砂卵石地层气垫式泥水盾构的优化

杨爱军，张宁川，王杜娟，曾垂刚

(1.中铁隧道装备制造有限公司，河南 郑州 450016;2.中铁隧道集团股份有限公司，河南 郑州 450003)

0 引言

自1964年英国人申请泥水加压平衡盾构掘进机原理专利之后，泥水盾构就不断地被用在不同的项目上，同时也取得了良好的业绩。随着不同工程的使用，设备和施工工艺不断改进，基本上形成了间接控制(气垫式泥水盾构或称欧洲模式)和直接控制(日本模式)2类比较典型的泥水盾构。从目前泥水盾构发展情况来看，由于土压盾构自身不断地完善，以前只能用泥水盾构施工的工程有部分被土压盾构所取代;再者，由于泥水盾构自身的一些问题(如成本高，在卵石地层、漂石地层出碴困难等)，泥水盾构的使用受到限制［1］。目前，在施工中气垫式泥水盾构和无气垫式泥水盾构都有使用，而且各有所长，但考虑国内情况，大多地质探测不是十分准确，用气垫式泥水盾构会有更好的适应性。为了扩大气垫式泥水盾构的使用范围，需要对气垫式泥水盾构进行研究。文献［1－3］介绍了泥水盾构在成都地铁使用中遇到的问题及采取的处理办法，并对出现的问题进行了分析;文献［4］对泥水盾构的开挖机制进行了说明，对开挖掌子面的稳定提出了一些见解;文献［5－8］对泥水盾构的泥水循环和泥水处理进行了一些探讨;文献［9－11］对隧道规范和泥水盾构发展方向作了一些说明和预测。文献［1－5］提到的方法在成都地铁1号线盾构4标右线隧道泥水平衡盾构的施工中得到了一些实施，同时也起到了一些效果，但要彻底解决气垫式泥水盾构存在的问题，需要做比较大的改进。本文通过对气垫式泥水盾构施工中存在问题的分析和探索，初步提出一些改进措施。

1 使用情况和问题分析

从成都地铁4标试验段使用气垫式泥水盾构施工来看主要问题有:1)堵塞。主要堵塞部位有气垫仓吸浆口、排浆泵、排浆管弯头处等，表现在排浆泵排浆流速急速下降，管路或排浆泵发出强烈的石块撞击泵壳的声音。2)碎石机故障。主要集中在油缸油管断裂、碎石机销子脱落，表现在碎石机停止工作后不能及时破碎卵石。

通过对以上问题的分析，认为现有气垫式泥水盾构机主要存在以下问题:

1)气垫仓内泥浆通过的横断面面积大，泥浆流速低，大块的卵砾石很难被泥浆携带运出，经常堆积在泥浆门及破碎机前造成堵塞，最后不得不中断掘进。就国内目前的施工实例来看，欧洲气垫式泥水盾构的平衡压力控制精度高，对各种地层的适应性广;但在卵砾石和风化岩地层中，却经常因泥浆输送堵塞而影响掘进施工。

2)破碎机在超负荷状态下，有效使用寿命短、故障率高。

3)泥浆门的关闭方式存在一定不足，如泥浆门因卵石堆积而关闭困难及关闭操作程序复杂等，在每次需要检查碎石机或其他气垫仓的部件时，需要工作人员带压关闭泥仓门，存在一定的施工风险。

如果能够改进上述问题，则气垫式泥水模式盾构将会有很好的使用前景;同时，由于国内穿越江河湖海的隧道很多，上述问题的解决将有助于加快国内隧道的建设及保证工程的安全。

2 改进措施

2.1 增加主机段循环

2.1.1 结构设计改进

为提高砂卵石地层的气垫式泥水盾构的适应能力，就必须提高格栅前面碴土的流动能力，可以采取的措施是加大进浆泵1和排浆泵14的流量 (见图1)。改进以前基本的泥水循环方式如图1所示。从进排浆泵考虑无疑需要增加泵的体积和功率，而且长距离流动对管路能耗的控制会提出更高的要求。为此，在主机段增加一个循环泵来加大底部出口的流量，以此来提高泥浆的携碴能力，减少在格栅处的堆积，从而提高气垫式泥水盾构的工作效率。不改变气垫式泥水盾构原有的泥浆循环系统，仍保持原泥浆循环系统进浆及携带碴土排浆功能，只是在此基础上，在盾构主机内增设一个辅助循环系统，该系统 (见图2)由吸浆管18、吸浆管闸阀19、泥浆泵组20、进浆管21、进浆管闸阀22以及其他部分组成。吸浆管18的吸浆口布置在气垫仓隔板上，位于原泥浆循环排浆吸口的上方，吸浆管连接闸阀后延至主机后部后配套台架上，与安装在台架上的泥浆泵吸入口连接，泥浆泵输出口连接到泥水仓使泥浆直接回到主机不断循环。

图1 增加辅助循环系统前的泥水管路示意图Fig.1 Sketch of slurry circuit of shield machine before assistant slurry cycling system is added

图2 增加辅助循环系统后的泥水管路示意图Fig.2 Sketch of slurry circuit of shield machine after assistant slurry cycling system is added

2.1.2 改进后计算

增加主机段循环泵(图2中的20)的计算如下:

最小排浆泵流量(开挖直径按6.28 m计算)

式中:d盾为主机段循环泥浆管直径，取0.3 m;v排为主机段循环泥浆管泥浆流速，取2.3 m/s。

盾体泥水管路的循环泵功率

式中:ρ为介质密度，取1 300 kg/m3;g为重力加速度，取9.81 m/s2;H为泵的扬程，取40 m;η为泵的效率，取65%。

2.1.3 改进后预计效果

1)提高了泥水仓与气垫仓底部的泥浆流速。

2)不改变原有进浆泵与排浆泵的流量，不会增加主管路的负担。

3)管路较短，扬程损失少。

4)提高了气垫式泥水盾构的使用范围，提高了工作效率。

2.2 增加刀盘中心背部和底部冲刷

2.2.1 结构设计改进

泥水仓和气垫仓底部的冲刷主要是为了防止碴土在底部沉淀，使碴土能及时被搅动浮起，而现有的欧洲模式的气垫式泥水盾构由于底部横截面积比较大，造成底部流速相对比较缓慢，致使在砂卵石地层中泥水底部通道经常被堵，严重影响掘进，同时不得不停机带压进仓进行清理，增加了施工的风险。为了改变这一现象，加快局部冲刷管路，增加局部流速，减少底部碴土堆积，对系统进行了改进。改进后底部冲刷示意如图3所示。

2.2.2 改进后效果

改进后系统增加了中心底部冲刷泵23、底部冲刷管路24、控制闸阀25，达到了以下效果:

1)从进浆泵到泥水仓的泥浆具备一定的流量和压力，但由于距离的原因，对刀盘的冲刷能力非常有限，增加中心底部冲刷泵以后冲刷效果大大改善。

2)底部沉淀的主要原因是过大的卵石粗砂由于流速较慢不能浮起，增加底部向上的泥浆，将会提高底部卵石粗砂的浮力，有效地托起较大的卵石粗砂，从而使过大的卵石粗砂通过泥浆带走。

3)对于不同的地层，可以针对实际情况有选择地开启中心底部冲刷泵或开启对应管路闸阀，泥水仓底部冲刷能有效地将碴土块石托起，在泥水的流动下带入气垫仓，同样气垫仓的底部冲刷能有效地托起底部的堆积。泥水仓和气垫仓底部冲刷剖视如图4和图5所示。

2.2.3 中心冲刷计算

根据中心的冲刷面积，地铁泥水的总进浆量约800 m3/h，其中用于刀盘冲刷的约300 m3/h。从中心区域能够覆盖的面积考虑，中心的用量约100 m3/h。

由流量 Q≈100 m3/h，泵的扬程H=70 m，则泵的功率

式中:ρ为介质密度，取1 100 kg/m3;g为重力加速度，取9.81 m/s2;η为泵的效率，取65%。

图3 底部冲刷示意图Fig.3 Sketch of flushing system

2.3 破碎机的改进

2.3.1 破碎机存在问题

欧洲模式的气垫式泥水盾构在气垫仓设有破碎机(见图6)，开挖的碴土进入第1个排浆泵泵送之前预先经过破碎机，确保大块的卵砾石经过破碎再进入排浆口。但由于气垫仓内泥浆通过的横断面面积大，泥浆流速低，大块的卵砾石很难被泥浆携带走，随着气垫仓控制液位的不断上升和下降，经常堆积在气垫仓下部，破碎机整体被埋在卵砾石碴土中。在至今为止的气垫式泥水盾构破碎机设计中，由于为破碎机鄂板提供动力的左右2根液压油缸直接与左右鄂板铰接，安装位置低，油缸被迫在卵砾石碴土中强行动作，导致油缸各部件过早松动损坏，从而降低了油缸的使用寿命。

图6 改进前破碎机的布置形式Fig.6 Layout of original stone crusher

2.3.2 破碎机改进措施

解决气垫式泥水盾构破碎机油缸在卵砾石碴土中强行动作造成的损坏问题，延长油缸的使用寿命，减少因油缸损坏而带压进仓维修的次数并降低由此造成的工程及人员安全风险，是一个急需解决的问题。

为克服上述现有技术中的不足，彻底解决破碎机油缸在卵砾石碴土中强行动作造成的损坏问题，延长油缸的使用寿命，设计出一种新型的破碎机，其布置形式如图7所示。

图7 改进后破碎机的布置形式Fig.7 Layout of optimized stone crusher

气垫式泥水盾构破碎机油缸防损坏装置，包括与盾构壳体5通过无杆腔端连接的油缸1，位于油缸1下方且与油缸1连接的破碎机鄂板2。其特征在于:在油缸1与破碎机鄂板2之间安装有连杆3，连杆3下端与破碎机鄂板2铰接连接，上端与油缸1活塞杆端连接，同时与摇臂4下端并联铰接连接。

摇臂4上端与盾体壳体5连接，这样破碎油缸在比较高的位置工作，可减少与石块碰撞的次数，能有效提高使用寿命。

油缸防损坏装置中所述的连接关系均为铰接连接，且铰接在连接点配置自动润滑油脂注入系统。

2.3.3 改进后优点

结构设计简单，解决了现有破碎机装置动力油缸易损坏问题。由于该油缸在隧道地下的盾构设备与开挖面相连带泥水压力密闭结构中工作，工作环境恶劣，原位置的维修空间狭窄，维修过程必须采取的辅助过程繁杂，一旦损坏会极大影响隧道的施工进度，完全不同于在地面上的设备的工作及维修环境条件。通过改进破碎机布置形式，可以避免破碎机动力油缸损坏造成的盾构设备的完好率和利用率降低问题，同时还可避免由于维修开仓时开挖面坍塌的风险。解决了气垫式泥水盾构气垫仓内下部安装的破碎机驱动油缸在带压力及泥浆卵砾石碴土动作中易冲击、磨损和损坏问题，以及提供更宽敞和较安全的维修空间，减少了破碎机发生故障的概率，从而保证盾构设备的完好率及掘进施工进度。

3 结论与讨论

1)在目前气垫式泥水盾构的基础上增加主机段循环，极大地增加了主机段的泥浆循环速度，提高了泥浆携带砂卵石的能力，同时不用增加进浆和排浆的管路和泵的功率，减少了进排浆管路的堵塞。

2)增加刀盘中心可以有效地防止刀盘中心接泥饼现象，同时加快中心部位碴土的流动速度，有利于提高掘进速度;增加底部冲刷可以有效防止较大直径卵石在泥水仓和气垫仓底部的沉淀，防止底部卵石堆积，影响泥浆的流动通道。

3)新的破碎机的布置形式有利于提高盾构设备的使用寿命，减少维修次数，降低施工成本和风险。

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