超大直徑泥水盾構機刀盤沖刷軟管破裂后處理方法研究

盛正楊

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京）

引言

隨著我國城市化發展進程的加快，在城市公路、地鐵、管廊等地下施工建設中盾構隧道也將得到越來越多的應用[1-3]。超大直徑泥水盾構機因其適用于各種復雜地層的施工特點逐漸被人們所采納，但具備常壓換刀功能的超大直徑泥水平衡盾構機刀盤在掘進過程中容易出現開挖倉泥漿泄露進入中心錐現象，導致盾構機停止掘進，降低盾構施工效率。

本文主要依托于南京某過江通道隧道盾構施工項目超大直徑泥水盾構機刀盤沖刷軟管破裂后處理方法進行研究，為后續國內超大直徑泥水平衡盾構施工提供相關經驗。

1 工程概況

1.1 工程概況

南京某過江盾構項目管片設計外徑14.5 m，內徑13.3 m，盾構段最大縱坡為4.5%，最小轉彎半徑為1 100 m。江中段最小覆土厚度10.55 m，江中最大壓力達7.7 bar，隧道施工采用1 臺15.07 m 超大直徑泥水平衡盾構機進行施工。

1.2 工程地質

根據工程地質勘察報告，盾構段穿越主要地層有粉砂層、上軟下硬砂卵石復合層、上軟下硬土巖復合層和粉質黏土層。在地層中主要含有粉砂、圓礫、中（強）風化泥質粉砂巖夾礫巖、斷層破碎帶（泥巖+白云巖）、粉質黏土夾粉砂等。

2 刀盤滾刀沖刷軟管破裂問題分析

2.1 刀盤滾刀沖刷軟管破裂問題描述

盾構施工至江底停機保壓期間（此環水深29.96 m，覆土厚度16.56 m，斷面地層為圓礫和礫砂層，切口壓力5.80 bar，氣泡倉6.80 bar），突然出現液位下降現象，20 min 內液位下降約2 m，此時由監控中發現中心錐內有泥漿上漲至換刀平臺處，并且在刀盤中心刀附近有泥漿持續噴出。約1 h 左右監控畫面信號中斷，中心錐觀察口已無法觀察到內部情況。

根據監控中刀盤中心錐中心刀附近泥漿噴出量（詳見圖1），結合前期中心錐內常壓滾刀沖刷軟管鼓包并更換分析，中心錐內泥漿泄漏應為軟管爆管或接頭松動。

圖1 刀盤中心錐中心刀附近泥漿噴出

2.2 刀盤與中心錐設計

本臺盾構機刀盤具備常壓換刀功能，人員可常壓由中心錐進入刀盤主臂內部，在刀盤主臂內部進行刀具的檢查或更換作業[4]。刀盤面板和常壓滾刀沖刷系統通過中心回轉體穿過中心錐，使沖刷管路分布于刀盤各個主臂間進行刀盤面板和常壓滾刀的沖刷（詳見圖2）。

圖2 刀盤與中心錐設計剖面圖

2.3 刀盤滾刀沖刷軟管破裂后修復辦法分析

中心錐內充滿泥漿，壓力高達6.7 bar，由于中心錐內部滾刀沖刷軟管持續泄露，現場通過中心錐外壁DN50 和DN100 管路進行排漿泄壓，已無法降低中心錐內壓力，同時機修人員已無法進入中心錐內進行處理。根據以上情況分析，得出以下兩種處理方案。

2.3.1 潛水員帶壓進倉修復

通過氣墊倉升降液位的方式，降低中心錐內壓力至5 bar 以下，潛水員用過中心錐物料運輸通道進行加壓進入中心錐內，手動關閉破裂的刀盤滾刀沖刷軟管前端球閥，完成后潛水員再通過中心錐物料運輸通道減壓離開中心錐。此時即可通過中心錐外壁DN50和DN100 管路進行排漿泄壓直至常壓，再由機修人員進入更換破裂的軟管。

2.3.2 向開挖倉注入聚氨酯堵漏修復

根據盾構機設計，刀盤滾刀沖刷軟管直接連通開挖倉到達滾刀刀頭位置。聚氨酯的注入需通過盾體外壁中下部連通開挖倉的管路向內注入，由于此管路出口位于刀盤背部，則需要向開挖倉注入大量聚氨酯，聚氨酯發泡后使其可填充開挖倉上部空間[5]，通過中心錐泄壓后泥漿回流的原理，對刀盤中心滾刀軟管沖刷口進行堵漏。漏漿點封堵完成后，通過中心錐外壁DN50 和DN100 管路進行排漿泄壓直至常壓，再由機修人員進入更換破裂的軟管。

考慮人員作業安全性，降低施工風險，優先選擇向開挖倉注入聚氨酯進行堵漏修復。

3 刀盤滾刀沖刷軟管破裂處理過程

3.1 主驅動內密封增加背壓

本臺盾構機主驅動內密封設計為4 道唇形密封（詳見圖3），為防止中心錐內壓力過高導致主驅動內部唇形密封泄露泥漿，將LA 腔、OA 腔、大齒圈腔內連接管路進行獨立加壓，壓力通過氣動三聯件進行調節。中心錐內壓力為0～3 bar 時，三個腔可不進行加壓；當中心錐內壓力為3～7 bar 時，LA 加壓0～3 bar，OA 加壓0.5～3 bar，大齒圈加壓1～3 bar，且需要切斷自動加壓裝置對大齒圈加壓的氣源。

圖3 主驅動密封示意

在LA 腔、OA 腔、大齒圈腔內連接管路進行獨立加壓時，應遵循主驅動密封壓力梯度，以氣墊倉壓力為基準進行調節（主驅動密封梯度詳見表1）。

表1 主驅動密封梯度

3.2 聚氨酯的注入

由于聚氨酯發泡快的特性，在選擇盾體外壁中下部連通開挖倉的管路時，不宜選擇管徑較粗的管路，管徑盡量控制在DN50 以下，本項目選擇DN25 壓力傳感器沖刷管路進行聚氨酯的注入。聚氨酯注入使用1 臺雙螺桿泵，可向開挖倉內大量及高效的注入聚氨酯。聚氨酯注入前，首先使用液壓油進行清洗、潤滑管路，防止管路堵塞。聚氨酯注入完成后，同樣使用液壓油進行清洗、潤滑管路，保證注入管路后續使用中的通暢。

聚氨酯在注入前應進行發泡速率配比試驗，使聚氨酯主劑、促進劑和泥漿混合后發泡時間大于20 min以上，防止注入管路堵塞，同時使聚氨酯注入至開挖倉后具有一定的流動性，可由刀盤背面流動至刀盤前端。

3.3 穩定氣墊倉液位及中心錐排漿

為加強聚氨酯在開挖倉內的流動性，氣墊倉液位通過環流系統持續向氣墊倉內補充漿液，在氣墊倉液穩定的同時通過中心錐外壁DN50 和DN100 管路進行排漿泄壓。如環流系統補漿量較大，則適當降低中心錐泄壓速度[6]。

持續觀察中心錐內壓力變化，根據壓力變化情況進行相關操作。

3.4 增強盾構機內排污系統

由于通過中心錐外壁DN50 和DN100 管路進行泄壓的漿液大量排放至盾體下部，并且持續放漿，容易將盾構機內部設備淹沒，此時需進行增強盾構機內排污系統，如下：

（1）首先在箱涵拼裝區域前端使用沙袋進行制作圍堰，便于泥漿存儲。

（2）盾體排污隔膜泵和應急排污泵排污至污水箱，由污水箱通過隧道內污水管路排至地面。

（3）盾尾處增加兩臺7.5 KW 污水泵以及喂片機后部增加1 臺18.5 KW 污水泵，將盾尾處污水抽至箱涵圍堰存儲區。

（4）圍堰存儲區使用1 臺氣動隔膜泵和1 臺22 KW 污水泵，將污水排至四號臺車污水箱內，通過污水箱泥漿泵排放至進漿管。

通過以上排污系統的建立，并充分使用盾構機排污設備，滿足中心錐漿液排放的需求。

3.5 常壓更換破裂軟管

當環流系統補漿量穩定在50～80 m3/h，中心錐壓力降至0.1 bar 或0 bar 時，嘗試進行開啟中心錐倉門，開啟后首先安裝軸流風機，建立中心錐內通風系統，使用手持氣體檢測儀對中心錐內氣體進行檢測，氣體檢測合格后機修人員進入中心錐內安放7.5 KW污水泵進行排污，并且使用高壓水進行中心錐沖洗，當中心錐內液位降低至換刀平臺時，機修人員可佩帶安全帶進入，關閉刀盤沖刷破裂軟管的球閥。

刀盤滾刀沖刷軟管破裂問題處理完成后，中心錐泥漿內漂浮較多已發泡的聚氨酯顆粒，向開挖倉注入聚氨酯堵漏方案可行，且大大提高施工作業中的安全性。

4 中心錐內部注意事項

4.1 提高中心沖刷軟管的性能

刀盤滾刀沖刷壓力一般約為8～10 bar，滾刀沖刷軟管承壓為17 bar，但沖刷過程中，軟管易產生振動、磨損等現象，易導致管路的破裂，可將滾刀沖刷軟管承壓能力提高至80 bar 以上，降低管路損壞的風險。

4.2 加強中心錐內管路檢查

掘進結束后，機修人員檢查常壓刀具螺栓的同時進行各類中心沖刷軟管的檢查，如有暗傷或損壞現象需及時更換，對沖刷鋼管也應定期進行壁后測量，防止出現砂眼、彎頭磨損等現象。

4.3 避免常壓換刀對沖刷軟管的影響

由于中心沖刷管路分布于各個刀盤主臂內部，在常壓換刀期間，換刀工裝的安放、刀具的吊裝等易對沖刷管路產生磕碰等現象，需提醒常壓換刀人員注意，必要時對易磕碰點進行保護。

4.4 分地層適時開啟沖刷系統

刀盤沖刷系統本質為防止刀盤泥餅的集結而設計，盾構機在粉砂層掘進施工時，可關閉刀盤刀具中心沖刷，僅開啟刀盤面板中心沖刷。

結束語

通過采用向開挖倉內注入聚氨酯堵漏的方案，大大降低了刀盤沖刷軟管破裂后修復的風險，且由于聚氨酯發泡后強度較低，軟管破裂問題處理期間留存在開挖倉內的聚氨酯在后續盾構施工作業中未發現明顯影響。