陳恤良 廣東水電二局股份有限公司

黃德榮 廣東華隧建設(shè)集團(tuán)股份有限公司

1.概述

珠江三角洲水資源配置工程土建B2標(biāo)，隧道采用3臺(tái)Φ8.63m（干線）和3臺(tái)Φ4.43m（支線）的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工。本項(xiàng)目工程新建工作井最深66.52m。與地面泥水處理系統(tǒng)落差高達(dá)76m左右。在盾構(gòu)始發(fā)過程中，泥水倉的靜止壓力高達(dá)7.2bar左右。對(duì)盾構(gòu)機(jī)洞門密封裝置及始發(fā)時(shí)后配套反力體系造成極高的負(fù)載。在本工程其它項(xiàng)目出現(xiàn)了洞門密封橡膠簾布失效導(dǎo)致洞門涌水淹沒盾構(gòu)機(jī)及反力架及反力架支撐傾覆失效等現(xiàn)象。同時(shí)始發(fā)時(shí)，由于高落差的環(huán)流管路較短。因泥水站與高落差始發(fā)工作井造成非常明顯的水錘效應(yīng)。容易造成泥水倉建倉爆倉、環(huán)流管路頻繁的沖墊等現(xiàn)象。針對(duì)該問題，需對(duì)泥水倉內(nèi)重新設(shè)計(jì)泄壓消能裝置及平衡掘進(jìn)方式。

2.泥水環(huán)流系統(tǒng)原理

本工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)及其后配套工程機(jī)械設(shè)備進(jìn)行隧洞掘進(jìn)施工，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)及施工技術(shù)是一種國際上比較成熟和先進(jìn)的隧道施工技術(shù)。其原理如圖1所示，是通過采用加壓泥水或泥漿(通常為膨潤土懸浮液)來穩(wěn)定開挖面，在機(jī)械式盾構(gòu)的刀盤的后側(cè)，其刀盤后面有一個(gè)密封隔板，把水、粘土及其添加劑混合制成的泥水，經(jīng)輸送管道壓入泥水倉，待泥水充滿整個(gè)泥水倉，并具有一定壓力，形成泥水壓力室及泥膜支撐掌子面，開挖土料與泥漿混合由泥漿泵輸送到地面泥漿處理系統(tǒng)，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀盤切削下來的土砂經(jīng)攪拌裝置攪拌后形成高濃度泥水，用泥漿經(jīng)泥漿泵送到地面泥水分離系統(tǒng)，將碴土、水分離后重新送回泥水倉，經(jīng)泥漿處理等一系列設(shè)備分離、調(diào)置后泥漿重復(fù)循環(huán)使用。

圖1 泥水平衡盾構(gòu)原理示意圖

3.環(huán)流消能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目始發(fā)工作井為小圓形地連墻+混凝土襯砌結(jié)構(gòu)組成，工作井主要特別是高埋深，小空間，盾構(gòu)始發(fā)及掘進(jìn)較困難。根據(jù)泥水平衡盾構(gòu)的特點(diǎn)，為克服小空間、高埋深、大水壓條件下泥水盾構(gòu)的始發(fā)掘進(jìn)作業(yè)任務(wù)上的困難。對(duì)原設(shè)備基礎(chǔ)上提出泥水消能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，消能環(huán)流系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 泥漿消能環(huán)流管路設(shè)計(jì)示意圖

針對(duì)長距離泥漿環(huán)路排漿管會(huì)磨損較為嚴(yán)重，同時(shí)始發(fā)工作豎井更換新的泥漿管較困難，在始發(fā)安裝時(shí)即在井壁再增加兩排無縫鋼管作為備用管[1]。并在處理高埋深、大水壓條件下的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)始發(fā)、掘進(jìn)過程環(huán)流對(duì)盾構(gòu)造成較大的負(fù)載問題時(shí)，利用備用管及在環(huán)流管路上重新設(shè)計(jì)安裝一套安全消能專項(xiàng)設(shè)置裝置見圖3，在始發(fā)工作井壁上，在本來需要的一進(jìn)漿一排漿管的基礎(chǔ)上，現(xiàn)進(jìn)漿時(shí)將兩排備用排漿管與進(jìn)漿管一并串聯(lián)，備用管開始時(shí)與進(jìn)漿管對(duì)接，同時(shí)特制一條消能管。消能管采用鋼板對(duì)焊，安裝在進(jìn)漿管處。在掘進(jìn)環(huán)流時(shí)，泥漿從泥水站出發(fā)，經(jīng)過備用管、消能管對(duì)沖，降低泥漿下落的壓力。顯著減少盾構(gòu)機(jī)深豎井始發(fā)時(shí)的水錘效應(yīng)及沖墊等效應(yīng)，防止始發(fā)時(shí)爆倉破壞洞門止水密封。

圖3 消能裝置設(shè)計(jì)安裝示意圖

特制的消能裝置（圖4）有一主路和一旁路，主路安裝一個(gè)以上閘閥，旁路為內(nèi)部采用厚10mm鋼板隔固定250mm間距對(duì)焊組成。始發(fā)時(shí)關(guān)閉主路閘閥，主要為使用旁路，對(duì)高落差下落的泥漿進(jìn)行緩沖及消能。降低水錘效應(yīng)的影響和瞬間突變的泥水倉高壓對(duì)洞門密封造成破環(huán)導(dǎo)致穿倉。

圖4 消能管制作示意圖

同時(shí)，在始發(fā)掘進(jìn)結(jié)束后，隨著管路的延長，在環(huán)流參數(shù)步入正常后。即可打開閘閥，提高環(huán)流的流量，提高掘進(jìn)效率。改造取消備用管接入（圖5）。保證正?？焖倬蜻M(jìn)所需要的泥漿流量。

圖5 取消消能裝置設(shè)計(jì)示意圖

4.加強(qiáng)型始發(fā)洞門密封裝置

針對(duì)盾構(gòu)始發(fā)時(shí)存在的靜止泥水倉高水頭壓力的情況[2]。洞門密封采用雙特制洞門密封刷+短鋼套筒+雙簾布式設(shè)計(jì)，并輔以充足的注漿（9路）、注脂（9路）預(yù)埋管路。如圖6所示，考慮盾構(gòu)機(jī)可能存在的始發(fā)盾機(jī)栽頭現(xiàn)象，為防止預(yù)埋鋼環(huán)抵死刀盤導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)無法推進(jìn)，將預(yù)埋鋼環(huán)修改為階梯式。將盾尾刷焊接在鋼環(huán)凹入面內(nèi)。洞門密封刷采用經(jīng)特定廠家測(cè)試過的能耐高壓8bar的洞門長密封刷。同時(shí)在鋼環(huán)內(nèi)焊接時(shí)，焊接避開刀盤回轉(zhuǎn)區(qū)域和預(yù)留密封刷活動(dòng)區(qū)域。洞門前方同時(shí)再接兩套短鋼套筒輔以安裝2套雙橡膠簾布進(jìn)行洞門密封。

圖6 改進(jìn)洞門密封裝置設(shè)計(jì)示意圖

在刀盤推過密封刷前，洞門密封刷內(nèi)部預(yù)先采用手抹油脂密封，在刀盤通過密封刷已裹住筒體的時(shí)候。采用盾尾油脂泵按一泵接2管的配置往雙密封刷內(nèi)腔注入盾尾油脂達(dá)到8bar壓力進(jìn)行二次密封。再輔以雙橡膠簾布密封，如圖7所示。

圖7 洞門密封腔注入密封油脂裝置設(shè)計(jì)示意圖

在盾構(gòu)始發(fā)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)流前，雙密封刷內(nèi)腔注入盾尾油脂后。洞門密封刷內(nèi)部泥水倉位置，針對(duì)在刀盤破洞門連續(xù)墻時(shí)可能存在的瞬間壓力提升對(duì)洞門密封造成破壞而穿倉的安全隱患，利用預(yù)埋注漿管路再接一整套洞門密封刷裝置輔助泄壓消能裝置，如圖8所示，利用在洞門鋼環(huán)預(yù)埋的內(nèi)部注漿管，接入球閥、監(jiān)控壓力的壓力表和一個(gè)設(shè)定值最高為6bar的泄壓閥，管接出一個(gè)廢漿收集箱（安裝一個(gè)渣漿泵）與盾構(gòu)機(jī)上的廢漿回收裝置接在一起。同時(shí)在泄壓閥前接入應(yīng)急注漿泵，在洞門拼裝管片后仍出現(xiàn)洞門泄露的情況下，加注聚氨酯。

圖8 洞門輔助泄壓消能裝置設(shè)計(jì)示意圖

5.半倉消能掘進(jìn)模式

盾構(gòu)正常掘進(jìn)后，隨著管路的延長，環(huán)流延程壓力損失不斷提高，因而工作井高埋深、大水壓對(duì)后期掘進(jìn)時(shí)管路、環(huán)流的破壞性安全因素在減少[3]。但盾構(gòu)掘進(jìn)過程中泥水倉靜止泥水壓力大，導(dǎo)致本項(xiàng)目配置的泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)推進(jìn)負(fù)荷大，設(shè)備各分項(xiàng)系統(tǒng)尤其盾構(gòu)機(jī)上的推進(jìn)系統(tǒng)及后方支撐管片的負(fù)載增大，對(duì)盾構(gòu)機(jī)施工工況亦存在不利條件。經(jīng)過項(xiàng)目組多次分析并研究本項(xiàng)目配置的氣墊倉-直排式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)及設(shè)備條件，在研究并借鑒TBM（全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)）的掘進(jìn)模式并結(jié)合以往土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)模式的經(jīng)驗(yàn)。重新研究并設(shè)計(jì)采用一種新型的氣壓輔助降壓消能模式的泥水盾構(gòu)推進(jìn)模式（圖9）。對(duì)優(yōu)化和改善盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)，使盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)及切削狀態(tài)良好，并降低高水壓下掘進(jìn)的設(shè)備負(fù)載。

圖9 氣墊式泥水盾構(gòu)平衡原理圖

本項(xiàng)目采用的是中鐵裝備新型研發(fā)的直排-氣墊倉式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，該盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，可以開啟系統(tǒng)配置的氣墊倉配合薩姆森系統(tǒng)用于維持盾構(gòu)機(jī)內(nèi)泥水倉平衡。泥水盾構(gòu)采用（泥漿膨潤土懸浮液）作為支護(hù)材料。氣墊-直排式泥水盾構(gòu)具備兩個(gè)倉室：泥水倉和氣墊倉，兩者通過聯(lián)通管互通。氣墊倉中心線以上部分充滿壓縮空氣，形成空氣緩沖層，氣壓作用在氣墊倉內(nèi)的泥漿接觸面上，由于接觸面上氣、液具有相同壓力，因此只要調(diào)節(jié)空氣壓力，就可以確定和保持在開挖面上相應(yīng)的泥漿支護(hù)壓力。

半倉消能掘進(jìn)模式結(jié)合TBM及土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)模式，啟動(dòng)前將泥水倉逐步上部與大氣連通，使氣體進(jìn)入泥水倉上部，泥水倉液位逐漸下降，對(duì)盾構(gòu)機(jī)上部平衡支撐，在氣壓-泥水壓壓力達(dá)到與支護(hù)層水土自然平衡狀態(tài)，即氣壓-泥水壓-氣墊倉滿足達(dá)到掌子面支護(hù)平衡的條件下，在拼裝條件下，盾體摩擦力與泥水壓力自然平衡，在推進(jìn)模式下，亦減輕了掘進(jìn)時(shí)需克服的阻力，優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。同時(shí)，泥土倉液位長期處于中間位置取漿管沖刷，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，不易產(chǎn)生結(jié)泥餅現(xiàn)象，P0泵的沖刷效果亦良好。

6.結(jié)束語

該系統(tǒng)成功保證盾構(gòu)始發(fā)過程不出現(xiàn)涌漿涌砂現(xiàn)象。對(duì)泥漿、廢漿全部重新回收利用，對(duì)自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境起到一定的保護(hù)作用。同時(shí)能減輕設(shè)備負(fù)載，減少設(shè)備故障率。降低設(shè)備能耗和油脂等的使用量，從側(cè)面減輕了操作人員的負(fù)擔(dān)，減輕材料的使用量。并且本系統(tǒng)中部分裝置比如設(shè)計(jì)研發(fā)的新型洞門密封裝置及高耐壓密封刷等裝置被全線學(xué)習(xí)并在其它工程里推廣應(yīng)用。