分析泥水平衡盾构穿越软弱地层快速掘进技术

林震

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.024

摘 要：该文对穿越软弱底层的泥水平衡盾构掘进速度的因素进行了分析，通过对泥浆性能和黏土段掘进参数的调整，泥浆携渣能力改善了，黏土段的掘进速度得到提高，提出了技术措施来改善压力波动和出渣。通过对掘进速度、扭矩及推力等运行参数的调整，顺利通过沙砾层。调整泥水循环和泥浆比重，避免发生堵泵、堵仓、管路堵塞情况，形成了关键成套技术用于泥水平衡盾构穿越软地层施工，实现快速掘进的长距离软岩条件下泥水平衡盾构。

关键词：盾构掘进 泥水平衡 盾构姿态 软弱地层 刀具配置 管片错台

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（c）-0024-02

某市核电站取水隧洞单隧建筑长度4 321.4 m，开挖直径8.93 m。而引水隧洞所穿越的主要底层是砂黏土地层，因此引水隧洞的施工采用泥水平衡盾构技术。

1 影响盾构掘进速度的因素分析

很多因素会影响盾构掘进速度。诸如盾构各生产系统的生产能力、互相配合、协调程度、驾驭生产系统的管理队伍的管理水平等，都是制约掘进速度的因素。高水平的管理不仅追求速度，更要追求速度与系统能力的协调。较慢的盾构掘进速度会使生产能力受到制约，降低生产效率，抬高成本，因此，掘进快慢应该合理。

生产能力应该合理配置，各生产工艺流程应该科学设计，管理方法应科学合理。所以在黏土地层段和砂岩地层通过盾构时，应在遵照原则，协调各个环节，互相促进的基础上，达到快速推进软岩地层段盾构的目的。

2 列车编组及轨道布置

列车编组会影响盾构掘进的速度，所以必须科学合理。列车编组在空间、时间上可以对生产环节合理安排，达到高产高效、有条不紊、系统协调，各环节间可以避免相互干扰，达到安全生产的目的。

列车编组分3个阶段，满足盾构掘进的施工需求。

（1）掘进隧洞。在这个过程里，因为纵坡太长，不宜倒换编组，所以编组为两列：材料车、管片车、电瓶车；砂浆车、管片车、电瓶车。每列车都是一趟一个循环。列车长度20 600 mm。

（2）在隧道掘进到1 500～3 000 m的过程中，列车分成两列，编组均为砂浆车、电瓶车、管片车和管片车。跑1趟为1个循环，1列车长度是26 400 mm。

（3）掘进3 000 m后，3列车编组为：砂浆车、电瓶车、管片车、管片车。列车编组从出来到井口是：管片车、管片车、砂浆车、电瓶车。每列车1个循环是1趟。每列车长度是26 400 mm。

3 刀具的配置

掘进软弱地层段的时候，盾构刀具主要以切削为主要功能，把硬岩段的中心双刃滚刀和单刃滚刀替换成双联齿刀和单联齿刀。其配置见表1。

改进刀具，可使刀具使用寿命延长，刀具对地质条件的适应性增强，使盾构掘进速度加快。

4 掘进参数和泥浆性能调整

4.1 黏土段的掘进参数和泥浆性能团

出渣过程中盾构掘进黏度和比重增加较快，黏土粒径太小，较大比重的泥浆循环出渣效果不好，没有携带细颗黏性土的良好特性，导致堵仓、堵泵和堵管的现象，形成出渣不畅的泥水管路。经过多次实验，控制在比重1.0～1.1 g/cm3左右的泥浆性能、23～27 mm/min的掘进速度、2～3 rpm的刀盘转速、19～21 s的泥浆黏度的泥浆有较好的携渣能力，可以使掘进正常进行。

因为黏度较大、容易结块，进行快速掘进时附着在刀盘和刀箱上结成泥饼，在舱内堆积，刀盘会因泥饼面积增大而变成一个平面，放慢掘进速度，降低开挖切削能力，黏土沉积硬结会导致泥水仓底部出现堵塞仓门的现象，出渣变难，仓内有较大压力波动，使掘进变得不稳定。作者尝试了很多办法在施工过程中改善压力和出渣波动的情况，下面是主要措施。

（1）加大刀盘转速且使刀盘旋转方向在每环掘进改变，减小掘进速度。

（2）气仓和刀盘泥浆循环冲刷方式改变，如进浆流量增大、进排浆流量差增大，气仓次数提高、泥水仓冲洗和管路冲刷都要加强。

（3）为了保证输送能力和送浆压力的增加，需要增加中继泵的负载。中继泵发热量增加的原因往往是高负荷运转，温度很快上升，泵体的密闭性被破坏，可能造成盘根损坏漏浆或跳停，因此不宜在过长时间提高中继泵负荷。

（4）使泥浆的黏度和比重降低，及时对浆池浆液更换或调稀。

调整黏土地层泥浆比重到1.2左右可以提高携渣能力，而且换浆不应该太急，快速改变泥浆参数，应对参数缓慢调整，防止渣土在掘进中拥堵。

4.2 粗砂砾层段掘进技术

在两段掘进里程中，少部分是粉砂混粉质黏土、黏土。在这个区域里进行掘进任务，要逐渐把注浆量加大。反复统计分析和实验了两条隧洞，不停对盾构机运行参数进行调整，稳定盾构机，稳步推进掘进工作。掘进速度，推力2 400～2 600 t，刀盘转速2.3～2.6 rpm，扭矩0.6～1.0 MN.m，这时泥水有相对稳定压力，安全通过沙砾层。

为了让管片姿态和掘金姿态在设计区间内，首先，加大推进油缸下半部分的3组推力到最值，上半部分的3组减小到最值，令刀盘抬头。此外，管片安装从底部开始，安装后再对其余管片进行安装，最终盾构姿态恢复到周线的附近。

5 关键技术控制

（1）监控监测应加强，按需要使泥浆的黏度和比重在水循环系统中有所降低，更换浆池浆液或及时加水调稀，渣土浆液的分离需利用浓缩池进行加强。

（2）控制管片旋转。刀盘转速下降，掘进扭矩加大，依靠改变刀盘旋转方向，顺时针利用摩擦力回转环管片；对管片拼装顺序进行调整，依次逆时针拼装，每装一块就对齐平整、能够连接相邻环螺栓后，管片顺时针微调，之后使用扳手拧紧螺栓；调整盾尾间隙、管片安装质量和盾构姿态，对应盾构姿态和管片状态，开挖底层断面、管片和盾尾间隙均应均匀。

（3）防止上浮的管片。在掘进砂层段和黏土段时，倘若砂浆性能和盾构姿态不能确定参数，管片上浮和管片错台会很容易造成，为了对这种现象进行控制，必须在盾构中做好以下工作。

改变注浆方式，根据要求的姿态，调整注浆量和注浆次数；根据变化的姿态，调整推进压力，使得盾构机开挖走向和姿态调整相吻合；调整盾构姿态应依据监测数据得到的上浮量，以满足隧道轴线要求。增大同步注浆量的同时降低掘进速度，缩短初凝时间。

6 结语

该工程实现了泥水平衡盾构在软岩条件下快速长距离推进，平均每月推进500 m，最高可达到823.4 m，同时穿越软弱地层施工的泥水平衡盾构关键成套技术也实现了。

参考文献

[1] 彭正勇，梁奎生.泥水复合盾构过软硬不均地层关键技术研究及应用[J].盾构施工，2012，（S2）：45-50.

[2] 杨太华.越江隧道工程大型泥水盾构进出洞施工关键技术[J].现代隧道技术，2005（4）：45-48.

[3] 肖晓春，新加坡地铁C855标盾构隧道开挖面稳定性分析及泥水压力设定[J].现代隧道技术，2012（2）：20-26.