土壓平衡式盾構(gòu)機土倉可視化系統(tǒng)研究

翟振玲 盧慶亮 孟長躍 崔迎接

（濟南中鐵重工軌道裝備有限公司，濟南 250109）

濟南市區(qū)南臨低山丘陵，北臨黃河，中部為山前傾斜沖洪積平原，地層呈東西向帶狀分布，主要為南部無水中風化灰?guī)r地層，北部沖積富水粉質(zhì)粘土地層，中部少水膠結(jié)礫巖/碎石土地層，同時，中部也分布侵入型無水風化閃長巖地層。針對R2線區(qū)間部分穿越粉質(zhì)粘土地層，滲透系數(shù)小，粘粒易形成刀盤盤面泥餅，盤體結(jié)構(gòu)泥餅，土倉中心泥餅，盤面泥餅使刀具失去切削作用，盾構(gòu)推力雖大但刀盤不能貫入，影響掘進效率。采用土倉可視化系統(tǒng)，可在主控室內(nèi)清晰觀察土倉內(nèi)的中心結(jié)泥餅情況，采用長桿機械捅開泥餅，并配合刀盤中心高壓沖水裝置，迅速解除泥餅。盾構(gòu)長距離施工中，不可避免地要進行中途檢查和更換刀具或進倉進行維修作業(yè)、帶壓作業(yè)時，往土倉內(nèi)注入高壓空氣，通過氣壓平衡掌子面的水土壓力，從而維持穩(wěn)定，人員在密閉、高壓、空氣環(huán)境下作業(yè)，操作難度較大，風險性較大，因此，觀察操作人員在土倉內(nèi)的安全情況并及時作出反應尤為重要，采用土倉可視化系統(tǒng)有效解決了這一難題。

1 目前面臨的施工問題

1.1 土倉及刀盤結(jié)泥餅問題

土壓平衡盾構(gòu)機在全風化、強風化、中風化等泥巖泥質(zhì)粉砂巖及泥質(zhì)砂巖土中掘進過程中，掌子面黏性土體在刀盤切削后變成細土粒受到碾壓，自刀盤中心位置向四周逐步在刀盤面和土倉內(nèi)壁上形成泥餅，嚴重降低了盾構(gòu)機掘進能力。刀盤（土倉）結(jié)泥餅情況嚴重時，常規(guī)做法是開倉人工清理，但在盾構(gòu)掘進過程中，受場地和水文地質(zhì)條件的限制，滿足常壓進倉的地層較少，通常需要帶壓進倉，費用高且風險極大，給施工帶來不必要的施工風險和經(jīng)濟損失。盾構(gòu)在富水地層掘進，土倉形成泥餅后，容易誘發(fā)噴涌現(xiàn)象，導致土倉壓力波動，引起地表沉降，甚至發(fā)生塌方事故。此外，土倉泥餅嚴重會導致土倉溫度快速升高，引起主驅(qū)動密封性能下降，嚴重時會造成災難性的主驅(qū)動損壞事故。土壓盾構(gòu)施工的泥餅防治與處理是盾構(gòu)法施工領(lǐng)域內(nèi)的一大難題所在，因此，采用土倉可視化系統(tǒng)可實時檢測土倉內(nèi)及刀盤結(jié)泥餅情況，在泥餅尚未壓固前，可以長桿機械同開泥餅，配合高壓水沖洗刀盤，清除泥餅。預防和提前干預處理，可有效預防結(jié)泥餅狀況。

1.2 帶壓作業(yè)安全隱患

由于在需帶壓作業(yè)地段，地層穩(wěn)定性較差，雖然采取了一系列封堵加固措施和通過壓縮空氣來平衡掌子面的水土壓力，但仍存在許多不確定因素，當界面條件發(fā)生變化時，掌子面仍存在有部分失穩(wěn)或出現(xiàn)涌、漏水的可能，所以，在這一過程中必須一直密切關(guān)注掌子面的穩(wěn)定情況和用水量的變化；出現(xiàn)異常情況時，應立即停止帶壓作業(yè)。帶壓換刀屬特殊作業(yè)，為保證換刀過程中的安全，必須制定相應的應急預案，成立應急小組。換刀過程中，應使用土倉可視化系統(tǒng)密切觀察土倉內(nèi)人員健康狀況以及土倉內(nèi)的壓力情況。

2 土倉可視化系統(tǒng)工作原理

在盾構(gòu)機前盾隔板開方孔，焊接法蘭板，安裝土倉可視化系統(tǒng)集成，做好密封。土倉可視化內(nèi)采用紅外光源攝像頭，在無光線的情況下完成探測；攝像頭由電動馬達驅(qū)動，可以上下左右360°實現(xiàn)全覆蓋照射；電動馬達由內(nèi)水循環(huán)進行冷卻，實現(xiàn)水冷作用。紅外光源攝像頭采用24VDC直流電源，使用網(wǎng)線將圖像信號傳輸?shù)缴衔粰C畫面，完成實時監(jiān)控；在上位機上安裝程序軟件及操作界面上下左右方位旋鈕，完成各個角度拍攝和控制。土倉可視化集成玻璃周圍設(shè)置3個噴嘴，當玻璃被泥土遮蓋時，使用高壓水沖洗；同時，在面板周圍設(shè)置3個噴嘴，可使用高壓水沖洗。在土倉可視化集成玻璃周圍設(shè)置3個噴嘴，當玻璃使用高壓水沖洗完成后，使用高壓空氣對玻璃進行風干，防止玻璃被污水以及泥土污染，影響攝像頭拍攝。使用土倉可視化系統(tǒng)，可將土倉內(nèi)發(fā)生的情況實時的傳輸?shù)缴衔粰C上。

3 土倉可視化系統(tǒng)的實施

3.1 土倉可視化系統(tǒng)的安裝機械結(jié)構(gòu)

在盾構(gòu)機前盾隔板上方位置開一方孔，在方孔處焊接法蘭板，法蘭板上鉆16個螺紋孔，可視化系統(tǒng)使用螺釘安裝在該法蘭板上。盾構(gòu)機施工過程中，為保持開挖面穩(wěn)定，需保持土倉內(nèi)泥土壓力與開挖面的水土壓力保持平衡，因此，土倉內(nèi)的密封性十分重要，土倉內(nèi)法蘭面涂密封膠，螺釘安裝時涂螺紋密封膠，防止此處氣體漏氣。在可視化系統(tǒng)安裝法蘭與隔板間隙周圈涂硅膠，防止土倉內(nèi)泥土粘結(jié)在螺釘處，后期拆機改造時拆卸困難。

圖1、圖2、圖3為前盾隔板可視化系統(tǒng)開孔圖，可視化系統(tǒng)集成安裝在開孔處，攝像頭一端安裝在土倉側(cè)。

3.2 土倉可視化系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)

可視化系統(tǒng)集成（見圖4）采用專用紅外攝像機和補光燈雙窗片設(shè)計，經(jīng)過專用軟件處理，可在水霧條件下清晰成像，視距達（3～5m）。使用網(wǎng)線將圖像信息傳輸?shù)街骺厥疑衔粰C上。紅外光源攝像頭并且具有耐高壓功能，可承受土倉內(nèi)的工作壓力2～3bar。紅外光源攝像頭安裝在電動馬達上，可以實現(xiàn)攝像頭360°的自動調(diào)整，達到對土倉內(nèi)各個角度和全方位的照射。在主控室界面上安裝監(jiān)控軟件，在操作界面上設(shè)置上下左右四個旋鈕，可以實現(xiàn)各個角度的旋轉(zhuǎn)，在主控室工業(yè)電腦畫面可以實時的觀察土倉內(nèi)的泥土的情況以及維修時操作人員在洞內(nèi)的情況。

圖1 前盾隔板可視化系統(tǒng)開孔主視圖

圖2 前盾隔板可視化系統(tǒng)開孔剖視圖

圖3 前盾隔板可視化 系統(tǒng)開孔局部放大圖

圖4 土倉可視化系統(tǒng)紅外攝像機

3.3 土倉可視化系統(tǒng)的水系統(tǒng)

攝像頭電動馬達工作過程中需要冷卻，采用內(nèi)水循環(huán)的方式對馬達進行冷卻，馬達尾端設(shè)置有冷卻水套，內(nèi)循環(huán)水經(jīng)過冷卻后，由離心泵泵送，經(jīng)減壓閥減壓，壓力至2.5bar，接入土倉可視化集成管路，對電動馬達冷卻。外循環(huán)水由雙聯(lián)水管卷筒送入，經(jīng)過濾器過濾，避免外水形成水垢，對設(shè)備造成損壞，過濾水進入板式冷卻器，進行熱交換對內(nèi)循環(huán)水冷卻，其中，一路由雙聯(lián)水管卷筒排出洞外。另一路外水通過增壓泵增壓，壓力達到6bar，給其他各個系統(tǒng)提供水源，清洗土倉可視化玻璃和面板。每路管路接入集成接口前，安裝球閥，可以手動操作。在土倉可視化系統(tǒng)集成前方玻璃周圍，布有三個噴嘴，當泥土沾滿玻璃，攝像頭無法拍攝土倉畫面時，使用高壓水清洗玻璃（見圖5）。

圖5 土倉可視化冷卻水系統(tǒng)圖

3.4 土倉可視化系統(tǒng)的空氣系統(tǒng)

土倉可視化玻璃使用高壓水沖洗后，土倉內(nèi)泥土會迅速污染玻璃，并結(jié)泥餅，影響可視化效果。因此，在高壓沖洗后迅速使用高壓空氣將可視化玻璃上的水珠吹干，保持玻璃清潔，使得可視化效果良好。高壓空氣由空氣壓縮機產(chǎn)生壓縮空氣，進入儲氣罐，壓力達4bar，最后送入土倉可視化集成空氣管路，在隔板前側(cè)玻璃周圍有2路空氣管路噴嘴，對玻璃實施風干。在進入空氣管路前安裝手動球閥，可以手動開啟關(guān)閉，同時在上位機程序中設(shè)置自動控制啟停按鈕，如圖6所示。

圖6 土倉可視化工業(yè)空氣系統(tǒng)圖

4 結(jié)語

針對濟南地鐵隧道穿越地層的特點，對穿越粉質(zhì)粘土地層的區(qū)間部分，配置土倉可視化系統(tǒng)，采用土倉可視化系統(tǒng)，可在主控室內(nèi)清晰觀察土倉內(nèi)的刀盤、土倉中心結(jié)泥餅的情況并及時處理，提高了掘進效率，降低了施工成本，能夠全面掌握盾構(gòu)長距離施工中，操作人員在土倉內(nèi)檢查和更換刀具或進倉進行維修作業(yè)情況，為確保人員安全提供了有力保障。