大直径泥水气平衡盾构机的泥水环流处理应用分析

薛黄炜

（上海隧道工程机械制造分公司，上海 2002137）

泥水平衡盾构机是通过一定压力的泥浆来支撑稳定开挖面，通过泥水压力与开挖面的水土压力形成平衡，与其他类型的盾构机相比，有施工安全可靠、效率高、质量好的优点。泥水平衡盾构的主要系统是泥水环流。

1 泥水盾构的分类

泥水平衡盾构主要分为全断面泥水平衡盾构和泥水气平衡盾构。全断面泥水盾构和泥水气平衡盾构在结构上的差异：全断面泥水平衡盾构机隔板与开挖面只有一个单腔，为泥水仓；而泥水气平衡盾构机隔板与开挖面有两个腔，靠隔板一侧的称为气垫仓，则靠开挖面一侧的称为泥水仓，两个仓的底部则是通过前闸门连通。

全断面泥水盾构和泥水气平衡盾构在控制方式上的差异：全断面泥水仓内充满泥浆，调节进泥和排泥流量来控制泥水仓内泥浆压力，通过调节进泥泵和排泥泵的转速来控制流量，实现控制压力；泥水气平衡盾构的气垫仓上部是空气，下部是泥浆并通过前闸门与泥水仓连接，通过调节气垫舱压力进而控制泥水仓压力。

2 泥水处理系统设计原理

泥水平衡盾构在支撑环前的泥水仓内，注入一定压力的新浆后，会使其在开挖面上形成一层泥膜，支撑正面的土体。再由盾构前部的刀盘切削下来的土体表与工作泥浆混合，形成高密度泥浆，通过盾构机内的排泥管路与排泥泵输送至地面泥水场地进行处理。这种高密度泥浆进入地面泥水处理系统后，根据不同土体颗粒直径，经泥水分离设备的分离，分别形成土砂和泥水，再经过沉淀池沉淀后，将大颗粒的土砂排弃，回收含有微小颗粒的泥水，然后，将处理后泥水重新进入调整池并按施工要求加入新浆进行调整，再输送回盾构工作面，实现泥水循环。

上海隧道市域铁路ST14050盾构机D234泥水气平衡盾构在施工过程中，泥浆和空气充满泥水仓和气垫仓，通过调节气垫仓上部压力，在顶部充满压力，形成空气缓冲层，就可以调整开挖面的支撑压力，使泥水压力波动变小，支撑压力更加稳定，对地表控制更为有利。当盾构机正常推进时，操作人员控制送泥泵和排泥泵转速，使送泥流量与排泥流量基本相同，维持开挖面压力与地层的动态平衡。

市域盾构设有的气垫仓采用Samson气平衡控制系统，我们可在控制室内直观看到气垫仓的实际压力值与Samson给定压力值，而在气垫仓加气过程的气体流量则是通过两台高精度气体流量计检测并反馈至控制室。当排泥流量大于送泥流量（流量差处于正常状态）时，泥水仓液位下降，Samson系统自动补压力，使压力值达到设定值；相反，当排泥流量小于送泥流量时，泥水仓液位上升，Samson自动泄压排气。在推进施工中，我们不仅对送排泥的流量差进行保护，同样，也对气垫仓与泥水仓压力差进行保护，当两仓的压差超过设定值时，泥水系统也会从推进状态切回旁路，与流量保护形成泥水系统的双重保护。

3 泥水环流系统的组成

上海隧道市域铁路ST14050盾构机D234泥水气平衡盾构配备的泥水系统主要由泥水仓、气垫仓、膨润土罐、中心冲洗泵、排泥泵、送泥泵、排泥管、送泥管、接力泵、泥水分离设备、调整池、沉淀池等几部分组成。

送泥泵是将泥浆从地面的泥水处理站运送至泥水仓的设备；排泥泵则是将泥浆从泥水仓抽出运送至泥水处理站的设备。D234盾构机采用功率为1100kW的送泥、排泥水冷变频电机，配套流量为2400m3/h、比重1.4、最大设计压力1.15MPa、最大允许转速700rpm、设计通过粒径240mm的单级端吸卧式离心泵，高功率大扬程使盾构机能够满足大流量泥水循环。

中心冲洗泵又名P0.1泵，则是一台功率为250kW的风冷变频电机，配套流量为700m3、比重1.2、最大允许转速1400rpm，设计通过粒径520mm的单级端吸卧式离心泵。D234在掘进时可以通过P0.1泵经在刀盘上安装12个气动冲洗球阀对刀盘进行冲洗，降低刀盘扭矩。

膨润土罐内加注膨润土，在停机时稳定开挖面压力时使用。泥水分离装置可以将排出的泥浆分离不同直径的土体颗粒，再经沉淀池静置，清出淤泥后的泥水经调整池后调配出的新浆送入设备泥水仓。

4 环流系统

4.1 环流流速

4.2 环流系统的工作模式

上海隧道市域铁路ST14050盾构机D234泥水气平衡盾的泥水环流模式主要分为旁路模式、掘进模式、逆洗模式、外循环模式、机内小循环模式和停机模式。这几种模式通过盾构操作触摸屏选择模式配合开闭相应的管路阀门和泵送装置。

（1）旁路模式。旁路模式是盾构的待机模式，盾构不开挖，也用于盾构模式切换的过渡。盾构待机模式，是其余工作模式切换前的准备状态，保证循环系统中流量的稳定，也用于拼装管片或短时间停机时使用，防止排泥管渣土沉淀堵塞。

（2）掘进模式。掘进模式，用于盾构推进开挖时使用，泥浆可通过气垫舱进入泥水舱。在正常推进状态下，新浆液通过送泥泵由地面输送进泥水仓，以确保与开挖仓中刀盘切削下来的渣土混合，再通过排泥泵浆开仓内的混合泥浆输送到地面的泥水分离设备。

盾构机掘进时所使用的模式，不可在停机情况下直接切换，其切换顺序为：停机→旁路模式→掘进模式→盾构推进→旁路模式→停机。

（3）逆洗模式。逆洗模式，用于反冲被阻塞的格栅或者排泥管，此时，需注意保持气垫舱压力与液位稳定。在施工中这个模式不常用，当发现开挖仓底部沉淀的渣土堆积较多或者排泥管管路堵塞时，可通过使用逆洗模式进行排浆和疏通。操作人员可以在触摸屏上选择逆洗模式，而逆洗管路则是将排泥管转变为送泥管，新浆通过送泥泵输送至旁通阀再进入排泥管，对开挖仓底部或者排泥管进行冲刷，随着开挖仓内新浆的增加，通过逆洗阀所在的排泥管路，经排泥泵输出至地面泥水分离设备。

常用于推进过程中或者长时间停机后当排泥口或格栅堵塞后使用，但不可直接切换，其切换顺序为：掘进模式（停机）→旁路模式→逆洗模式→旁路模式→掘进模式。

（4）外循环模式。外循环模式，泥浆只在地面系统循环，主要用于泥浆管路延伸时使用。市域盾构中，此模式只在盾构始发前使用。

（5）机内小循环模式。机内小循环模式，泥浆由气垫仓抽出，通过中心冲洗泵打入刀盘，进行刀盘冲洗。

由气垫仓抽泥水通过中心冲洗泵加压，送入刀盘正面，当主机主送泥管有泥水输送时，机内小循环起提高刀盘中心冲洗水流量作用，当主机主送泥管没有泥水输送时，机内小循环可以使泥水在机内循环，冲洗刀盘，防止结泥。

（6）停机模式。停机模式，在长时间停机的情况下，泥水仓内可能发生泥浆的流失，为保持掌子面的压力，需要对泥水仓泥浆液位进行控制，可通过膨润土罐进行补液，在盾构管路延伸时防止气垫仓液位流失，及时稳定气垫舱液位。此模式只在长时间停机时使用。

5 结语

本文通过对泥水平衡盾构的泥水环流系统功能使用做介绍和设计，对全断面泥水盾构和泥水气平衡盾构做比较，而详细介绍的泥水气平衡盾构在施工中的关键是控制环流系统和在开挖面的泥浆压力和气压保持平衡。考虑工程所遇到的问题并提出相应的解决方法，同时在市域铁路盾构机的设计研发中注入多元化的自动控制泥水系统，但实际工况与理论工况仍存在较大的差别，必须结合地质环境等因素对泥水泵的控制方式确保足够的安全，并结合工程施工的经验，才能保证泥水系统在隧道掘进施工中稳定高效地运行，同时在施工中，操作人员对多种模式和送排泥流量的熟练控制是保证顺利施工必不可少的一步。