93 m。而引水隧洞所穿越的主要底層是砂黏土地層，因此引水隧洞的施工采用泥水平衡盾構(gòu)技術(shù)。

1 影響盾構(gòu)掘進(jìn)速度的因素分析

很多因素會(huì)影響盾構(gòu)掘進(jìn)速度。諸如盾構(gòu)各生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、互相配合、協(xié)調(diào)程度、駕馭生產(chǎn)系統(tǒng)的管理隊(duì)伍的管理水平等，都是制約掘進(jìn)速度的因素。高水平的管理不僅追求速度，更要追求速度與系統(tǒng)能力的協(xié)調(diào)。較慢的盾構(gòu)掘進(jìn)速度會(huì)使生產(chǎn)能力受到制約，降低生產(chǎn)效率，抬高成本，因此，掘進(jìn)快慢應(yīng)該合理。

生產(chǎn)能力應(yīng)該合理配置，各生產(chǎn)工藝流程應(yīng)該科學(xué)設(shè)計(jì)，管理方法應(yīng)科學(xué)合理。所以在黏土地層段和砂巖地層通過盾構(gòu)時(shí)，應(yīng)在遵照原則，協(xié)調(diào)各個(gè)環(huán)節(jié)，互相促進(jìn)的基礎(chǔ)上，達(dá)到快速推進(jìn)軟巖地層段盾構(gòu)的目的。

2 列車編組及軌道布置

列車編組會(huì)影響盾構(gòu)掘進(jìn)的速度，所以必須科學(xué)合理。列車編組在空間、時(shí)間上可以對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)合理安排，達(dá)到高產(chǎn)高效、有條不紊、系統(tǒng)協(xié)調(diào)，各環(huán)節(jié)間可以避免相互干擾，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

列車編組分3個(gè)階段，滿足盾構(gòu)掘進(jìn)的施工需求。

（1）掘進(jìn)隧洞。在這個(gè)過程里，因?yàn)榭v坡太長，不宜倒換編組，所以編組為兩列：材料車、管片車、電瓶車；砂漿車、管片車、電瓶車。每列車都是一趟一個(gè)循環(huán)。列車長度20 600 mm。

（2）在隧道掘進(jìn)到1 500～3 000 m的過程中，列車分成兩列，編組均為砂漿車、電瓶車、管片車和管片車。跑1趟為1個(gè)循環(huán)，1列車長度是26 400 mm。

（3）掘進(jìn)3 000 m后，3列車編組為：砂漿車、電瓶車、管片車、管片車。列車編組從出來到井口是：管片車、管片車、砂漿車、電瓶車。每列車1個(gè)循環(huán)是1趟。每列車長度是26 400 mm。

3 刀具的配置

掘進(jìn)軟弱地層段的時(shí)候，盾構(gòu)刀具主要以切削為主要功能，把硬巖段的中心雙刃滾刀和單刃滾刀替換成雙聯(lián)齒刀和單聯(lián)齒刀。其配置見表1。

改進(jìn)刀具，可使刀具使用壽命延長，刀具對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性增強(qiáng)，使盾構(gòu)掘進(jìn)速度加快。

4 掘進(jìn)參數(shù)和泥漿性能調(diào)整

4.1 黏土段的掘進(jìn)參數(shù)和泥漿性能團(tuán)

出渣過程中盾構(gòu)掘進(jìn)黏度和比重增加較快，黏土粒徑太小，較大比重的泥漿循環(huán)出渣效果不好，沒有攜帶細(xì)顆黏性土的良好特性，導(dǎo)致堵倉、堵泵和堵管的現(xiàn)象，形成出渣不暢的泥水管路。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，控制在比重1.0～1.1 g/cm3左右的泥漿性能、23～27 mm/min的掘進(jìn)速度、2～3 rpm的刀盤轉(zhuǎn)速、19～21 s的泥漿黏度的泥漿有較好的攜渣能力，可以使掘進(jìn)正常進(jìn)行。

因?yàn)轲ざ容^大、容易結(jié)塊，進(jìn)行快速掘進(jìn)時(shí)附著在刀盤和刀箱上結(jié)成泥餅，在艙內(nèi)堆積，刀盤會(huì)因泥餅面積增大而變成一個(gè)平面，放慢掘進(jìn)速度，降低開挖切削能力，黏土沉積硬結(jié)會(huì)導(dǎo)致泥水倉底部出現(xiàn)堵塞倉門的現(xiàn)象，出渣變難，倉內(nèi)有較大壓力波動(dòng)，使掘進(jìn)變得不穩(wěn)定。作者嘗試了很多辦法在施工過程中改善壓力和出渣波動(dòng)的情況，下面是主要措施。

（1）加大刀盤轉(zhuǎn)速且使刀盤旋轉(zhuǎn)方向在每環(huán)掘進(jìn)改變，減小掘進(jìn)速度。

（2）氣倉和刀盤泥漿循環(huán)沖刷方式改變，如進(jìn)漿流量增大、進(jìn)排漿流量差增大，氣倉次數(shù)提高、泥水倉沖洗和管路沖刷都要加強(qiáng)。

（3）為了保證輸送能力和送漿壓力的增加，需要增加中繼泵的負(fù)載。中繼泵發(fā)熱量增加的原因往往是高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度很快上升，泵體的密閉性被破壞，可能造成盤根損壞漏漿或跳停，因此不宜在過長時(shí)間提高中繼泵負(fù)荷。

（4）使泥漿的黏度和比重降低，及時(shí)對(duì)漿池漿液更換或調(diào)稀。

調(diào)整黏土地層泥漿比重到1.2左右可以提高攜渣能力，而且換漿不應(yīng)該太急，快速改變泥漿參數(shù)，應(yīng)對(duì)參數(shù)緩慢調(diào)整，防止渣土在掘進(jìn)中擁堵。

4.2 粗砂礫層段掘進(jìn)技術(shù)

在兩段掘進(jìn)里程中，少部分是粉砂混粉質(zhì)黏土、黏土。在這個(gè)區(qū)域里進(jìn)行掘進(jìn)任務(wù)，要逐漸把注漿量加大。反復(fù)統(tǒng)計(jì)分析和實(shí)驗(yàn)了兩條隧洞，不停對(duì)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，穩(wěn)定盾構(gòu)機(jī)，穩(wěn)步推進(jìn)掘進(jìn)工作。掘進(jìn)速度，推力2 400～2 600 t，刀盤轉(zhuǎn)速2.3～2.6 rpm，扭矩0.6～1.0 MN.m，這時(shí)泥水有相對(duì)穩(wěn)定壓力，安全通過沙礫層。

為了讓管片姿態(tài)和掘金姿態(tài)在設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)，首先，加大推進(jìn)油缸下半部分的3組推力到最值，上半部分的3組減小到最值，令刀盤抬頭。此外，管片安裝從底部開始，安裝后再對(duì)其余管片進(jìn)行安裝，最終盾構(gòu)姿態(tài)恢復(fù)到周線的附近。

5 關(guān)鍵技術(shù)控制

（1）監(jiān)控監(jiān)測(cè)應(yīng)加強(qiáng)，按需要使泥漿的黏度和比重在水循環(huán)系統(tǒng)中有所降低，更換漿池漿液或及時(shí)加水調(diào)稀，渣土漿液的分離需利用濃縮池進(jìn)行加強(qiáng)。

（2）控制管片旋轉(zhuǎn)。刀盤轉(zhuǎn)速下降，掘進(jìn)扭矩加大，依靠改變刀盤旋轉(zhuǎn)方向，順時(shí)針利用摩擦力回轉(zhuǎn)環(huán)管片；對(duì)管片拼裝順序進(jìn)行調(diào)整，依次逆時(shí)針拼裝，每裝一塊就對(duì)齊平整、能夠連接相鄰環(huán)螺栓后，管片順時(shí)針微調(diào)，之后使用扳手?jǐn)Q緊螺栓；調(diào)整盾尾間隙、管片安裝質(zhì)量和盾構(gòu)姿態(tài)，對(duì)應(yīng)盾構(gòu)姿態(tài)和管片狀態(tài)，開挖底層斷面、管片和盾尾間隙均應(yīng)均勻。

（3）防止上浮的管片。在掘進(jìn)砂層段和黏土段時(shí)，倘若砂漿性能和盾構(gòu)姿態(tài)不能確定參數(shù)，管片上浮和管片錯(cuò)臺(tái)會(huì)很容易造成，為了對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行控制，必須在盾構(gòu)中做好以下工作。

改變注漿方式，根據(jù)要求的姿態(tài)，調(diào)整注漿量和注漿次數(shù)；根據(jù)變化的姿態(tài)，調(diào)整推進(jìn)壓力，使得盾構(gòu)機(jī)開挖走向和姿態(tài)調(diào)整相吻合；調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)應(yīng)依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的上浮量，以滿足隧道軸線要求。增大同步注漿量的同時(shí)降低掘進(jìn)速度，縮短初凝時(shí)間。

6 結(jié)語

該工程實(shí)現(xiàn)了泥水平衡盾構(gòu)在軟巖條件下快速長距離推進(jìn)，平均每月推進(jìn)500 m，最高可達(dá)到823.4 m，同時(shí)穿越軟弱地層施工的泥水平衡盾構(gòu)關(guān)鍵成套技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭正勇，梁奎生.泥水復(fù)合盾構(gòu)過軟硬不均地層關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[J].盾構(gòu)施工，2012，（S2）：45-50.

[2] 楊太華.越江隧道工程大型泥水盾構(gòu)進(jìn)出洞施工關(guān)鍵技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005（4）：45-48.

[3] 肖曉春，新加坡地鐵C855標(biāo)盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性分析及泥水壓力設(shè)定[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012（2）：20-26.