泥水盾构的压力设定分析及其应用

石小政 韦诗圣

摘 要：泥水盾构的压力设定是控制地层沉降、隆起的关键。文章基于泥水盾构的压力平衡原理，围绕泥水盾构施工中的压力设定进行了详细的研究，为解决泥水盾构压力平衡问题提供参考。

关键词：泥水盾构 设定压力 压力平衡

鉴于当前的业内所说的泥水盾构（或称泥水平衡盾构）通常专指气垫式泥水盾构（或称为混合式泥水盾构，或称间接控制型泥水盾构），且泥水平衡盾构（或称直接控制型泥水盾构）目前已被淘汰，所以文章主要讲解气垫式泥水盾构，直接控制型泥水盾构的相关内容只作为讲解气垫式泥水盾构工作压力问题的辅助材料。

1.泥水盾构的压力平衡原理

1.1泥水平衡盾构

（1）盾构不施工时，依靠盾构的闭胸特点，达到工作面的压力静态平衡；

（2）在盾构推进过程中，通过把刀盘切削的渣土、盾构推进长度中的含水量、进浆量及出浆量操控到相对平衡，来避免地层的沉降或隆起。

1.2气垫式泥水盾构

（1）盾构不施工时，依靠泥浆在掌子面形成的泥膜、气垫仓中气压的压力通過连通器传递给泥水仓泥水的压力、掌子面的水土压力三者形成平衡，泥膜一定程度上起到中合泥水仓泥水的压力与掌子面的水土压力的偏差影响，泥膜的优劣直接影响气压设定值与掌子面水土压力值之间允许偏差值的大小，泥膜质量越好，允许偏差值越大；

（2）在盾构推进过程中：通过单位时间内刀盘切削的渣土及推进长度内的含水量、泥浆在掌子面形成的泥膜、气垫仓中气压的压力通过连通器传递给泥水仓泥水的压力、掌子面的水土压力、进浆管的进浆量、出浆管的出浆量等所有因素控制至相对平衡。

2.泥水盾构施工中设定的掌子面工作压力计算

以过江隧道为例来讲解气垫式泥水盾构的压力计算。过江隧道泥水盾构穿越段有3种典型地层：（1）粘性土地层；（2）岸上段砂层地层；（3）过江段穿越砂层。对于第一种地层按照水土分算的原则计算刀盘泥水仓顶部压力，对于第二、第三种地层则按照水土分算方式计算。计算简图如图1～图3所示。

在图1～图3中，γ、h1、H以及Ka都是变化的量，且在隧道施工中这些数值多是根据有限的地质堪探孔估测的值，所以基于这些数值计算出来的压力值存在偏差，其中造成偏差最大的因素主要是h1、H。

3.气垫式泥水盾构施工的设定压力与地层的水土压力的偏差值偏离允许范围后的常见问题

（1）通过基于计算压力而设定的工作压力低时，容易造成地层中的水土超挖（盾构掘进）或水土流失（盾构停机），最终造成不同程度的地面沉降；

（2）通过计算压力设定的工作压力高时容易造成气体进入地层，进而造成地层被击穿、泥膜失效，最终导致工作压力难以稳定，甚至出现不同程度的冒顶。

综上，压力设定的一定范围内的偏高比偏低对泥水盾构施工自身来讲，造成的危害更大。气垫仓内的压力设定长时间偏高，也是很多泥水盾构施工中隧道顶部被气体击穿，甚至出现大的冒顶事故的首要因素。

4.泥水盾构施工的设定压力与实际需求压力的偏差值偏离允许范围后的过程分析

（1）当基于计算压力执行的气垫仓设定工作压力低于实际需求的压力较小范围时的分析：气垫仓的设定压力低于实际需求的压力，泥水仓的压力将低于实际需求的压力，地层中的水会透过泥浆护壁，进入到泥水仓，并通过气垫仓与泥水仓的连通处向气垫仓内挤压，气垫仓内的气压受压后通过保压系统的排气阀向隧道内排气，同时气垫仓内液位升高，直至达到新的平衡。

（2）当基于计算压力执行的气垫仓设定工作压力低于实际需求的压力较大范围时的分析：靠气垫仓内的高度缓冲的压力差已不能解决偏差，泥浆会通过排气管排入隧道，对气体保压系统制造危害，如果不及时关闭保压系统的排气阀或手动截止阀，将有泥水通过保压系统的排气管道涌入隧道的风险。

（3）当基于计算压力执行的气垫仓设定工作压力高于实际需求的压力较小范围时的分析：气垫仓的设定压力高于实际需求的压力，气垫仓内的气体所受压力被释放，并通过气垫仓与泥水仓的连通处向泥水仓内挤压，泥水仓的压力将高于实际需求的压力，泥水会透过泥浆护壁，进入到地层中，同时气垫仓内液位降低，直至达到新的平衡。

（4）当基于计算压力执行的气垫仓设定工作压力高于实际需求的压力较大范围时的分析：靠气垫仓内的高度缓冲的压力已不能解决压力差，气垫仓中的高压气体会将气垫仓内的液位压至连通闸范围内，此时高压气体将通过连通闸窜入泥水仓，形成大量气泡，气泡上升并通过地层中的透水通道进入地层；在高压气体逃逸过程中，其将破坏盾构刀盘中上部区域的掌子面的泥膜，并通过盾构机顶部至地面（过江段为水面）之间的透水通道穿出地层或水面；气体穿透地层时间越长，单位时间内穿透的气体量越大，地层中的透水通道也将被动变得越多、越大，该现象即是冒顶。

5.泥水盾构掘进中设定压力偏离实际需求压力时的措施

（1）在确保不出现严重的冒顶或泥水通过气压调节排气闸涌入隧道的情况下的措施：

①首先进行微调（比如0～0.5bar），直至达到液位稳定要求。

②微调已不能满足需求，保压系统的调节压力需调至高于之前设计压力的0.5bar（拟定值0.5bar，实际根据实况而定）以上，一方面需求核实隧道的工程资料及核算计算过程，一方面要立刻复查一下盾构机是否存在故障（比如保压系统、水系统、泥水系统、液位传感器、阀门等），如果经最终核实所有这些都不存在问题，就需要测量人员复测埋深，甚至到所发生不稳定区域的地面或水面复核工况。

（2）出现严重的冒顶或泥水通过气压调节排气闸涌入隧道，且微调已不能解决问题的情况下的措施：

①检查保压系统是否处于供气状态，如果没有处于供气状态则，关闭所有与泥水盾构机仓内相连的管道的手动闸阀，详细检查泥水盾构气体、流体系统是否存在阀门打开或关闭不严的情况。

②如果保压系统一直处于供气状态，直接大幅度降低保压气压，暂时稳定供气压力，如果还不能使仓内压力稳定，则直接关闭保压系统，并把保压系统通向仓内的管道的手动阀门关闭，之后再详细检查泥水盾构气体、流体系统是否存在阀门打开或关闭不严的情况。

6.出现严重冒顶时的解决措施

（1）在通过不稳定地层前，检查泥水管路的闸阀，保证各控制闸阀能良好地控制泥水循环系统的良好运行，确保仓内泥水的压力稳定。

（2）关闭保压系统，避免高压气体对地层二次伤害。

（3）通过控制进、出泥浆泵的流量及压力来进行推进盾构掘进，即采用泥水平衡盾构的掘进模式进行施工，等掘进一段距离，避开之前的不稳定地层后，再打开保压系统，重新恢复正常的气垫式泥水盾构的保压模式进行推进。

7.结束语

综上所述，正确理解气垫式泥水盾构气仓内压力是被动压力，高压气体只是优化压力控制的手段这一特征，是解决泥水盾构压力平衡问题的

参考文献：

[1]韩晓瑞，朱伟，刘泉维，等.泥浆性质对泥水盾构开挖面泥膜形成质量影响[J].岩土力学，2008（S1）：288-292.

[2]韦良文，张庆贺，邓忠义.大型泥水盾构隧道开挖面稳定机理与应用研究[J].地下空间与工程学报，2007（01）：87-91.