中俄东线天然气管道长江穿越工程盾构选型研究

王又增，贺开伟，徐金秋，丁梦俊，苏志学，张 浩

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

现有盾构主要分为土压平衡盾构、泥水平衡盾构和TBM。泥水盾构根据压力控制及出渣方式的不同，分为常规气垫式泥水盾构和直排式盾构（一般称无气垫缓冲的直排式盾构为直排式盾构，其代表为日式直排式盾构[1]）。泥水盾构因结构和功能的不同，在工程应用中各有优缺点。

随着盾构关键技术的攻克和工程亟需解决的问题，泥水盾构又衍生出其它类型的泥水工作模式的盾构，例如气垫直排式盾构、多模式泥水类盾构等。

配置气垫仓的泥水类盾构，由于气垫的缓冲作用，调控压力精度高，稳定切口环压力的能力强，在工程中应用较多。在下文介绍了直排式、常规气垫式和气垫直排式泥水盾构，分析了常规气垫式与气垫直排式泥水盾构的优缺点，并结合中俄东线天然气管道工程（永清-上海）长江盾构穿越工程的地质概况，对此项目进行选型分析。

1 工程概况

中俄东线干线起自黑龙江省黑河市中俄边境，途经9 省区市，止于上海市白鹤末站，干线全长3 334.6km。中俄东线天然气管道工程（永清-上海）长江盾构穿越工程于江苏省南通市经济技术开发区与江苏省常熟市经济技术开发区穿越长江，采用盾构隧道穿越方案，是中俄东线的控制性工程。

据岩土工程勘察说明书介绍，盾构工程相继穿越新江海河、常熟港海轮锚地、主航道、专用航道、白茆河及其之间区域（图1），穿越长度约为10 226m，穿越水面宽度约为7 500m。

图1 盾构穿越工程周围环境

盾构隧道轴线主要穿越的地层为⑤层粉土、⑤-1 层粉砂、⑥层粉质黏土及⑦层粉砂，其中⑤层粉土的石英含量约为50%～55%、长石含量约10%～15%，硬质矿物含量相对较高，而⑤-1层粉砂及⑦层粉砂，石英含量最高达75%，长石含量最高达25%，该砂土地层硬质矿物含量较高，对泥浆循环系统的耐磨性具有极大的挑战，特别对于盾构独头掘进10 226m，泥水盾构的选型尤其重要。

2 直排式泥水盾构功能概述

直排式泥水盾构（图2）仅设计有泥水仓、进浆管、排浆管和冲刷管，泥水仓的水土压力依靠主进排浆的流量压力平衡。主排浆管位于泥水仓底部，开挖后渣浆的混合物通过主排浆管道排出，输送至地面分离站[2]。

图2 直排式泥水盾构功能原理示意图

直排式泥水盾构在泥浆循环模式切换及正常施工中，切口环压力波动较大，且易形成冒顶隆起，在穿江越海或紧邻构建筑物敏感的盾构工程中很少应用。

3 常规气垫式泥水盾构功能概述

常规气垫式泥水盾构（图3），设计有泥水仓、气垫仓和泥浆连通管；气垫仓底部可配置破碎装置或搅拌器及格栅；主进泥浆通过不同的分支管进入泥水仓和气垫仓；主排浆管位于气垫仓底部，渣浆依次通过泥浆门、搅拌器（或破碎装置）和格栅进入排浆管输送至分离站。

图3 常规气垫式泥水盾构功能原理示意图

常规气垫泥水盾构通过泥浆门或泥浆连通管传递压力，通过气垫仓的压缩空气及泥浆压力平衡掌子面的水土压力。

4 气垫直排式泥水盾构功能简述

气垫直排式泥水盾构（图4），设计有泥水仓、气垫仓和泥浆连通管；设备无泥浆门、破碎机或者搅拌器及格栅；主进泥浆通过不同的分支管进入泥水仓和气垫仓[3～4]；主排浆管位于泥水仓底部，泥水仓渣浆可以直接进入排浆管输送至分离站，排渣效率较高。

图4 气垫直排式泥水盾构功能原理示意图

气垫直排式泥水盾构仅通过泥浆连通管传递压力，通过气垫仓的压缩空气及泥浆压力平衡掌子面的水土压力。

5 两种泥水盾构适应性分析

直排式盾构控制压力波动性能差，风险较大，地质适应性差，工程应用较少，不再作适应性分析。下文主要依据常规气垫式泥水盾构和气垫直排式泥水盾构的功能特点，对二者进行适应性分析。

5.1 地质适应能力

气垫直排式泥水盾构直排管直接接入泥水仓，在复合地层特别是大砂卵石、上软下硬及全断面硬岩盾构段，由于无法控制岩屑块及卵石大小，气垫直排式堵管卡泵概率比较大，影响整体掘进效率；常规气垫式由于在气垫仓底部配置了碎石装置及格栅[5]，可以破碎限径，相对来说堵管卡泵风险小，综合掘进效率相对气垫直排式较高。分析表明，常规气垫式泥水盾构比气垫直排式泥水盾构地质适应能力广。

5.2 应对滞排能力

气垫直排式泥水盾构，复合渣浆在泥水仓内直接进入排浆管，排渣效率较高，但常规气垫式泥水盾构泥水仓内的复合渣浆需要依次通过泥浆门、破碎装置或搅拌器及格栅、穿越气垫仓后才能进入排浆管，排渣效率相对气垫直排式略有降低，应对仓内滞排能力相对偏低。但是针对中俄东线长江盾构穿越工程项目，在软弱均质（例如，淤泥质土、粉质黏土、粉土、粉细砂及中砂等）地层，都可以高效掘进，滞排概率较低。

5.3 压力自平衡能力

常规气垫式泥水盾构泥水仓及气垫仓通过泥浆门及泥浆连通管传递压力，通流面积较大，压差趋平衡时间短，压力自平衡能力强；气垫直排式泥水盾构泥水仓及气垫仓仅通过泥浆连通管传递压力，通流面积有限，压差趋平衡时间相对较长，压力自平衡能力相对常规气垫式偏弱。分析表明，常规气垫式泥水盾构压力自平衡能力比气垫直排式泥水盾构要强。

5.4 应对“高水压+压力波动”次生风险能力

气垫直排式泥水盾构压力自平衡能力偏弱，且存在堵管的风险，根据以往施工经验最大波动值约达到1.5bar。若在高水压施工环境中，会导致关键部件密封受到异常冲击，存在一定风险；常规气垫式泥水盾构压力自平衡能力强，虽然存在堵管风险，但堵管概率低，根据以往的施工经验，压力波动基本在±0.2bar，即使在高水压工况下施工，压力波动导致的冲击相对偏弱。常规气垫式泥水盾构相对气垫直排式泥水盾构应对“高水压+压力波动”次生风险能力强。

5.5 处理非勘明异物能力

虽然在施工前期对盾构段地质进行了勘探，很难面面俱到，存在未堪明死角，不排除在盾构通过区域存在异物。选用气垫直排式泥水盾构，开挖下的渣土若存在异物，异物较小可以通过排浆管排出；若异物较大，很难进入排浆管，特殊情况下需要作业人员带压进入泥水仓进行处理，风险较大。选用常规气垫式泥水盾构，开挖下的渣土若存在异物，可以将异物排至气垫仓，通过关闭泥浆门常压处理或者不关泥浆门带压处理，处理异物相对方便。分析表明，常规气垫式泥水盾构处理非堪明异物的能力相对较强。

6 常规气垫式泥水盾构是否搭载前仓直排管分析

常规气垫式泥水盾构搭载前仓直排管路（图5），在原有常规气垫式泥水盾构基础上增加一根前仓直排管，该前仓直排管与气垫直排式排浆管位置不同，在竖直方向比气垫直排式排浆管高约0.5m，在左右方向上偏离约1.5m，偏离距离随盾体直径不同存在一定的差异。

图5 常规气垫式泥水盾构搭载前仓直排管功能原理

该类型泥水盾构排渣具有两种模式，一种常规气垫式泥水排渣方式，此模式是主用模式（图6），此模式拥有常规气垫式泥水盾构的所有优势；另一种气垫直排式泥水排渣方式，此模式是辅助模式（图7），拥有气垫直排式泥水盾构的功能，但与单纯的气垫直排式泥水盾构相比，性能略有下降，但在处理突发地质工况及长距离掘进异常风险时，多了一道备用措施。由于常规气垫式泥水搭载了前仓直排管，前仓直排管占用了空间，造成气垫仓底部和中盾底部拥挤，长距离掘进维护有一定的空间限制。

图6 主用模式-常规掘进

图7 辅助模式-前仓直排掘进

7 结语

中俄东线天然气管道盾构穿越工程穿越的地质主要以淤泥质土、粉质黏土、粉土、粉细砂及中砂等为主，无大的渣块，渣浆流动性相对较好，仓内滞排概率小，从这个角度分析，常规气垫式和气垫直排式盾构都可以选用。

由于盾构穿越距离长，埋深较大，穿越区域为千年航道，不排除存在异物。从压力自平衡、应对“高水压+压力波动”次生风险及处理异物能力角度来评比，常规气垫式泥水盾构更具有优势。

为了提高盾构地质适应性，提高应对突发地质工况及长距离掘进异常风险，在防治泥饼、降低积渣滞排概率和增加设备可靠性方面考量，中俄东线盾构工程选用常规气垫式泥水盾构搭载前仓直排功能机型更合适。

上文对直排式泥水盾构、常规气垫式泥水盾构、气垫直排式泥水盾构及复合型泥水类盾构的功能进行对比分析，为泥水类盾构的选型提供关键要点，也为类似工程泥水盾构的选型设计及施工提供借鉴。