大直徑泥水平衡盾構輔助氣壓工法應用研究

摘要：輔助氣壓掘進工法在國內盾構施工中常被用于土壓盾構掘進“上軟下硬”地層和埋深較大、裂隙水發育的地層，以及富水、氣密性好的復合地層。在泥水盾構掘進中采用輔助氣壓掘進工法的案例較少，本文結合河南城際鐵路大直徑盾構項目全斷面黏土層氣密性好等工程特點，嘗試在黏土層掘進施工中采用泥水盾構輔助氣壓法掘進工法，應對刀盤結泥餅，使各項參數發生變化，導致結果惡化、施工效率降低等問題，有效降低了刀盤結泥餅的概率，提升了施工效率，為類似地層大直徑泥水盾構施工提供了參考意義。

關鍵詞：泥水盾構；輔助氣壓掘進；黏土層；結泥餅

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A" 文章編號：

Application of Auxiliary Pneumatic Construction Method for Large Diameter Mud-Water Balanced Shield

Abstract：In domestic shield construction， auxiliary pneumatic tunneling method is often used in the earth pressure shield tunneling of \"soft above and hard below\" strata，strata with large buried depth and fissure water development， and composite strata with rich water and good air tightness.There are few cases in which auxiliary pneumatic tunneling method is used in mud shield tunneling，in this paper，combined with the engineering characteristics of the large diameter shield project of Henan Intercity Railway，such as good air tightness of the clay layer in the whole section，we try to adopt the auxiliary pneumatic tunneling method of mud-water shield tunneling method in the construction of clay layer，so as to deal with the problems such as the change of various parameters caused by the mud cake，resulting in the deterioration of results and the reduction of construction efficiency，the probability of mud cake formation is effectively，the construction efficiency is improved，and the reference significance is provided for the construction of large diameter mud-water shield in similar strata.

Keywords：mud-water shield;auxiliary pressure driving;clay layer;mud cake

0 引言

泥水平衡型盾構機由于施工過程中掌子面壓力波動小，相對土壓平衡盾構壓力控制精度高，能有效控制地表沉降，保持地層穩定[1]，使其被廣泛應用于各類軌道交通及穿越江、河、湖、海等隧道建設中。盾構機在黏土層類地層掘進時，由于切削掉的泥渣黏結聚積成團逐漸附著于刀盤上，使刀盤孔眼堵塞、開口率減小，造成結泥餅[2]，在泥水循環過程中，造成流量波動進而影響開挖面平衡壓力波動、泥漿滯排、刀盤切削效率降低、掘進參數不達標等[3]，如果不及時處理，會惡性循環，造成巨大損失。因此，泥水盾構在此類地層采取措施預防刀盤結泥餅至關重要。

1 工程概況

河南城際鐵路工程連接鄭州南站與鄭州機場兩大交通樞紐，是河南“米”字型高鐵的關鍵聯絡線，也是河南省“一帶一路”綜合交通樞紐和中原城市群軌道交通網的重要組成部分。全線全長7.6 km，其中盾構隧道全長3.8 km，為單洞雙線圓形隧道，采用一臺開挖直徑12.8 m的泥水平衡盾構機進行施工，隧道斷面外徑 12.3 m，內徑11.3 m，隧道下穿三官廟鎮淺覆土建筑物群；盾構隧道與南水北調總干渠相交并以85度角斜下穿南水北調總干渠工程。盾構隧道長距離穿越粉質黏土含鈣質膠結地層，洞身范圍內從上至下依次為粉砂、粉質黏土、細砂層，其中80%為粉質黏土層，20%為粉砂、細砂層，盾構隧道洞身大部分處于粉質黏土層中，顆粒較細，易造成盾構刀盤結泥餅及堵倉、滯排等。隧道拱頂埋深10.26 m～31.07 m，地下水豐富，基本處于潛水—承壓水中。

2 輔助氣壓工法應用

在土壓平衡盾構機中，多采用半倉掘進，在開挖倉內上半部打開保壓系統注入一定壓力的壓縮空氣，實現輔助氣壓掘進以加強排渣。泥水平衡盾構機工作原理與土壓盾構機不同，根據盾構機排漿方式及管路布置的不同，一般將泥水平衡盾構機分為直接式與間接式。直接式泥水平衡盾構機操作控制較為簡單，通過計算得出的地層壓力值可以通過盾構機自帶的保壓系統控制器進行設定，設定后保壓系統可以根據設定值自動調節壓力，保持開挖面壓力值穩定，即使波動較大也可快速自動調整回設定值，因此廣泛應用于國內外大直徑盾構隧道或對沉降控制要求高的盾構隧道[4]。間接式泥水平衡盾構機在掘進時前倉一般注滿泥漿保持飽和狀態下掘進，需要盾構機操作人員在掘進過程中手動調節泵的轉速與通向開挖倉的閥門開度來控制泥漿流量進而穩定開挖倉壓力，調節過程對操作人員要求較高。一般常用的泥水平衡盾構機以間接式為主，本工程因下穿各類風險源較多，對控制精度要求高，采用間接型泥水平衡盾構機運行施工。

2.1 輔助氣壓工法應用背景

開挖倉注滿泥漿，采用飽和泥漿掘進，在全斷面黏土層掘進一段距離后，由于掉落的泥渣無法完全排出，導致聚積成團，部分黏附在刀盤上，泥渣過多導致刀盤泥餅增多，使各項參數發生變化，導致結果惡化。一般情況下為保證掘進效率，需要階段性帶壓進倉清理泥餅后再恢復掘進，此工程在帶壓進倉清理刀盤泥餅后恢復掘進參數變化情況如圖1所示。

由圖1可知，在盾構掘進一段距離后，掘進參數變化明顯，推力逐漸增大，在推進25環后，推力增大20 000 kN～90 000 kN，上漲約4倍～5倍，掘進速度由0.42 mm/s下降至0.083 mm/s～0.167 mm/s，扭矩隨速度變化波動。泥水平衡盾構機在黏土層采用滿倉泥漿掘進存在以下問題。

1） 隨著掘進距離增加，泥團聚積黏附在刀盤上越來越多，甚至部分開口直接堵塞，導致泥漿無法正常攜渣進行環流，嚴重影響施工效率。

2） 速度降低后，切削下的渣土不能有效分離，會逐漸溶解至漿液中，泥漿中細顆粒增多，漿液比重增大，不僅導致泥漿處理能力下降，還會導致泥漿攜渣能力下降，進一步降低掘進效率。

3） 設備長期高負荷工作，主機、刀盤發熱量增加，泥餅越結越多、越硬，形成惡性循環。

4） 掘進效率降低后，刀盤在低速下長期空轉，易造成超挖，影響開挖面及周邊穩定。

2.2 輔助氣壓法工法施工應用

采取輔助氣壓法掘進的前提條件是保證掌子面土體穩定，在控制壓力下保持沉降量不超標[5]，不發生塌陷。本工程在盾構穿越南水北調段埋深約32 m，在完成穿越南水北調影響范圍后采用輔助氣壓工法掘進。

2.2.1 輔助氣壓工法原理

泥水盾構采用輔助氣壓掘進是將壓縮空氣填充前倉上半部與下半部的泥漿以平衡掌子面、盾構三大密封系統的油脂。通常情況下，壓縮空氣的流速大于泥漿的流速，泥漿的流速大于渣土的流速。刀盤切削土體，出現空隙后，壓縮空氣與泥漿會立即對空隙填充，通過泥漿環流控制泥漿液位處于一定范圍內，泥漿液位以上壓縮空氣會逐漸逼退泥漿占有的空間，將開挖倉與氣墊倉再進行連通后，開挖倉泥漿液面也填充為壓縮空氣。

壓縮空氣具備一定壓力，除了與泥漿能共同維持掌子面穩定外，壓縮空氣進入盾體與開挖輪廓間隙，抵抗地下水、土壓力，同時也平衡盾構機外密封系統。

2.2.2 輔助氣壓工法實施過程

采取輔助氣壓法掘進原理是通過泥水盾構機獨有的壓縮空氣控制系統（SAMSON系統）設定壓力，然后利用平衡閥將氣墊倉、開挖倉管路連通，利用SAMSON系統將空氣壓縮機提供的氣源供氣，將開挖倉上部的泥漿通過管路排出，注入壓縮空氣，下半部仍為泥漿，液位可根據上位機顯示界面查看并通過環流調節。

壓力設定：應根據工程特性進行設定，結合本工程掌子面開挖直徑與埋深條件，盾構機頂部與中部壓力差約6 Pa；液位控制在腰線以上1 m～2 m，利用泥漿為維持掌子面穩定，開挖倉上半部壓力設定值與開挖倉掘進中泥漿線壓力值持平，此時氣墊倉液位與開挖倉相同。

通過盾構機上位機顯示界面與開挖倉布置的壓力傳感器可以實時監測開挖倉壓縮空氣與泥漿壓力變化。

僅在全斷面黏土層及氣密性良好的地質條件下使用輔助氣壓掘進，應注意以下幾點。

1） 為保證掌子面穩定，泥漿液位設定在腰線以上1 m～2 m。

2） 保證連通管路完全開啟，若未完全開啟，會在開挖倉形成氣泡，影響排渣效果。

3） 應時刻關注監測數據及地表沉降值的變化。

4） 應保持泥漿池與盾構機積極聯動，輔助氣壓工法使用后應持續觀察泥漿池出渣效果是否發生變化。

2.2.3 輔助氣壓工法應用效果

通過切換為輔助氣壓法掘進后，速度逐漸在30 min內增加至0.33mm/s～0.67mm/s，扭矩與推力均有明顯下降，如圖2所示；將掘進模式調整為輔助氣壓掘進后，出渣黏土塊明顯增加，如圖3所示，出渣效果變化明顯。

采用輔助氣壓法掘進后，地表沉降值略有明顯變化，其總體處于規范控制值內，采用輔助氣壓掘進地表沉降監測值如圖4所示，最大沉降值僅為-7 mm。

3 輔助氣壓工法應用效果分析

3.1 輔助氣壓工法施工特點

前倉用壓縮空氣替換泥漿后，刀盤背部與沖刷管路之間缺少了泥漿阻隔，使沖刷的泥漿通過循環的沖刷管路可直接對刀盤背部進行沖洗，客觀上加強了沖刷效果，有助于延緩泥餅的黏結。

上半部掌子面因沒有泥漿，無法形成泥膜進行泥漿護壁，刀盤對掌子面開挖切削后，失去泥漿包裹的渣土更加容易掉落，有利于出渣；另一方面，隨著掘進速度的提高和趨于穩定，出渣渣塊體積也趨于一致，更易排出。

開挖面上半部填充壓縮空氣后上半部壓力相同，相當于降低了部分掌子面壓力，只在氣密性良好的黏土層適用，客觀上降低了推力。

經實踐檢驗，壓縮空氣與泥漿的交界面在液位波動過程中，一定程度上對刀盤起到了沖刷作用。

3.2 輔助氣壓工法控制要點

該工程切換輔助氣壓法掘進后，各項掘進參數穩定，最大日進尺20 m，但由于開挖上半部沒有泥漿護壁，刀盤轉動時可能直接沖刷到掌子面，掌子面易受擾動。另外輔助氣壓模式掘進由于降低了倉壓，所以需在地層變換時及時改變掘進模式，防止出現掌子面失穩、坍塌。

停機時需注意：因工序原因，泥水平衡盾構機在連接管路時必須周期性停機，而輔助氣壓法掘進開挖倉上半部被空氣填充，沒有泥漿保護的掌子面泥膜易被破壞。該工程根據實際情況一般設定停機時間超過2 h即進行建倉，將開挖倉充滿泥漿。

壓力與液位控制：因倉壓可直接反應與掌子面接觸情況，巨大的倉壓波動可能是掌子面失穩的征兆。因此，為保證掌子面穩定，倉壓瞬時波動超過±3 Pa或液位瞬時波動超過±1 m出現，即認為出現較大波動，立即恢復建倉，對開挖倉用泥漿填充。

出渣量監測：當泥水處理中心出渣發生變化時可能是地質情況出現變化，應評估是否繼續利用輔助氣壓工法進行掘進，出渣量的變化也應及時調整，因為出渣量過多可能是出現超挖，必須及時進行控制。

應加強監控量測各項參數，尤其是倉壓、液位的波動情況，注意觀測地面沉降值，如發現異常及時恢復間接式泥水平衡循環。應提前對線路進行勘察，若發現孔ny洞及可能漏氣的通道，應及時進行封閉。

4 結論與建議

在全斷面黏土地層及氣密性、自穩性良好的地層中，輔助氣壓工法掘進能提高施工效率，且將沉降值控制在可控范圍內，有效提高了施工效率，該工程經驗可為類似工程提供經驗。

1） 地層適應性是本工法使用的前提條件，因此地層氣密性、自穩性滿足要求是采用泥水盾構輔助氣壓法的前提條件。當地質條件發生變化時，應立即切換回飽和泥漿狀態進行掘進。

2） 參數控制：需要重視掘進參數、監測數據等變化情況，當發生異常時，應及時進行調整。

3） 液位控制：為保證掌子面穩定，應將液位始終控制在超過腰線1 m～2 m范圍內。

4） 泥水處理中心聯動：應重視與泥水處理中心聯動，出渣變化會直接通過泥水篩分設備反應，當發生變化時應及時調整。

5） 應保證同步注漿填充性，避免氣體從掌子面前方溢流至后方導致掌子面壓力失穩。

參考文獻

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