大直徑泥水氣平衡盾構機的泥水環流處理應用分析

薛黃煒

（上海隧道工程機械制造分公司，上海 2002137）

泥水平衡盾構機是通過一定壓力的泥漿來支撐穩定開挖面，通過泥水壓力與開挖面的水土壓力形成平衡，與其他類型的盾構機相比，有施工安全可靠、效率高、質量好的優點。泥水平衡盾構的主要系統是泥水環流。

1 泥水盾構的分類

泥水平衡盾構主要分為全斷面泥水平衡盾構和泥水氣平衡盾構。全斷面泥水盾構和泥水氣平衡盾構在結構上的差異：全斷面泥水平衡盾構機隔板與開挖面只有一個單腔，為泥水倉；而泥水氣平衡盾構機隔板與開挖面有兩個腔，靠隔板一側的稱為氣墊倉，則靠開挖面一側的稱為泥水倉，兩個倉的底部則是通過前閘門連通。

全斷面泥水盾構和泥水氣平衡盾構在控制方式上的差異：全斷面泥水倉內充滿泥漿，調節進泥和排泥流量來控制泥水倉內泥漿壓力，通過調節進泥泵和排泥泵的轉速來控制流量，實現控制壓力；泥水氣平衡盾構的氣墊倉上部是空氣，下部是泥漿并通過前閘門與泥水倉連接，通過調節氣墊艙壓力進而控制泥水倉壓力。

2 泥水處理系統設計原理

泥水平衡盾構在支撐環前的泥水倉內，注入一定壓力的新漿后，會使其在開挖面上形成一層泥膜，支撐正面的土體。再由盾構前部的刀盤切削下來的土體表與工作泥漿混合，形成高密度泥漿，通過盾構機內的排泥管路與排泥泵輸送至地面泥水場地進行處理。這種高密度泥漿進入地面泥水處理系統后，根據不同土體顆粒直徑，經泥水分離設備的分離，分別形成土砂和泥水，再經過沉淀池沉淀后，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入調整池并按施工要求加入新漿進行調整，再輸送回盾構工作面，實現泥水循環。

上海隧道市域鐵路ST14050盾構機D234泥水氣平衡盾構在施工過程中，泥漿和空氣充滿泥水倉和氣墊倉，通過調節氣墊倉上部壓力，在頂部充滿壓力，形成空氣緩沖層，就可以調整開挖面的支撐壓力，使泥水壓力波動變小，支撐壓力更加穩定，對地表控制更為有利。當盾構機正常推進時，操作人員控制送泥泵和排泥泵轉速，使送泥流量與排泥流量基本相同，維持開挖面壓力與地層的動態平衡。

市域盾構設有的氣墊倉采用Samson氣平衡控制系統，我們可在控制室內直觀看到氣墊倉的實際壓力值與Samson給定壓力值，而在氣墊倉加氣過程的氣體流量則是通過兩臺高精度氣體流量計檢測并反饋至控制室。當排泥流量大于送泥流量（流量差處于正常狀態）時，泥水倉液位下降，Samson系統自動補壓力，使壓力值達到設定值；相反，當排泥流量小于送泥流量時，泥水倉液位上升，Samson自動泄壓排氣。在推進施工中，我們不僅對送排泥的流量差進行保護，同樣，也對氣墊倉與泥水倉壓力差進行保護，當兩倉的壓差超過設定值時，泥水系統也會從推進狀態切回旁路，與流量保護形成泥水系統的雙重保護。

3 泥水環流系統的組成

上海隧道市域鐵路ST14050盾構機D234泥水氣平衡盾構配備的泥水系統主要由泥水倉、氣墊倉、膨潤土罐、中心沖洗泵、排泥泵、送泥泵、排泥管、送泥管、接力泵、泥水分離設備、調整池、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送至泥水倉的設備；排泥泵則是將泥漿從泥水倉抽出運送至泥水處理站的設備。D234盾構機采用功率為1100kW的送泥、排泥水冷變頻電機，配套流量為2400m3/h、比重1.4、最大設計壓力1.15MPa、最大允許轉速700rpm、設計通過粒徑240mm的單級端吸臥式離心泵，高功率大揚程使盾構機能夠滿足大流量泥水循環。

中心沖洗泵又名P0.1泵，則是一臺功率為250kW的風冷變頻電機，配套流量為700m3、比重1.2、最大允許轉速1400rpm，設計通過粒徑520mm的單級端吸臥式離心泵。D234在掘進時可以通過P0.1泵經在刀盤上安裝12個氣動沖洗球閥對刀盤進行沖洗，降低刀盤扭矩。

膨潤土罐內加注膨潤土，在停機時穩定開挖面壓力時使用。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，再經沉淀池靜置，清出淤泥后的泥水經調整池后調配出的新漿送入設備泥水倉。

4 環流系統

4.1 環流流速

4.2 環流系統的工作模式

上海隧道市域鐵路ST14050盾構機D234泥水氣平衡盾的泥水環流模式主要分為旁路模式、掘進模式、逆洗模式、外循環模式、機內小循環模式和停機模式。這幾種模式通過盾構操作觸摸屏選擇模式配合開閉相應的管路閥門和泵送裝置。

（1）旁路模式。旁路模式是盾構的待機模式，盾構不開挖，也用于盾構模式切換的過渡。盾構待機模式，是其余工作模式切換前的準備狀態，保證循環系統中流量的穩定，也用于拼裝管片或短時間停機時使用，防止排泥管渣土沉淀堵塞。

（2）掘進模式。掘進模式，用于盾構推進開挖時使用，泥漿可通過氣墊艙進入泥水艙。在正常推進狀態下，新漿液通過送泥泵由地面輸送進泥水倉，以確保與開挖倉中刀盤切削下來的渣土混合，再通過排泥泵漿開倉內的混合泥漿輸送到地面的泥水分離設備。

盾構機掘進時所使用的模式，不可在停機情況下直接切換，其切換順序為：停機→旁路模式→掘進模式→盾構推進→旁路模式→停機。

（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，需注意保持氣墊艙壓力與液位穩定。在施工中這個模式不常用，當發現開挖倉底部沉淀的渣土堆積較多或者排泥管管路堵塞時，可通過使用逆洗模式進行排漿和疏通。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變為送泥管，新漿通過送泥泵輸送至旁通閥再進入排泥管，對開挖倉底部或者排泥管進行沖刷，隨著開挖倉內新漿的增加，通過逆洗閥所在的排泥管路，經排泥泵輸出至地面泥水分離設備。

常用于推進過程中或者長時間停機后當排泥口或格柵堵塞后使用，但不可直接切換，其切換順序為：掘進模式（停機）→旁路模式→逆洗模式→旁路模式→掘進模式。

（4）外循環模式。外循環模式，泥漿只在地面系統循環，主要用于泥漿管路延伸時使用。市域盾構中，此模式只在盾構始發前使用。

（5）機內小循環模式。機內小循環模式，泥漿由氣墊倉抽出，通過中心沖洗泵打入刀盤，進行刀盤沖洗。

由氣墊倉抽泥水通過中心沖洗泵加壓，送入刀盤正面，當主機主送泥管有泥水輸送時，機內小循環起提高刀盤中心沖洗水流量作用，當主機主送泥管沒有泥水輸送時，機內小循環可以使泥水在機內循環，沖洗刀盤，防止結泥。

（6）停機模式。停機模式，在長時間停機的情況下，泥水倉內可能發生泥漿的流失，為保持掌子面的壓力，需要對泥水倉泥漿液位進行控制，可通過膨潤土罐進行補液，在盾構管路延伸時防止氣墊倉液位流失，及時穩定氣墊艙液位。此模式只在長時間停機時使用。

5 結語

本文通過對泥水平衡盾構的泥水環流系統功能使用做介紹和設計，對全斷面泥水盾構和泥水氣平衡盾構做比較，而詳細介紹的泥水氣平衡盾構在施工中的關鍵是控制環流系統和在開挖面的泥漿壓力和氣壓保持平衡。考慮工程所遇到的問題并提出相應的解決方法，同時在市域鐵路盾構機的設計研發中注入多元化的自動控制泥水系統，但實際工況與理論工況仍存在較大的差別，必須結合地質環境等因素對泥水泵的控制方式確保足夠的安全，并結合工程施工的經驗，才能保證泥水系統在隧道掘進施工中穩定高效地運行，同時在施工中，操作人員對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。