福州地區泥水盾構施工技術應用

楊 輝，王 濤，張文強

（中交天和機械設備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

泥水氣壓平衡式盾構[1]（簡稱泥水盾構）是一種利用泥水壓力來保持開挖面穩定的特殊盾構，其泥水控制系統和壓力調節系統是保證工程順利進展的關鍵。其采用泥漿或氣壓支撐工作面，其工作原理如圖1所示。常采用懸浮液泥漿，懸浮液在壓力的作用下進入土壤并利用其中包含的固體顆粒封閉隧道工作面，形成一層薄的不透水模，開挖艙中有壓力的懸浮液就能平衡工作面上的土壓及水壓，以使隧道工作面得到很好的支撐。

圖1 泥水氣壓平衡原理

在泥水平衡盾構中起支護作用[2]的液體同時又作為運輸的介質，由開挖工具開挖的土料在開挖艙與懸浮液混合，然后，土料/懸浮液的混合物被泵送到地面。在地面的分離廠中懸浮液從土料中分離出來，分離出來的懸浮液添加新的膨潤土后再泵回隧道工作面進行循環利用。

泥水盾構按生產國家分為日系、德系和英系[3]，目前使用比較廣泛是日系和德系。日系為直接控制模式，由泥漿液體直接支護開挖面并提供維持平衡壓力的盾構，德系是間接控制式盾構，其通過支護液體的壓力插入一個空氣緩沖層加以控制，即通過空氣緩沖層的壓力控制，間接控制開挖面的壓力。

日系泥水盾構的泥漿壓力，在循環掘進時，通過調整進漿泵的轉速或者調整進漿泵出口節流閥的開口比值來實現壓力控制的。因此掘進速度、地層變化、掘進深度及其掘進長度對壓力均有影響。調節泵的壓力是通過中心控制室的自動調節完成。德系的空氣室的壓力是根據開挖面需要的支護泥漿壓力設定的，空氣壓力可通過空氣控制閥使壓力保持恒定。同時由于空氣緩沖層的彈性作用，即使液位波動或出現突然的泄漏，對土倉壓力也無明顯影響。

國內泥水盾構的前盾分為2個倉室，分別為泥水倉（或開挖倉）和氣墊倉。其中泥水倉掘進時一般充滿泥水，氣墊倉在掘進時一般底部為泥水，上部為壓縮空氣。空氣倉和泥水倉之間可以進行壓力交換來保證開挖倉內的壓力平衡。

1 工程簡介

福州地鐵2號線起于閩侯大學城組團北部國賓大道沿線的沙堤站，終于晉安區鼓山風景區入口處的鼓山站。線路全長約26.2km，全部為地下線。沿線場地多為市區主干道、住宅、寫字樓、商店等，總體地勢起伏不大，高程主要在5～13m間。地下區間埋深8.4～30.1m。沿線場地場地地貌單元主要為山前沖淤積平原地貌，工程地質分區屬沖、淤積區。其中厚庭站至桔園洲站區間采用泥水盾構施工，總長度約2 667.97m。區間共設4處聯絡通道，其中一處聯絡通道兼區間泵房，此外還設一處區間風井。地層自上而下依次為素填土、雜填土、粉質粘土、淤泥質土、粗中砂（中密）、粉質粘土、粉質粘土。根據1標段沿線地下水按賦存條件、含水介質及水利特征分析，地下水主要分為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水（包括潛水和承壓水）、基巖構造裂隙水三種類型。

沿線地下水主要分為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水（包括潛水和承壓水）、基巖構造裂隙水三種類型。根據實驗測定，沿線地質巖土的力學性能如表1。

福州2號線厚庭站-橘園洲站區間總長2.827公里，站間距為2號線最長，其中過江段長度約為1 700m，掘進橫穿的烏龍江為強透水地層，存在大粒徑卵石，穿越難度巨大淤泥質土、密實卵石層地質條件，針對這些情況研制的?6 480mm泥水氣壓平衡式盾構，采用大開口率刀盤設計及先行刀具布置、泥水控制系統（氣泡倉控制技術、可逆洗的泥水循環技術、泥水分流器設計技術）、破碎機設計、三通球閥式接管其設計等技術。盾構在該區間施工未曾出現刀盤結泥餅、出現盾構下沉、結泥餅、噴涌、塌方、頻繁換刀、掘進困難等問題，并實現2 660m連續掘進未換刀的記錄。

2 大開口率刀盤設計

刀盤采用34%的大開口率設計，可以通過較大塊粒的卵石及切削下的石塊，減少刀盤前面的刀具的磨損，降低掘進過程中刀盤的轉矩。刀盤中心設置4個注水口，有效防止刀盤中心土砂粘結。切削刀、刮刀切削軌跡已經布滿整個開挖面，且相鄰刀具切削軌跡之間具有一定的重疊，確保整個開挖面被完全切削掉。在不同的切削半徑上，所布置的切削刀具數量不同，且隨著半徑的增加而增多，可以使得切削刀具在一定程度上盡可能的等壽命。同組切削刀具之間以及不同組切削刀具之間應保持一定的相位角差，使得整個刀盤形成一種順次切削，降低切削刀具切削扭矩的同時，提高了切削效率。刀盤的周邊焊有耐磨條，刀盤的面板焊接有格柵狀的Hardox耐磨材料，耐磨板厚度10mm，充分保證刀盤在巖層掘進時的耐磨性能。參見圖2。

圖2 福州地鐵2號線泥水盾構刀盤刀具布置圖

表1 場地土層地基基礎設計參數表

3 泥水控制系統的研究

3.1 雙路氣泡倉控制技術

本次采用了氣體緩沖效果的氣壓控制方式。即通過調整送泥泵的轉速控制送往艙內的泥水水平面，調整排泥泵的轉速控制排泥流量，同時通過使用氣壓艙的壓力控制，使得對挖掘面壓力的控制更加精確。

氣壓艙的壓力控制系統由空壓機、氣壓調節裝置、壓力傳感器以及空氣控制閥構成，通過控制艙內壓力的PID控制（比例，積分，微分控制），能夠以0.01bar的精度管理艙內壓力。

空氣壓力調節裝置使用的Samson系統。圖3為Samson系統控制原理圖。

圖3 Samson系統控制原理圖

1）氣泡艙的容積氣泡艙設置在隧道掘進機外周部分是環形（底部為缺圓形），泥水的水位標準控制在接近中心線的位置，挖掘面的泥水艙的容積=挖掘面和氣泡艙側面之間的體積。

2）氣壓、容積的控制幅度氣泡艙的容積隨壓力的變動而變動[4-5]。對于容積的變動需要有充分富裕的空氣容積。在此對它們進行驗證。

根據PV=定值的理論，泥水壓力控制幅度ΔP以空氣調整容量ΔV進行基本的控制。

PV=(P+ΔP)(V+ΔV)

ΔP=PV/(V+ΔV)-P

ΔV=PV/(P+ΔP)-V

式中P——泥水壓力；

V——氣泡艙容積；

ΔP—— 控制幅度(控制幅度ΔP=±0.2MPa)。

通過計算，對容積的變化量可以確保氣泡艙充分的容積，從而保證切口壓力的控制精度滿足0.01MPa。

3）泥水面變化量氣泡艙的控制是通過調整氣壓和泥水水位來進行的。泥水水位的控制標準在中心線。容積的控制幅度為上述值時，水位面的變化為下述數值：

氣泡艙斷面積A=14m2；容積變化量ΔVMax=±21m3（壓力變化相當于ΔPMax=0.20MPa）；ΔVMin=±1.3m3（ 壓 力 變 化 相 當 于ΔPMin=0.01MPa）；泥水面變化量ΔH＝ΔV/A。

因此，隨著壓力的變動泥水面的變化量為以下數值：

ΔHMax=±21m3/14m2=±1.5m

ΔHMin=±1.3m3/14m2=±0.09m

采用日系的氣泡艙從結構上能夠充分控制這種泥水面的變化量。

從上述的結果來看，設計的氣泡艙對于本項目的要求具有充分的能力。

3.2 可逆洗的泥水循環技術

此項技術在傳統的反循環模式上改進而來，傳統的反循環模式在發生堵塞時，在保證開挖倉內壓力平衡的條件下，整個進泥系統或者出泥系統進行逆循環。此項技術中配置多個壓力傳感器，自動識別可能堵管的位置，通過局部逆洗及時防止排漿管堵塞、滯排；當前方出現意外坍陷，泥水艙下部堆積很多泥漿時，可以利用多層逆洗功能，分層次分區域地沖洗，有利于排出堆積的泥漿。通過分流器將排出的泥漿逆洗到排泥口，逆洗的泥漿濃度保持不變，利于泥膜的穩定。逆循環系統見圖4。

圖4 可逆洗的泥水循環系統

3.3 分流器設計

泥水分流器主要作用是將盾構切削土砂形成的泥水進行顆粒分離和處理，再將回收泥漿泵入調整槽。

一般分離器采用振動篩作為首道初級分離比較合適，振動篩的作用是對泥水作預處理，去除團狀或塊狀粗大顆粒。粗顆粒的分離采用3層振動篩，〈10mm粒徑顆粒通過第一層振動篩進入第二層，〈6mm粒徑顆粒經振動篩進入第三層，≤3mm泥漿顆粒下料進入沉淀池，振動篩上面的顆粒物排至堆土場。旋流處理分系統的主要功能是將經過分離以后的中西顆粒漿液再次進行細化處理，依次降低漿液粒徑，處理系統一般采用多級旋流器。

針對卵石、中粗砂等地層，泥水輸送過程中會伴隨著卵石一起循環，對管路造成嚴重堵塞及磨損現象，采用獨有的排渣設計。通過分流器將排出的泥漿逆洗到排泥口，逆洗的泥漿濃度保持不變，利于泥膜的穩定。

4 破碎機優化設計

為了避免破碎機油缸鉸接處液壓管路的破損，對油缸液壓管路采用了內置式設計，解決了破碎機在使用一段時間后，油缸管路損壞難以修復而無法繼續使用的問題，滿足長距離、復雜地層使用的需求。同時為了讓人進入氣泡艙對破碎機進行檢修，設置了整體式閘門及格柵，能夠承受10bar的水土壓力，在閘門關閉下，常壓進入氣泡艙維修和檢查。同時針對卵石地層排渣困難，提高了排泥管的流速，同時改進了破碎機的破碎能力，提高破碎頻率，確保卵石小于100mm，以順利通過格柵，解決了卵石的滯排現象。參見圖5。

圖5 破碎機示意圖

5 環保型接管器技術

泥水盾構的管路多而復雜，經常對管路進行更換或者由于管路內壓力比較大時，泥水會通過接管器流到隧道內，對施工帶來不便。總結以往經驗，此項目中采用三通打球式接管器（圖6），在接管時將管路打開，泥水不會溢出到隧道內，徹底改善了隧道的施工環境，減少清理隧道的成本，實現了綠色文明的施工現場。

圖6 接管器

6 總 結

福州2號線厚庭站-橘園洲站區間總長2.827km，站間距為2號線最長，其中過江段長度約為1 700m，掘進橫穿的烏龍江為強透水地層，存在大粒徑卵石，穿越難度巨大淤泥質土、密實卵石層地質條件，針對這些情況研制的?6 480mm泥水氣壓平衡式盾構機，采用大開口率刀盤設計及先行刀具布置、泥水控制系統（氣泡倉控制技術、可逆洗的泥水循環技術、泥水分流器設計技術）、破碎機設計、三通球閥式接管其設計等技術。盾構在該區間施工未曾出現刀盤結泥餅、出現盾構下沉、結泥餅、噴涌、塌方、頻繁換刀、掘進困難等問題，并實現2 660m連續掘進未換刀的記錄。