基于海湾隧道典型地质的盾构环流系统优化改进

2021-04-22王又增徐金秋司马少坤苏志学

建筑机械化 2021年4期

王又增，徐金秋，司马少坤，苏志学，钟宇

（1.中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016；2.中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450001）

1 工程概况

海湾隧道是国内首条在8 度地震烈度区建设的海底隧道，隧道所处地质条件非常复杂，盾构隧道始发和到达段为淤泥层，埋深浅（始发段11m，到达段12.5m），海域段长距离穿越淤泥质软土、砂层，区间存在花岗岩球状风化分布区、凸起基岩段162m，侵入隧道最大高度6.4m[1～2]。

该工程主要穿越淤泥、中粗砂、粉细砂、淤泥混砂、微风化花岗岩，其中局部岩石强度达到210MPa。盾构施工段大部分地质偏软，基岩凸起段、抛石回填区是典型的上软下硬区间（图1）。采用气垫式复合泥水盾构施工，对环流系统出渣具有极大的挑战性。

2 针对性分析

海湾隧道地质软硬不均，对盾构环流系统应用存在极大的挑战性。

在始发地段存在较大抛石和基岩凸起，岩石硬度较大（图2），经破碎后进入主排浆管道，通过离心泵泵送至地面。为了防止渣石滞排至泥浆门，除了增加泥浆门底部及周围的冲刷外，还需要增大主排管格栅的尺寸，让渣石快速通过格栅进入主排浆管道；为了防止大块渣石堵塞泥浆泵，在泥浆泵前部增加采石箱（图3）。

在施工隧道段，大部分区域处于淤泥土、粉细砂层，地质偏软，具有一定的粘性，环流系统出渣为团状淤泥，容易堵塞格栅和采石箱格栅，滞排问题尤为严重。为了避免这种现象的发生，在泥浆泵前设计有分流器（图4），通过离心泵将团状淤泥质土及混砂泵送至分离站。

图1 海湾隧道地质剖面图

图2 海湾隧道孤石

图3 采石箱设计

图4 筒式分流器设计

3 应用现状

海湾隧道超大直径盾构为适应复杂地质条件，环流系统设计有旁通模式、掘进模式、逆洗模式、小循环模式、前仓直排模式等等，但在施工过程中由于地质复杂，地勘存在一定偏差，导致施工掘进困难。

在西线掘进过程中，加固区底部存在基岩凸起，花岗岩强度较大，在推进过程中，石块含量较多，环流系统出现多次卡泵现象。在施工过程中，未采用采石箱装置，主要因为在应用采石箱过程中不但要过滤较大的石块，较小的石块也会一并过滤，采石箱容积有限，采石箱很快就堆积满渣石，影响渣浆流动性，造成渣浆滞排、泥浆泵吸空，不得不频繁开箱清渣，影响掘进效率。

在实际应用中采用筒式分流器，无论多大石块都可以通过泥浆泵将其泵送至地面，相对采石箱来说，不用过滤石块，没有开箱清石的时间，停机时间相对较短。但在实际应用中，没有过滤较大石块，后隔板格栅开口尺寸较大，较大石块在多种力的作用下容易通过格栅抵达泥浆泵，容易造成卡泵现象。

在施工现场，泥浆泵卡堵的原因是多方面的。如图5 所示，卡堵泥浆泵的原因有：①石块尺寸过大；②多个不同尺寸石块堆积在泵内；③由于铁皮等杂物太多容易造成泵卡堵，引起环流系统瘫痪。

图5 卡堵泵现象

4 改进措施

针对上述问题展开系列改进以提高施工效率。

4.1 格栅改进

后隔板格栅设计对环流系统影响较大，格栅尺寸太小通流面积太小，影响出渣，虽然较大石块基本全部破碎，但是对黏土地层，黏土容易粘附在格栅表面，造成通流面积减少，容易导致气垫仓底部滞排，影响掘进。格栅太大，通流面积较大，通流效果好，较大渣石可以顺利通过格栅进入主排浆管，减轻破碎机的负载，延长破碎机的使用寿命。

为了平衡各方因素，在加固区停机常压进仓改进格栅（图6）。为了保持较大通流面积又可以对渣石进行限径，通过讨论计算选择其中一个方案。

4.2 延续筒式分流器

为了防止较大石块卡泵堵管泵，设置采石箱有一定的效果，但是频繁开箱采石，还是影响施工效率。通过目前的施工来看，最好的采石工具不是采石箱，环流系统最好的采石装置就是泥浆泵。本工程中继续沿用筒式分流器。

图6 格栅优化

4.3 改进主泵进浆管

改进了格栅的设计，但是在施工过程中，渣石间歇性集中出现也会造成卡泵。尺寸较小渣石集中出现，各个石块及泥浆管（图7）存在相对作用力，容易将泥浆泵叶轮的涡舌堵塞，造成卡堵泵，导致泥浆泵运转时转动惯量不平衡，影响泥浆泵盘根的寿命和泥浆泵轴承的寿命。

图7 泵进口泥浆管

对这种情况提出的改进方法是：提前在泥浆泵前将泥浆管路缩颈（图8），让集中出现的渣石离散化，让渣石单独通过离心泵，提高了渣石通过离心泵的效率，极大降低泥浆泵卡堵的概率。

图8 优化后泵进口泥浆管

5 环流系统操作工法的优化

针对基岩孤石和黏土复杂地层也制定了特殊的操作工法。

5.1 孤石基岩凸起地层操作工法

孤石基岩凸起地层除了控制贯入度，控制刀盘转速，将渣石充分破碎后，还要注意环流的操作工法。

1）启动环流系统旁通模式，将颚式破碎机达到碎石状态，将气垫仓底部渣石再次破碎，并搅动底部浆液，防止底部有较大渣石或者渣浆沉积板结。

2）由旁通模式切换至逆洗模式，将颚式破碎机由碎石状态切换为搅拌状态，疏通气垫仓底部，防止流道堵塞。

3）由旁通状态切换至空推掘进模式，将颚式破碎机保持搅拌状态，空转洗仓，提前将多余的渣石排至分离站，确保各支路进浆正常。

4）由空推掘进模式切换为掘进模式，将颚式破碎机切换为碎石状态，根据分离站渣石量和破碎机高压次数，确定破碎机开合频率。①在掘进工程中，可以连续性碎石，间歇性洗仓逆洗，防止石块群集中出现卡堵泥浆泵；②注意控制主排浆流量，对于海湾隧道可以控制在2 500m3/h,流量大，石块流速突变也会造成卡泵；③应该加强对主排浆泵连锁的管控，防止意外主排浆泵停止，流速突变，导致石块群卡堵泥浆泵。

5）由掘进模式切换至空推掘进模式，将颚式破碎机保持碎石状态，空转洗仓，提前将多余的渣石排至分离站，防止停机后渣石沉积，影响下次恢复掘进。

6）由空推掘进模式切换至旁通模式，再有旁通模式切换至逆洗模式，将颚式破碎机保持搅拌状态，疏通主排浆管，防止石块沉积管道内。

7）由逆洗模式切换至旁通模式，将颚式破碎机保持搅拌状态，然后停机。

全过程操作，防止石块卡堵泥浆泵和管道，提高施工效率。