福州地区泥水盾构施工技术应用

杨 辉，王 涛，张文强

（中交天和机械设备制造有限公司，江苏 常熟 215500）

泥水气压平衡式盾构[1]（简称泥水盾构）是一种利用泥水压力来保持开挖面稳定的特殊盾构，其泥水控制系统和压力调节系统是保证工程顺利进展的关键。其采用泥浆或气压支撑工作面，其工作原理如图1所示。常采用悬浮液泥浆，悬浮液在压力的作用下进入土壤并利用其中包含的固体颗粒封闭隧道工作面，形成一层薄的不透水模，开挖舱中有压力的悬浮液就能平衡工作面上的土压及水压，以使隧道工作面得到很好的支撑。

图1 泥水气压平衡原理

在泥水平衡盾构中起支护作用[2]的液体同时又作为运输的介质，由开挖工具开挖的土料在开挖舱与悬浮液混合，然后，土料/悬浮液的混合物被泵送到地面。在地面的分离厂中悬浮液从土料中分离出来，分离出来的悬浮液添加新的膨润土后再泵回隧道工作面进行循环利用。

泥水盾构按生产国家分为日系、德系和英系[3]，目前使用比较广泛是日系和德系。日系为直接控制模式，由泥浆液体直接支护开挖面并提供维持平衡压力的盾构，德系是间接控制式盾构，其通过支护液体的压力插入一个空气缓冲层加以控制，即通过空气缓冲层的压力控制，间接控制开挖面的压力。

日系泥水盾构的泥浆压力，在循环掘进时，通过调整进浆泵的转速或者调整进浆泵出口节流阀的开口比值来实现压力控制的。因此掘进速度、地层变化、掘进深度及其掘进长度对压力均有影响。调节泵的压力是通过中心控制室的自动调节完成。德系的空气室的压力是根据开挖面需要的支护泥浆压力设定的，空气压力可通过空气控制阀使压力保持恒定。同时由于空气缓冲层的弹性作用，即使液位波动或出现突然的泄漏，对土仓压力也无明显影响。

国内泥水盾构的前盾分为2个仓室，分别为泥水仓（或开挖仓）和气垫仓。其中泥水仓掘进时一般充满泥水，气垫仓在掘进时一般底部为泥水，上部为压缩空气。空气仓和泥水仓之间可以进行压力交换来保证开挖仓内的压力平衡。

1 工程简介

福州地铁2号线起于闽侯大学城组团北部国宾大道沿线的沙堤站，终于晋安区鼓山风景区入口处的鼓山站。线路全长约26.2km，全部为地下线。沿线场地多为市区主干道、住宅、写字楼、商店等，总体地势起伏不大，高程主要在5～13m间。地下区间埋深8.4～30.1m。沿线场地场地地貌单元主要为山前冲淤积平原地貌，工程地质分区属冲、淤积区。其中厚庭站至桔园洲站区间采用泥水盾构施工，总长度约2 667.97m。区间共设4处联络通道，其中一处联络通道兼区间泵房，此外还设一处区间风井。地层自上而下依次为素填土、杂填土、粉质粘土、淤泥质土、粗中砂（中密）、粉质粘土、粉质粘土。根据1标段沿线地下水按赋存条件、含水介质及水利特征分析，地下水主要分为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水（包括潜水和承压水）、基岩构造裂隙水三种类型。

沿线地下水主要分为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水（包括潜水和承压水）、基岩构造裂隙水三种类型。根据实验测定，沿线地质岩土的力学性能如表1。

福州2号线厚庭站-橘园洲站区间总长2.827公里，站间距为2号线最长，其中过江段长度约为1 700m，掘进横穿的乌龙江为强透水地层，存在大粒径卵石，穿越难度巨大淤泥质土、密实卵石层地质条件，针对这些情况研制的∅6 480mm泥水气压平衡式盾构，采用大开口率刀盘设计及先行刀具布置、泥水控制系统（气泡仓控制技术、可逆洗的泥水循环技术、泥水分流器设计技术）、破碎机设计、三通球阀式接管其设计等技术。盾构在该区间施工未曾出现刀盘结泥饼、出现盾构下沉、结泥饼、喷涌、塌方、频繁换刀、掘进困难等问题，并实现2 660m连续掘进未换刀的记录。

2 大开口率刀盘设计

刀盘采用34%的大开口率设计，可以通过较大块粒的卵石及切削下的石块，减少刀盘前面的刀具的磨损，降低掘进过程中刀盘的转矩。刀盘中心设置4个注水口，有效防止刀盘中心土砂粘结。切削刀、刮刀切削轨迹已经布满整个开挖面，且相邻刀具切削轨迹之间具有一定的重叠，确保整个开挖面被完全切削掉。在不同的切削半径上，所布置的切削刀具数量不同，且随着半径的增加而增多，可以使得切削刀具在一定程度上尽可能的等寿命。同组切削刀具之间以及不同组切削刀具之间应保持一定的相位角差，使得整个刀盘形成一种顺次切削，降低切削刀具切削扭矩的同时，提高了切削效率。刀盘的周边焊有耐磨条，刀盘的面板焊接有格栅状的Hardox耐磨材料，耐磨板厚度10mm，充分保证刀盘在岩层掘进时的耐磨性能。参见图2。

图2 福州地铁2号线泥水盾构刀盘刀具布置图

表1 场地土层地基基础设计参数表

3 泥水控制系统的研究

3.1 双路气泡仓控制技术

本次采用了气体缓冲效果的气压控制方式。即通过调整送泥泵的转速控制送往舱内的泥水水平面，调整排泥泵的转速控制排泥流量，同时通过使用气压舱的压力控制，使得对挖掘面压力的控制更加精确。

气压舱的压力控制系统由空压机、气压调节装置、压力传感器以及空气控制阀构成，通过控制舱内压力的PID控制（比例，积分，微分控制），能够以0.01bar的精度管理舱内压力。

空气压力调节装置使用的Samson系统。图3为Samson系统控制原理图。

图3 Samson系统控制原理图

1）气泡舱的容积气泡舱设置在隧道掘进机外周部分是环形（底部为缺圆形），泥水的水位标准控制在接近中心线的位置，挖掘面的泥水舱的容积=挖掘面和气泡舱侧面之间的体积。

2）气压、容积的控制幅度气泡舱的容积随压力的变动而变动[4-5]。对于容积的变动需要有充分富裕的空气容积。在此对它们进行验证。

根据PV=定值的理论，泥水压力控制幅度ΔP以空气调整容量ΔV进行基本的控制。

PV=(P+ΔP)(V+ΔV)

ΔP=PV/(V+ΔV)-P

ΔV=PV/(P+ΔP)-V

式中P——泥水压力；

V——气泡舱容积；

ΔP—— 控制幅度(控制幅度ΔP=±0.2MPa)。

通过计算，对容积的变化量可以确保气泡舱充分的容积，从而保证切口压力的控制精度满足0.01MPa。

3）泥水面变化量气泡舱的控制是通过调整气压和泥水水位来进行的。泥水水位的控制标准在中心线。容积的控制幅度为上述值时，水位面的变化为下述数值：

气泡舱断面积A=14m2；容积变化量ΔVMax=±21m3（压力变化相当于ΔPMax=0.20MPa）；ΔVMin=±1.3m3（ 压 力 变 化 相 当 于ΔPMin=0.01MPa）；泥水面变化量ΔH＝ΔV/A。

因此，随着压力的变动泥水面的变化量为以下数值：

ΔHMax=±21m3/14m2=±1.5m

ΔHMin=±1.3m3/14m2=±0.09m

采用日系的气泡舱从结构上能够充分控制这种泥水面的变化量。

从上述的结果来看，设计的气泡舱对于本项目的要求具有充分的能力。

3.2 可逆洗的泥水循环技术

此项技术在传统的反循环模式上改进而来，传统的反循环模式在发生堵塞时，在保证开挖仓内压力平衡的条件下，整个进泥系统或者出泥系统进行逆循环。此项技术中配置多个压力传感器，自动识别可能堵管的位置，通过局部逆洗及时防止排浆管堵塞、滞排；当前方出现意外坍陷，泥水舱下部堆积很多泥浆时，可以利用多层逆洗功能，分层次分区域地冲洗，有利于排出堆积的泥浆。通过分流器将排出的泥浆逆洗到排泥口，逆洗的泥浆浓度保持不变，利于泥膜的稳定。逆循环系统见图4。

图4 可逆洗的泥水循环系统

3.3 分流器设计

泥水分流器主要作用是将盾构切削土砂形成的泥水进行颗粒分离和处理，再将回收泥浆泵入调整槽。

一般分离器采用振动筛作为首道初级分离比较合适，振动筛的作用是对泥水作预处理，去除团状或块状粗大颗粒。粗颗粒的分离采用3层振动筛，〈10mm粒径颗粒通过第一层振动筛进入第二层，〈6mm粒径颗粒经振动筛进入第三层，≤3mm泥浆颗粒下料进入沉淀池，振动筛上面的颗粒物排至堆土场。旋流处理分系统的主要功能是将经过分离以后的中西颗粒浆液再次进行细化处理，依次降低浆液粒径，处理系统一般采用多级旋流器。

针对卵石、中粗砂等地层，泥水输送过程中会伴随着卵石一起循环，对管路造成严重堵塞及磨损现象，采用独有的排渣设计。通过分流器将排出的泥浆逆洗到排泥口，逆洗的泥浆浓度保持不变，利于泥膜的稳定。

4 破碎机优化设计

为了避免破碎机油缸铰接处液压管路的破损，对油缸液压管路采用了内置式设计，解决了破碎机在使用一段时间后，油缸管路损坏难以修复而无法继续使用的问题，满足长距离、复杂地层使用的需求。同时为了让人进入气泡舱对破碎机进行检修，设置了整体式闸门及格栅，能够承受10bar的水土压力，在闸门关闭下，常压进入气泡舱维修和检查。同时针对卵石地层排渣困难，提高了排泥管的流速，同时改进了破碎机的破碎能力，提高破碎频率，确保卵石小于100mm，以顺利通过格栅，解决了卵石的滞排现象。参见图5。

图5 破碎机示意图

5 环保型接管器技术

泥水盾构的管路多而复杂，经常对管路进行更换或者由于管路内压力比较大时，泥水会通过接管器流到隧道内，对施工带来不便。总结以往经验，此项目中采用三通打球式接管器（图6），在接管时将管路打开，泥水不会溢出到隧道内，彻底改善了隧道的施工环境，减少清理隧道的成本，实现了绿色文明的施工现场。

图6 接管器

6 总 结

福州2号线厚庭站-橘园洲站区间总长2.827km，站间距为2号线最长，其中过江段长度约为1 700m，掘进横穿的乌龙江为强透水地层，存在大粒径卵石，穿越难度巨大淤泥质土、密实卵石层地质条件，针对这些情况研制的∅6 480mm泥水气压平衡式盾构机，采用大开口率刀盘设计及先行刀具布置、泥水控制系统（气泡仓控制技术、可逆洗的泥水循环技术、泥水分流器设计技术）、破碎机设计、三通球阀式接管其设计等技术。盾构在该区间施工未曾出现刀盘结泥饼、出现盾构下沉、结泥饼、喷涌、塌方、频繁换刀、掘进困难等问题，并实现2 660m连续掘进未换刀的记录。