渣土泵送技術在土壓平衡盾構機分體始發中的應用*

熊棟棟 陳祥龍

(1.中交第二航務工程局有限公司，430040，武漢;2.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，430040，武漢;3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，430040，武漢∥第一作者，工程師)

城市軌道交通項目通常建設在城市鬧市區或者建筑密集地帶，不可避免地面臨施工場地受到限制的問題。尤其是對于土壓平衡盾構機分體始發施工而言，始發階段的渣土運輸問題顯得頗為棘手。目前急需尋求一種既簡便又安全的分體始發渣土運輸工藝。

文獻［1］為了能將盾構機分體始發階段的渣土順利運出，將出土水平運輸方式分為3個階段:第1階段——利用卷揚機和小土斗進行前10 m的棄土水平運輸;第2階段——利用半截皮帶機、電瓶車和小土斗進行25 m的棄土水平運輸;第3階段——當盾構機掘進距離滿足皮帶機整體長度時，采用正常的盾構渣土運輸系統出渣。文獻［2］同樣將渣土運輸按照始發井及隧道內可利用的空間分3階段進行設計:負環管片施工階段采用小土斗進行出渣，卷揚機作牽引，汽車吊配合進行吊運;盾構機完全進入隧道后，前30 m的掘進范圍采用容量為4 m3的渣土箱運送渣土，渣土箱由卷揚機作牽引、龍門吊吊出;隨著掘進距離的增大，采用列車編組進行運輸，通常采用渣土車出渣、電瓶車水平牽引、龍門吊吊出的渣土運輸工藝。

由此可見，土壓平衡盾構機分體始發階段的渣土運輸方式通常是利用電瓶車或卷揚機以及汽車吊或龍門吊來回多次地倒運小土斗來進行的，且需要隨著可利用施工空間的增加而分階段地進行工藝和設備的切換。該渣土運輸方式施工操作難度大、工藝銜接繁瑣，嚴重制約了盾構機始發階段的施工效率;過于頻繁的渣土水平、垂直運輸還增加了渣土運輸過程中的安全風險。

吉隆坡地鐵MRT 2號線(以下簡為“MRT 2號線”)地下段B標區間盾構機分體始發階段，因場地限制，盾構掘進渣土運輸受到極大限制。該工程的地勘資料顯示:盾構機試掘進階段開挖范圍內的地質主要由砂質粉土、粉質砂土等土質構成，地層中的黏粒含量適當，土倉渣土經改良以及加水稀釋、攪拌后，具有良好的攜渣性能和可泵送性能。為此，提出采用渣土泵送技術來解決盾構機分體始發掘進階段的渣土運輸難題，將常規混凝土拖泵(見圖1)安裝于盾構機1號臺車內部，在盾構機分體始發期間，利用混凝土拖泵及配套的泵管等設備將螺旋機排出的渣土經過稀釋、攪拌處理后直接泵送至地面渣土坑。通過這種創造性的分體始發渣土運輸工藝，順利完成了試掘進階段共計71環的土壓平衡盾構機的出渣工作。

圖1 混凝土拖泵安裝在盾構機1號臺車內Fig.1 Concrete pump installed in shield machine No.1 trolley

1 泵送出渣設備的構造

混凝土拖泵是泵送出渣的主要設備，主要由料斗、攪拌機、分配閥和液壓泵送系統等構件組成［3］。混凝土拖泵的選型需考慮其尺寸的適用性、泵送能力及速度的適用性，以及料斗的篩分及攪拌系統與地層的適應性等3個因素。

1.1 設備尺寸的適用性

本項目選用的混凝土拖泵尺寸為6.8 m×1.6 m×1.8 m(長度×寬度×高度)。始發階段將其安裝在MRT 2號線地下段B標區間上行線海瑞克S-778雙模盾構機(掘進期間僅采用土壓平衡模式)1號后配套臺車內部。1號臺車內部框架在拆除了泥水模式下的碎石機、泥水泵及泵管的設備之后，空余的空間尺寸為11 m(長度)×1.9 m(寬度)×2.2 m(高度)，因此設備在空間上完全滿足要求。

1.2 設備性能的適用性

混凝土拖泵泵送渣土的速度直接決定了試掘進階段盾構機的掘進速度。拖泵泵送壓力分為13 MPa和7 MPa兩檔。經計算，本項目泵送出渣所需最大出口泵送壓力為6.11 MPa，故所選拖泵性能滿足要求。出口泵送壓力為7 MPa時，混凝土拖泵最大理論泵送速度為70 m3/h，對應的盾構掘進速度約為20 mm/min，可滿足盾構機試掘進期間的施工效率要求。

1.3 料斗篩網的適用性

混凝土拖泵料斗設置有篩網，可將螺旋機排出的渣土進行過濾。篩網的格柵尺寸為40 mm，既可以過濾掉粒徑為40 mm以上的碎石等雜物，防止其堵塞分配閥或泵管，提高泵送效率;又可確保渣土塑性偏大時仍可順利通過篩網，以免渣土在篩網上堆積，影響盾構機的掘進施工效率。

泵管型號為DN 125 mm，單節長度為3 m，允許最大顆粒粒徑為40 mm。泵管經過拖泵的分配閥出來之后再經過2個90°變接頭，沿著拖泵底部向臺車后部布置，在3號臺車尾部安裝軟管;盾構機每前進2環，在軟管后端進行管道的延伸。泵管布置如圖2所示。

圖2 泵管的布置圖Fig.2 Layout of the pump pipe

軟管后部的管路固定在臺車軌道外側，并一直延伸至始發井外70 m處。通過90°彎頭以及支架固定，將管路最終豎直延伸至地面，且車站每層結構板均設置支架對豎直管路進行固定。水平管路的最大長度約195 m，豎直管路長約28 m。

高壓注水環(見圖3)是1節沿內壁環向布置有4路高壓水管的特殊管路。渣土泵送期間，可通過高壓水泵沿著注水環內壁環向噴射高壓水，最高壓力達20 MPa，在注水環內壁形成環向水箍，起到減小泵管內壁摩擦阻力、增加渣土含水量的作用，有助于提高渣土在泵管中的可泵性。

圖3 高壓注水環Fig.3 High pressure water injection ring

2 盾構機掘進出渣的施工工藝流程

2.1 步驟1

為滿足盾構機掘進出渣可泵送的要求，始發前，在始發井區域的隧道開挖范圍內取土進行試掘進階段渣土改良試驗，確定試掘進期間的渣土改良配比。試掘進期間，土倉內的渣土按照泡沫溶液質量分數為1.5%、泡沫膨脹倍率為1∶7、泡沫注入率為20%的配比進行渣土改良。改良之后的渣土塌落度為180 mm。通過葉片剪切試驗(見圖4)測出渣土的剪切強度為1.47 kPa，處于可泵送的范圍(1～2 kPa)。盾構機掘進期間，若碰到含水量小或者土質較硬的地層時，要適當增大泡沫注入流量、泡沫溶液濃度或膨脹倍率等參數，以保證改良渣土的效果;若遇到含水量大或者土質較松散的地層時，適當減小相關泡沫改良參數。

圖4 葉片剪切試驗Fig.4 Blade shear test

泡沫參數調整的原則為:調整頻率不宜過快，通常調整了泡沫參數后幾分鐘才能初步起效，完全起效通常需時間更久。這是因為泡沫主要用于改良正在開挖或剛從掌子面開挖下來的土體，對土倉內已開挖渣土的作用較小。因此，調整泡沫參數時，原先開挖的渣土仍然占據土倉，盾構相關掘進參數變化只能隨著新配比改良后的渣土將舊渣土從土倉置換出去的程度而逐漸顯現出來。

2.2 步驟2

土倉內經過改良的渣土通過螺旋機后閘門排出，直接排到其下部的混凝土拖泵料斗上。料斗上接1根水管，掘進期間往料斗內加水對排出的渣土進行稀釋，使之更適合于泵送，水流量根據渣土的干稀程度進行調整。掘進期間在混凝土拖泵料斗處安裝1個攝像頭，將信號連到主機室，使主司機在掘進期間可實時觀察螺旋機所出渣土的改良效果以及料斗上渣土的堆積情況，如發現盾構機掘進速度與混凝土拖泵泵送速度不匹配時，可及時調整螺旋機轉速以及螺旋機后閘門張開量，減少螺旋機出土量;若發現料斗堆滿，則可立即關閉螺旋機后閘門，停止掘進，待料斗內渣土清空之后再恢復掘進。

2.3 步驟3

從料斗格柵篩分下來的渣土和外加水經攪拌機充分攪拌之后，實現渣土第2次流塑性改良，并隨即被泵送至管路中，經過混凝土拖泵下方高壓注水環的潤滑和稀釋作用，沿著管路一直被泵送至地面。從料斗格柵過濾出的石塊、玻璃纖維筋等則通過人工進行清除。

2.4 步驟4

為了計量盾構機掘進時每環出土方量，渣土泵送至地面后，首先流入渣土斗(見圖5)內。當1個渣土斗即將盛滿時，工人立即將渣土泵軟管切換至另1個渣土斗上方繼續出土，確保泵送出土施工不會因為換渣土斗而中斷。裝滿的渣土斗通過龍門吊傾倒至渣土坑內。盾構機試掘進期間，前39環范圍內每環平均出渣7斗，出渣量為100 m3左右;第40～71環范圍內，為了稀釋硬塑黏土，大幅提升清水注入量，每環平均出渣10斗，出渣量為150 m3左右。

圖5 地面渣土斗Fig.5 Duck bucket used for muck measurement on the ground

2.5 步驟5

為了提高渣土的可泵送性，渣土需較大的含水量，因而需在地面渣土坑設置隔膜泵。待排至渣土坑的渣土沉淀后，利用隔膜泵將渣土坑內的水及時抽排至場地內的污水處理系統(見圖6)，經處理后排至市政管道。

圖6 污水處理系統Fig.6 Sewage treatment system

3 混凝土拖泵的泵送壓力計算

混凝土拖泵投入使用前，需通過理論論證拖泵泵送出土的可行性。對混凝土拖泵的泵送能力進行了計算及驗證。

經計算可得，單位長度水平管路的泵送壓力損失量ΔP1為:

其中:

式中:

k1——粘著系數，Pa;

S——泵送料塌落度，mm;

d——泵管的內徑，mm;

k2——泵送速度系數，Pa/(m/s);

t2——混凝土拖泵分配閥切換時間，s;

t1——活塞推壓泵送料時間，s;

V2——泵送料在輸送管內的平均速度，m/s;

a2——徑向壓力與軸向壓力之比。

式(1)中，S取180 mm，可得k1為100 Pa，k2為200 Pa/(m/s);d取125 mm，t2/t1取0.3，V2取0.63 m/s，a2取0.95，可得ΔP1為0.01 MPa。

根據JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技術規程》的規定，豎直管路、彎頭及軟管可等效為一定長度的水平管路。本項目中泵送出渣等效水平管路總長度如表1所示。

表1 泵送出渣等效水平管路總長度統計Tab.1 Overall length of equivalent horizontal pipeline of muck pumping

經計算，泵送出渣等效水平管路的總長度為491 m，單位長度水平管路的泵送壓力損失量為0.01 MPa，混凝土拖泵啟動壓力損耗及分配閥壓力損耗為1.2 MPa。由此可得，管路總的泵送壓力損失量為6.11 MPa，小于7 MPa。因此，本項目混凝土拖泵的泵送壓力滿足要求。

4 工效分析

MRT 2號線地下段B標區間上行線試掘進第1～71環采用渣土泵送技術進行盾構機掘進出渣，總體工期為30 d。受設備故障頻繁、管片拼裝和注漿等操作不熟練、工序安排不合理等影響，日均完成量為2.37環，但仍超出日均2環的計劃完成量。

區間上行線從移除混凝土拖泵開始至負環管片和反力架拆除、道岔安裝之前，試掘進段的盾構出渣方式已改用了常規的皮帶機+單列電瓶車編組+龍門吊垂直運輸的形式;從第72環掘進至第93環，共計22環，歷時10 d，日均完成2.2環＜2.37環，可見試掘進期間采用拖泵出渣方式的工效優于常規出渣方式。

5 泵送出渣施工階段遇到的問題

5.1 黏粒含量較小的地層易發生堵管

盾構機試掘進期間偶爾會遇到砂性土地層。由于渣土中黏粒含量少，為了保證渣土的可泵性，必須多加水，使渣土更稀。遇到這種地層必須盡量保證連續泵送［4］，一旦泵送中斷，渣土中的部分砂土、碎石會發生離析而滯留在泵管內;當泵送中斷次數增多時，離析的砂土、碎石逐漸增多、聚集，導致堵管的發生。

5.2 盾構機始發穿越地連墻階段的出渣方式

盾構機穿越地連墻期間，含有大量粒徑為30～50 mm的混凝土塊和長達數10 cm的玻璃纖維筋的渣土從螺旋機出閘口排出并大量堆積在料斗上，導致混凝土拖泵基本無法使用;部分通過格柵的渣土也極易造成堵管。最終只能通過在混凝土拖泵料斗上焊溜槽將渣土排至臺車左側的走道板上，利用人工清理至臺車旁邊的小土斗上，再利用吊車吊運出土。

5.3 硬塑黏土地層掘進問題

盾構機掘進至第50環后，地層逐漸變硬，土性變黏。為控制地面沉降，業主要求第50～71環的土倉壓力須控制在270～280 kPa。盾構機采用半倉掘進模式，雖可以減小推力，提高掘進速度，但由于土倉壓力值較高，用氣來保壓，土倉壓力極不穩定，施工風險比較大。因此，盾構機只能采用土倉內近于滿倉的方式掘進。

土倉壓力越高，掌子面作用于刀盤的反力越大;土倉內渣土越滿，渣土作用于盾構機倉壁的反力越大［5］。因此，盾構機推力可由1 400 t上升至1 800 t以上。地層黏性較大，在高推力和高壓力的擠壓作用下，切削下來的土體更難以被打散，難以與泡沫充分混合［6］，泡沫內的氣體聚集起來，逐漸在土倉內形成氣腔。因此，土倉內的渣土改良效果差、渣土塑性較大，導致混凝土拖泵泵送能力下降，同時也限制了盾構機的掘進速度;盾構機掘進速度較慢，土倉內渣土流通速度緩慢，導致渣土在土倉內部堆積，以及渣土和易性降低［7］，從而進一步限制了盾構機掘進效率。經綜合分析，盾構機掘進速度基本被限制在12 mm/min以內。

6 結語

1)土壓平衡盾構機始發階段的出渣全過程均無需皮帶機和電瓶車的水平運輸以及龍門吊垂直運輸，簡化了土壓平衡盾構機試掘進期間的出渣工序，大大縮短了龍門吊、電瓶車、皮帶機的運行時長，節約了設備維修保養的成本和時間，減少了相關設備和工序的人力投入，也避免了渣土斗水平、垂直運輸中的安全風險。

2)對于盾構掘進速度要求較高的工程，可選擇額定功率更高、單位時間泵送速度更大、料斗容積更充足，以及攪拌能力更強大的泵送設備。

3)泵管堵管多數發生在始發井區域，采用泵送出渣工藝進行長距離掘進時，可在始發井增設中繼泵，確保渣土長距離泵送性能。

4)在混凝土拖泵額定功率一定的情況下，土倉內的渣土改良效果是決定泵送出渣期間盾構機掘進效率的關鍵。因此，采用泵送工藝進行出渣時，需按實際地層狀況控制土倉壓力，使其與掌子面壓力相匹配，以改善渣土改良效果，提高泵送出土效率。

5)渣土泵送工藝主要適用于黏粒含量約為15%～20%的土層，其經過加水稀釋后具有良好的攜渣能力和潤滑效果，具備良好的可泵性，泵送出渣速度快且過程流暢。對于黏粒含量較大的地層，應重點控制盾構機土倉渣土改良效果;對于黏粒含量較小的土層(黏粒含量＜15%～20%)，可適當增大渣土含水量，注意保持連續泵送，避免堵管;對于純砂、砂卵石、巖石等地層，則不建議使用該工藝。因此，施工前應注意做好地層渣樣分析，以確定渣土泵送工藝的適用性。