两种泥水平衡盾构在设备配置及使用上的区别

邵业勤/SHAO Ye-qin

（广东华隧建设股份有限公司，广东 广州 510625）

广州水文地质条件复杂，被地下工程界称之为“地质的博物馆”，因此在盾构选型中需要经常根据地层的变换来选择盾构类型。在广州地铁建设中使用的盾构类型大多可分为两种，即土压平衡盾构和泥水平衡盾构。泥水平衡盾构的选择原则是适用于渗透系统大于10-7m/s，岩土颗粒中粉粒和黏粒总量小于40%的地层，在上软下硬地层,水体、密集的建筑物或构筑物下地层使用有着地表沉降量小、安全系数高等优点。泥水平衡盾构的基本类型又分为两种，即直接控制型（日系）和间接控制型(德系)。二者在设备配置、实际使用方面各有特点，仅以广州地铁9号线施工5标清布——高增区间使用的日本三菱泥水平衡盾构和德国海瑞克泥水平衡盾构为例对环流系统、管片拼装及输送系统、环流管路延伸系统进行对比和分析。

1 环流系统比较

1.1 设备配置

从结构上来看，三菱泥水平衡盾构密封隔板与掌子面仅有1个密封舱，称为泥水舱（图1）。海瑞克泥水平衡盾构是在密封舱内增加了1个中隔板，靠近掌子面的称为泥水舱，靠近密封隔板的称为气压舱，两舱体底部通过泥浆连通，气压舱上部通过外接的气压系统形成1个气囊（图2）。三菱泥水平衡盾构泥水舱灌满泥浆，通过PLC变频器来调整送浆泵及排浆泵的电机转速来控制泥浆流量，通过调整送泥和排泥流量来控制泥水舱内泥浆压力，以实现泥水舱压力与掌子面水土压力平衡，这种方式称为直接控制型（日系），泥水舱压力调节比较直接、迅速，切口水压波动会比较大，人员的熟练程度和操控水平要求较高。切口水压变化要求控制在±10kPa以内。海瑞克泥水平衡盾构泥水舱灌满泥浆，气压舱内上部充满压缩空气，下部是泥浆且与泥水舱连通。气压舱上部的空气压力通过气压舱下部泥浆传递到泥水舱，通过调节气压舱压力来间接控制泥水舱的泥浆压力，并保持气压加泥水舱压力与掌子面水土压力平衡，这种方式称为间接控制型(德系)。由于气舱压力的变化是通过气压平衡系统来调节的，在系统内设定切口水压波动值，便可自动通过调节气压平衡系统的进气排气来保持舱内泥水压力平衡，因此切口水压波动会较小，切口水压变化要求控制在±5kPa以内。海瑞克气压平衡系统不仅可以用于调节泥水舱压力，还可以用于人员进舱换刀、清理泥饼的加气压作业。三菱泥水平衡盾构没有配置这项功能，加气压作业可通过安装一套独立的空气压缩装置来进行。

图1 三菱泥水平衡盾构结构图

图2 海瑞克泥水平衡盾构结构图

1.2 实际使用

在实际操作盾构时，通常是根据当前环的地质和水文条件，通过公式计算出切口水压设定值。三菱泥水平衡盾构操作人员时刻关注装在隔舱壁的压力表反馈的切口水压波动，及时通过调节送泥管和排泥管的泵转速来保持掌子面压力平衡，维持掘进状态。当环流系统堵塞时，通过切换管路变换送排泥管的方向用正逆洗管（送排泥方向互换）及旁路状态来带出管路堵塞物，使得排泥管出口不易堵塞。海瑞克泥水平衡盾构需要时刻关注装在气压舱壁的液位计反馈的液位高度，来维持掌子面的压力平衡，通过调节送泥管和排泥管的泵转速来保持压力平衡，维持掘进状态。在掘进时，可以通过来回切换连通到气压舱和泥水舱的众多进泥管来冲刷刀盘及破碎机格栅，预防环流系统堵塞。但是环流系统一旦堵塞，要比三菱泥水平衡盾构花费更多的时间去清洗管路。两种盾构管路图如图3、图4所示。相比之下，海瑞克盾构解决堵管问题是主动式，三菱泥水平衡盾构解决堵管问题是被动式。在刀盘防结泥饼方面，除了共同具备的送排泥管、回转中心管、主被动搅拌棒，海瑞克泥水平衡盾构还可以切换不同的送流管路来冲刷刀盘，并且单独加大某根管路来冲刷刀盘上不同的部位，对于防结泥饼方面更加有利，三菱泥水平衡盾构只有1根送泥管，冲刷到刀盘的位置有限，不利于防结泥饼。对付刀盘切削下来的石块，三菱泥水平衡盾构是通过装在后配套台车排泥管路上的采石箱去收集，防止大块的石头堵塞管路，当掘进到六、七号以上地层占多的环号时，采石箱很容易就被堵满，需要花费不少时间去人工清理。而海瑞克泥水平衡盾构通过在气压舱下部的排浆管入口前方设置破碎机和格栅，利用破碎机（把大块石头破碎成小石子）+格栅（阻挡直径20cm以上石头）组合来解决大块石头堵管的问题。

图3 三菱泥水平衡盾构管路图

图4 海瑞克平衡泥水盾构管路图

2 管片拼装及输送系统比较

2.1 拼装系统比较

从原理上来看，完成一环管片的拼装,需要对管片的6个自由度进行调整（图5）即水平伸缩(沿隧道断面x方向)、轴向回转(沿隧道壁周向y方向)、轴向伸缩(沿隧道轴线方向z)，以及随管片姿态调整的3个方向的转动(偏转θx,俯仰θy,摇摆θz)。三菱泥水平衡盾构的管片拼装机只有5个自由度，即水平伸缩、轴向回转、轴向伸缩、管片的俯仰θy及轴向摇摆θz，只有偏转θx,需要依靠推进油缸的顶推来完成。三菱泥水平衡盾构轴向伸缩长度为0.6m,换向阀控制灵敏度低，管片拼装不够平稳，成环管片错台量大、碎裂现象多。海瑞克泥水平衡盾构的管片拼装机具备全部6个自由度，轴向伸缩长度为2m，液压伺服控制灵敏度高，管片拼装平稳，成环管片平整，碎裂现象少。从设备配置来看，前者拼装机结构简单,可称为环型齿式拼装机，优点是作业平台大。后者拼装机结构复杂，可称为环型液压式拼装机，作业平台小，优点是拼装操作较前者要灵活，拼装质量更高。

图5 自由度拼装示意图

2.2 输送系统比较

管片输送是管片拼装工艺流程一个重要的影响因素，对吊运过程中管片的保护以及管片拼装的速度有着至关重要的影响。三菱泥水平衡盾构输送系统由1台单轨梁电动葫芦吊+1台双轨梁电动葫芦吊组成(图6)，管片从电瓶车上先用单轨梁电动葫芦吊卸车，吊至双轨梁区域后，再用双轨梁电动葫芦吊转运至最前环管片位置，两次吊运不仅增加了管片碰撞破损的几率，还增加了输送时间。海瑞克泥水平衡盾构输送系统由1台单轨梁电动葫芦吊+管片输送器组成(图7),在吊运过程单轨梁把管片从电瓶车直接吊运到管片输送器上，吊运平稳且只吊运1次，降低了管片碰撞破损的几率，较前者节省输送时间。

图6 三菱泥水平衡盾构拼装示意图

图7 海瑞克泥水平衡盾构拼装示意图

3 环流管路延伸系统比较

由于泥水平衡盾构每推进6m都需要延伸一次环流管路，因此三菱泥水平衡盾构与海瑞克泥水平衡盾构在最末节台车都设有环流管路延伸系统，但两者也在设备配置及使用方面也有所不同。三菱泥水平衡盾构采用软管卷盘系统(图8)，延伸管路时，通过牵引电机收缩钢索收缩管路，在收缩后的延伸区域用手拉葫芦延伸管路。结构简单，延伸管路时间较后者多。海瑞克泥水平衡盾构采用的是钢套管延伸系统（类似推进千斤顶收缩的方式，如图9所示），通过液压装置收缩管路，在收缩好的延伸区域用电动葫芦延伸管路。钢套管延伸系统的维护保养成本较高，但接续管路较前者方便。

图8 三菱泥水平衡盾构环流管路延伸示意图

图9 海瑞克泥水平衡盾构环流管路延伸示意图

4 结 语

通过对三菱泥水平衡盾构与海瑞克泥水平衡盾构进行以上3方面的对比，从设备配置角度来看，前者的设备造价低，配置简单实用，对作业人员的素质要求高。后者设备造价高，配置方面较为复杂及自动化，减轻了作业人员的工作量。另一方面，从现场施工角度来看，前者优点是设备维修保养简单方便，管片拼装平台宽敞，缺点是台车内没有设置人行通道，在生产繁忙时，电瓶车在台车内作业人员互相妨碍。后者优点是设备操作更为简单，电瓶车与作业人员各行其道互不妨碍。缺点是设备系统复杂，维护保养成本高。当然，三菱泥水平衡盾构与海瑞克泥水平衡盾构在设备配置、实际施工中还存在许多不相同、值得研究的地方，本文仅仅就影响盾构掘进效率的3大系统做一简单比较，希望能为盾构的选型与施工提供一个参考。

[1]张凤祥.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：建筑工业出版社，2004.

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