大直径泥水平衡盾构辅助气压工法应用研究

摘要：辅助气压掘进工法在国内盾构施工中常被用于土压盾构掘进“上软下硬”地层和埋深较大、裂隙水发育的地层，以及富水、气密性好的复合地层。在泥水盾构掘进中采用辅助气压掘进工法的案例较少，本文结合河南城际铁路大直径盾构项目全断面黏土层气密性好等工程特点，尝试在黏土层掘进施工中采用泥水盾构辅助气压法掘进工法，应对刀盘结泥饼，使各项参数发生变化，导致结果恶化、施工效率降低等问题，有效降低了刀盘结泥饼的概率，提升了施工效率，为类似地层大直径泥水盾构施工提供了参考意义。

关键词：泥水盾构；辅助气压掘进；黏土层；结泥饼

中图分类号：U455.43 文献标识码：A" 文章编号：

Application of Auxiliary Pneumatic Construction Method for Large Diameter Mud-Water Balanced Shield

Abstract：In domestic shield construction， auxiliary pneumatic tunneling method is often used in the earth pressure shield tunneling of \"soft above and hard below\" strata，strata with large buried depth and fissure water development， and composite strata with rich water and good air tightness.There are few cases in which auxiliary pneumatic tunneling method is used in mud shield tunneling，in this paper，combined with the engineering characteristics of the large diameter shield project of Henan Intercity Railway，such as good air tightness of the clay layer in the whole section，we try to adopt the auxiliary pneumatic tunneling method of mud-water shield tunneling method in the construction of clay layer，so as to deal with the problems such as the change of various parameters caused by the mud cake，resulting in the deterioration of results and the reduction of construction efficiency，the probability of mud cake formation is effectively，the construction efficiency is improved，and the reference significance is provided for the construction of large diameter mud-water shield in similar strata.

Keywords：mud-water shield;auxiliary pressure driving;clay layer;mud cake

0 引言

泥水平衡型盾构机由于施工过程中掌子面压力波动小，相对土压平衡盾构压力控制精度高，能有效控制地表沉降，保持地层稳定[1]，使其被广泛应用于各类轨道交通及穿越江、河、湖、海等隧道建设中。盾构机在黏土层类地层掘进时，由于切削掉的泥渣黏结聚积成团逐渐附着于刀盘上，使刀盘孔眼堵塞、开口率减小，造成结泥饼[2]，在泥水循环过程中，造成流量波动进而影响开挖面平衡压力波动、泥浆滞排、刀盘切削效率降低、掘进参数不达标等[3]，如果不及时处理，会恶性循环，造成巨大损失。因此，泥水盾构在此类地层采取措施预防刀盘结泥饼至关重要。

1 工程概况

河南城际铁路工程连接郑州南站与郑州机场两大交通枢纽，是河南“米”字型高铁的关键联络线，也是河南省“一带一路”综合交通枢纽和中原城市群轨道交通网的重要组成部分。全线全长7.6 km，其中盾构隧道全长3.8 km，为单洞双线圆形隧道，采用一台开挖直径12.8 m的泥水平衡盾构机进行施工，隧道断面外径 12.3 m，内径11.3 m，隧道下穿三官庙镇浅覆土建筑物群；盾构隧道与南水北调总干渠相交并以85度角斜下穿南水北调总干渠工程。盾构隧道长距离穿越粉质黏土含钙质胶结地层，洞身范围内从上至下依次为粉砂、粉质黏土、细砂层，其中80%为粉质黏土层，20%为粉砂、细砂层，盾构隧道洞身大部分处于粉质黏土层中，颗粒较细，易造成盾构刀盘结泥饼及堵仓、滞排等。隧道拱顶埋深10.26 m～31.07 m，地下水丰富，基本处于潜水—承压水中。

2 辅助气压工法应用

在土压平衡盾构机中，多采用半仓掘进，在开挖仓内上半部打开保压系统注入一定压力的压缩空气，实现辅助气压掘进以加强排渣。泥水平衡盾构机工作原理与土压盾构机不同，根据盾构机排浆方式及管路布置的不同，一般将泥水平衡盾构机分为直接式与间接式。直接式泥水平衡盾构机操作控制较为简单，通过计算得出的地层压力值可以通过盾构机自带的保压系统控制器进行设定，设定后保压系统可以根据设定值自动调节压力，保持开挖面压力值稳定，即使波动较大也可快速自动调整回设定值，因此广泛应用于国内外大直径盾构隧道或对沉降控制要求高的盾构隧道[4]。间接式泥水平衡盾构机在掘进时前仓一般注满泥浆保持饱和状态下掘进，需要盾构机操作人员在掘进过程中手动调节泵的转速与通向开挖仓的阀门开度来控制泥浆流量进而稳定开挖仓压力，调节过程对操作人员要求较高。一般常用的泥水平衡盾构机以间接式为主，本工程因下穿各类风险源较多，对控制精度要求高，采用间接型泥水平衡盾构机运行施工。

2.1 辅助气压工法应用背景

开挖仓注满泥浆，采用饱和泥浆掘进，在全断面黏土层掘进一段距离后，由于掉落的泥渣无法完全排出，导致聚积成团，部分黏附在刀盘上，泥渣过多导致刀盘泥饼增多，使各项参数发生变化，导致结果恶化。一般情况下为保证掘进效率，需要阶段性带压进仓清理泥饼后再恢复掘进，此工程在带压进仓清理刀盘泥饼后恢复掘进参数变化情况如图1所示。

由图1可知，在盾构掘进一段距离后，掘进参数变化明显，推力逐渐增大，在推进25环后，推力增大20 000 kN～90 000 kN，上涨约4倍～5倍，掘进速度由0.42 mm/s下降至0.083 mm/s～0.167 mm/s，扭矩随速度变化波动。泥水平衡盾构机在黏土层采用满仓泥浆掘进存在以下问题。

1） 随着掘进距离增加，泥团聚积黏附在刀盘上越来越多，甚至部分开口直接堵塞，导致泥浆无法正常携渣进行环流，严重影响施工效率。

2） 速度降低后，切削下的渣土不能有效分离，会逐渐溶解至浆液中，泥浆中细颗粒增多，浆液比重增大，不仅导致泥浆处理能力下降，还会导致泥浆携渣能力下降，进一步降低掘进效率。

3） 设备长期高负荷工作，主机、刀盘发热量增加，泥饼越结越多、越硬，形成恶性循环。

4） 掘进效率降低后，刀盘在低速下长期空转，易造成超挖，影响开挖面及周边稳定。

2.2 辅助气压法工法施工应用

采取辅助气压法掘进的前提条件是保证掌子面土体稳定，在控制压力下保持沉降量不超标[5]，不发生塌陷。本工程在盾构穿越南水北调段埋深约32 m，在完成穿越南水北调影响范围后采用辅助气压工法掘进。

2.2.1 辅助气压工法原理

泥水盾构采用辅助气压掘进是将压缩空气填充前仓上半部与下半部的泥浆以平衡掌子面、盾构三大密封系统的油脂。通常情况下，压缩空气的流速大于泥浆的流速，泥浆的流速大于渣土的流速。刀盘切削土体，出现空隙后，压缩空气与泥浆会立即对空隙填充，通过泥浆环流控制泥浆液位处于一定范围内，泥浆液位以上压缩空气会逐渐逼退泥浆占有的空间，将开挖仓与气垫仓再进行连通后，开挖仓泥浆液面也填充为压缩空气。

压缩空气具备一定压力，除了与泥浆能共同维持掌子面稳定外，压缩空气进入盾体与开挖轮廓间隙，抵抗地下水、土压力，同时也平衡盾构机外密封系统。

2.2.2 辅助气压工法实施过程

采取辅助气压法掘进原理是通过泥水盾构机独有的压缩空气控制系统（SAMSON系统）设定压力，然后利用平衡阀将气垫仓、开挖仓管路连通，利用SAMSON系统将空气压缩机提供的气源供气，将开挖仓上部的泥浆通过管路排出，注入压缩空气，下半部仍为泥浆，液位可根据上位机显示界面查看并通过环流调节。

压力设定：应根据工程特性进行设定，结合本工程掌子面开挖直径与埋深条件，盾构机顶部与中部压力差约6 Pa；液位控制在腰线以上1 m～2 m，利用泥浆为维持掌子面稳定，开挖仓上半部压力设定值与开挖仓掘进中泥浆线压力值持平，此时气垫仓液位与开挖仓相同。

通过盾构机上位机显示界面与开挖仓布置的压力传感器可以实时监测开挖仓压缩空气与泥浆压力变化。

仅在全断面黏土层及气密性良好的地质条件下使用辅助气压掘进，应注意以下几点。

1） 为保证掌子面稳定，泥浆液位设定在腰线以上1 m～2 m。

2） 保证连通管路完全开启，若未完全开启，会在开挖仓形成气泡，影响排渣效果。

3） 应时刻关注监测数据及地表沉降值的变化。

4） 应保持泥浆池与盾构机积极联动，辅助气压工法使用后应持续观察泥浆池出渣效果是否发生变化。

2.2.3 辅助气压工法应用效果

通过切换为辅助气压法掘进后，速度逐渐在30 min内增加至0.33mm/s～0.67mm/s，扭矩与推力均有明显下降，如图2所示；将掘进模式调整为辅助气压掘进后，出渣黏土块明显增加，如图3所示，出渣效果变化明显。

采用辅助气压法掘进后，地表沉降值略有明显变化，其总体处于规范控制值内，采用辅助气压掘进地表沉降监测值如图4所示，最大沉降值仅为-7 mm。

3 辅助气压工法应用效果分析

3.1 辅助气压工法施工特点

前仓用压缩空气替换泥浆后，刀盘背部与冲刷管路之间缺少了泥浆阻隔，使冲刷的泥浆通过循环的冲刷管路可直接对刀盘背部进行冲洗，客观上加强了冲刷效果，有助于延缓泥饼的黏结。

上半部掌子面因没有泥浆，无法形成泥膜进行泥浆护壁，刀盘对掌子面开挖切削后，失去泥浆包裹的渣土更加容易掉落，有利于出渣；另一方面，随着掘进速度的提高和趋于稳定，出渣渣块体积也趋于一致，更易排出。

开挖面上半部填充压缩空气后上半部压力相同，相当于降低了部分掌子面压力，只在气密性良好的黏土层适用，客观上降低了推力。

经实践检验，压缩空气与泥浆的交界面在液位波动过程中，一定程度上对刀盘起到了冲刷作用。

3.2 辅助气压工法控制要点

该工程切换辅助气压法掘进后，各项掘进参数稳定，最大日进尺20 m，但由于开挖上半部没有泥浆护壁，刀盘转动时可能直接冲刷到掌子面，掌子面易受扰动。另外辅助气压模式掘进由于降低了仓压，所以需在地层变换时及时改变掘进模式，防止出现掌子面失稳、坍塌。

停机时需注意：因工序原因，泥水平衡盾构机在连接管路时必须周期性停机，而辅助气压法掘进开挖仓上半部被空气填充，没有泥浆保护的掌子面泥膜易被破坏。该工程根据实际情况一般设定停机时间超过2 h即进行建仓，将开挖仓充满泥浆。

压力与液位控制：因仓压可直接反应与掌子面接触情况，巨大的仓压波动可能是掌子面失稳的征兆。因此，为保证掌子面稳定，仓压瞬时波动超过±3 Pa或液位瞬时波动超过±1 m出现，即认为出现较大波动，立即恢复建仓，对开挖仓用泥浆填充。

出渣量监测：当泥水处理中心出渣发生变化时可能是地质情况出现变化，应评估是否继续利用辅助气压工法进行掘进，出渣量的变化也应及时调整，因为出渣量过多可能是出现超挖，必须及时进行控制。

应加强监控量测各项参数，尤其是仓压、液位的波动情况，注意观测地面沉降值，如发现异常及时恢复间接式泥水平衡循环。应提前对线路进行勘察，若发现孔ny洞及可能漏气的通道，应及时进行封闭。

4 结论与建议

在全断面黏土地层及气密性、自稳性良好的地层中，辅助气压工法掘进能提高施工效率，且将沉降值控制在可控范围内，有效提高了施工效率，该工程经验可为类似工程提供经验。

1） 地层适应性是本工法使用的前提条件，因此地层气密性、自稳性满足要求是采用泥水盾构辅助气压法的前提条件。当地质条件发生变化时，应立即切换回饱和泥浆状态进行掘进。

2） 参数控制：需要重视掘进参数、监测数据等变化情况，当发生异常时，应及时进行调整。

3） 液位控制：为保证掌子面稳定，应将液位始终控制在超过腰线1 m～2 m范围内。

4） 泥水处理中心联动：应重视与泥水处理中心联动，出渣变化会直接通过泥水筛分设备反应，当发生变化时应及时调整。

5） 应保证同步注浆填充性，避免气体从掌子面前方溢流至后方导致掌子面压力失稳。

参考文献

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[2]赖伟文.高粘性陶瓷土地层中泥水盾构施工技术[J].建筑机械化，2012，33（6）：72-73.

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[4]吕善.广深港客运专线福田站综合工程盾构机选型[J].工程机械与维修，2009（8）：126-128，130.

[5]郭庆彪.上软下硬地层盾构掘进模式的研究[J].铁道建筑技术，2016（6）：40-42.