泥水盾构泥浆门布置方式探讨

(中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001）

一般情况下，气垫式泥水盾构均配置泥浆门。在掘进过程中，当气垫仓内的破碎机、管路、球阀、传感器等部件出现故障时，或出现气垫仓滞排情况时，通过关闭泥浆门，可实现人员在常压工况下进入气垫仓作业，处理设备故障或清理仓内异物。泥浆门能否顺利关闭及关闭后的密封效果，直接关系到是否可以常压进仓及进仓后的作业安全，因此，泥浆门的设计方案尤为重要。根据安装位置的不同，泥浆门分前置式和后置式两种布置方式，本文对这两种布置方式的受力状态及使用情况进行研究，分析两种泥浆门布置方式的优缺点。

1 泥浆门简介

泥浆门是气垫式泥水盾构的关键结构和重要部件，设置在前盾前隔板的底部，是连通泥水仓和气垫仓的主要通道，用于浆液流通及携渣外排（图1）。在盾构正常掘进时，泥浆门处于打开状态，气垫仓上部充满压力空气，压力空气作用于气垫仓下部的泥浆，通过泥浆门将压力传递到泥水仓内的泥浆，泥浆将压力传递到掌子面，从而平衡掌子面的水土压力。当需要进入气垫仓进行检修作业时，通过关闭泥浆门，可隔开气垫仓和泥水仓，然后降低气垫仓内的空气压力，直至达到常压环境，从而提高进仓作业的安全性和作业效率。泥浆门的布置方式主要分为前置式和后置式两种，在现有的泥水盾构中均有应用（图2、图3）。

图1 泥浆门示意图

图2 前置式泥浆门示意图

图3 后置式泥浆门示意图

前置式泥浆门设置在泥水仓底部、前隔板之前，其门板和门框在泥水仓，液压油缸在气垫仓，门板背后设计有整圈的密封槽和注脂孔。当泥浆门关闭时，通过泥浆门门板背后的注脂孔，向密封槽内注入密封油脂进行填充，从而起到密封作用（图4）。

图4 前置式泥浆门密封示意图

如图5 所示，后置式泥浆门设置在气垫仓底部、前隔板之后，其门板、门框、液压油缸均在气垫仓，门板上设计有气囊密封。当泥浆门关闭时，泥浆门门板上整圈的气囊密封充气后，密封唇伸出与隔板贴合，从而起到密封作用。

图5 后置式泥浆门密封示意图

2 两种泥浆门的优缺点分析

两种布置方式的泥浆门功能相同，但其密封工作原理不同，各有其优缺点，以下对两种形式泥浆门的特点进行分析比较。

2.1 泥浆门关闭状态

如图6 所示，前置式泥浆门设置在前隔板之前，当泥浆门关闭后，气垫仓逐步开始降压，泥水仓比气垫仓的压力大，因此泥浆门可不通过机械结构压紧，依靠压力差自动贴紧前隔板。通过注入高压油脂，填充密封处的细小缝隙，增强密封效果，避免泥水仓浆液通过泥浆门与前隔板贴合面进入气垫仓，达到密封效果。

如图7 所示，后置式泥浆门设置在前隔板之后，当泥浆门关闭后，需要伸出液压油缸，使门板顶紧压紧块，从而使门板与前隔板贴合，贴合后气囊密封充气，密封唇伸出后可防止泥水仓浆液进入气垫仓。当气垫仓逐步开始降压，泥水仓比气垫仓的压力大，因此泥浆门在密封时，其密封性还需承受泥水仓和气垫仓的压力差。

图6 前置式泥浆门关闭状态

图7 后置式泥浆门关闭状态

综上所述，从泥浆门关闭后的受力以及密封效果分析，前置泥浆门优于后置泥浆门，更加适用于长时间进入气垫仓进行作业。

2.2 泥浆门开启状态

如图8 所示，盾构正常掘进过程中，泥浆门处于开启状态，前置式泥浆门由于整体处在泥水仓，浆液的扰动及石块的撞击会加大泥浆门的磨损，且门板下部为悬臂状态，当受到大石块冲击时可能会造成门板损坏。

如图9 所示，后置泥浆门在开启时，整个门板在前隔板之后，浆液从泥水仓流动到气垫仓时，不会对门板造成较大的冲击和磨损。

图8 前 置泥浆门开启状态

图9 后置泥浆门开启状态

综上所述，从泥浆门开启状态的受力以及磨损情况分析，后置泥浆门优于前置泥浆门。

2.3 泥浆门在气垫仓保压时状态

泥水盾构在工厂制造阶段，以及工地组装完成之后，需要对气垫仓进行保压试验。如图10 所示，当保压试验时，关闭泥浆门，对气垫仓进行加压，前置式泥浆门此时受力变为由气垫仓指向泥水仓，需要在泥水仓对泥浆门进行固定。而后置式泥浆门则可以依靠气垫仓压力被动压紧，再通过气囊密封充气来密封泥浆门与前隔板结合面（图11）。

图10 前置式泥浆门保压状态

综上所述，从气垫仓保压试验的受力和密封状态分析，后置式泥浆门优于前置式泥浆门，更加便于进行气垫仓保压试验。

图11 后置式泥浆门保压状态

2.4 两种泥浆门的应用情况

国内外的气垫式泥水盾构多采用后置式泥浆门，属于气垫式泥水盾构的常规性设计，如佛莞城际∅13.61m 大直径泥水盾构，汕头苏埃通道∅15.03m 超大直径泥水盾构等。法国某盾构厂家设计的气垫式泥水盾构均采用前置式泥浆门，如武汉长江隧道、广深港狮子洋隧道的泥水盾构等。近年来国内气垫式泥水盾构采用前置式泥浆门的案例越来越多，如深圳春风隧道∅15.8m 超大直接泥水盾构，杭州天目山路提升改造工程∅13.46m 大直径泥水盾构等。

总结两种泥浆门布置方式盾构的使用情况，到目前为止，尚未有后置泥浆门关闭后直接常压进仓作业的案例，需通过辅助手段提高泥浆门的密封性，或在关闭泥浆门后相对安全的情况下带压进仓处理问题。前置泥浆门关闭后直接常压进仓作业的案例则较多。在使用过程中，后置泥浆门极易出现气囊密封损坏的情况，目前暂无较好的解决办法；前置泥浆门需注意保护密封油脂管路，防止管路损坏无法注入油脂，造成泄漏点。

综上所述，从实际应用的情况分析，前置式泥浆门的实用性优于后置式泥浆门。

3 泥浆门的机械保护装置

两种布置方式的泥浆门在使用过程中，除了密封性问题外，还存在安全性问题。

后置式泥浆门一般设计有机械保护装置，防止泥浆门异常关闭或打开。在盾构掘进过程中泥浆门为开启状态时，泥浆门油缸处于回收状态（图12），当油缸压力泄漏时，或出现误操作时，泥浆门可能会在重力作用下关闭，造成掘进停止。因此在需设置机械保护装置，早期设计的机械保护装置需人工进行安装或拆除。在掘进过程中关闭泥浆门时，需人员带压进入气垫仓拆除机械保护装置，才能关闭泥浆门；打开泥浆门后，仍需人员带压进入气垫仓安装机械保护装置，带压进仓作业存在在一定的安全风险。目前，经过设计改进，机械保护装置在空间允许的情况下设计为油缸自动拔销形式（图13），解决了带压作业的问题。在人员进入气垫仓操作时，由于泥水仓压力较高，为防止误操作使泥浆门开启，造成气垫仓操作人员危险，在泥浆门关闭状态也设置有机械保护装置。关闭状态时的机械保护装置需要进行人工操作（图14）。

图12 泥浆门开启状态

图13 泥浆门油缸自动拔销装置

图14 泥浆门关闭状态安全销示意图

早期设计的前置式泥浆门未设计机械保护装置，或仅设计防开装置。优点在于掘进过程中可随时关闭泥浆门；缺点在于油缸压力泄漏或误操作时，泥浆门关闭造成掘进停止，或泥浆门开启造成仓内作业人员危险。因此，经过设计改进，前置式泥浆门已经配置了机械安装装置，包括防关的液压销和防开的手动销。

综上所述，泥浆门机械安装装置的设计，保证了两种布置方式泥浆门的使用安全性。

4 结论和建议

根据以上对两种泥浆门的功能、优缺点、安全性的分析，目前在气垫式泥水盾构选型设计时，推荐采用前置式泥浆门，特别是进入气垫仓作业较多的工程。但是，在硬岩、破碎带或卵石等地层，由于泥水仓底部磨损、撞击较大，选用前置泥浆门损坏可能性略大，需要采用一定的防护措施。

泥浆门作为泥水盾构的关键部件，虽然已经有较多的优化改进措施，但还不够完善。在直径较小的泥水盾构上，前置泥浆门的布置空间有限，存在较大的问题。因此，在未来的泥水盾构选型设计和应用中，对于泥浆门布置方式和设计的研究与探讨仍是一项比较重要的课题。