全断面卵石地层泥水盾构环流系统针对性优化设计及应用

叶 忠

(中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450003)

0 引言

随着我国城市轨道交通的建设和发展，地下空间开发和利用受到高度重视。隧道区间穿越江河湖海的工程越来越多，泥水平衡盾构因其良好的压力控制效果及在富水地层的良好适用性，常常用于穿江越海的富水地层隧道掘进。泥水平衡盾构主要通过气垫舱泥水的加压作用来维持开挖舱工作面的稳定，盾构掘进时，刀盘旋转切削下来的渣土经搅拌后形成高浓度的泥浆，通过泥水循环将高浓度的泥浆输送至地面。因此，泥水循环系统的环流通畅是泥水平衡盾构快速掘进的重要条件之一。

对于卵石地层的盾构掘进，曹建辉[1]、程高军等[2]、戴志仁等[3]研究了土压盾构在富水砂卵石地层中的掘进技术，其应用较为成功。针对泥水平衡盾构在卵石地层掘进时存在的滞排问题，戴慧丽[4]、杨杰[5]、邓如勇等[6]研究了泥水平衡盾构在砂卵石地层掘进的设计及控制要点，得出由于卵石的沉积，泥水平衡盾构在砂卵石地层掘进的难点是环流系统的堵塞，影响掘进效率。孔玉清[7]对不同地层排浆管携渣能力进行计算分析，指出当泥浆流速大于1.6 m/s时，能够携带直径18 cm的少量卵石。霍滨等[8]从碎石系统改进和大漂石、卵石处理2个方面对盾构环流系统进行改进,以解决砂卵石地层盾构环流系统堵塞的问题。汪朋[9]研究得出了在泥水环流系统增设分流器和采石箱，有利于复杂地层泥水平衡盾构顺利出渣。张社军等[10]、刘双仲等[11]、吴遁等[12]研究了双舱采石箱和泥浆管路破碎机等卵石处理装置的设计原理及应用。李茂松[13]研究了双采石箱设计时，可以通过采石箱的冲洗与反冲洗减少采石箱的清理次数。目前，关于卵石含量较少地层盾构掘进的控制方法已经进行大量研究，但对于富水、大粒径、高含量、全断面卵石地层盾构掘进的研究文献较少。

本文基于洛阳地铁2号线博物馆站—九都西路站盾构区间工程，该工程隧道主要赋存于卵石层中，盾构环流系统卵石滞排极为严重。根据现场实际情况及反馈的问题，对并联采石箱进行数次试验性改造及优化，逐步确定最优采石方案，以提高盾构掘进效率。

1 工程概况

洛阳地铁2号线博物馆站—九都西路站盾构区间下穿洛河，区间左线长2 016 m，右线长2 002 m，隧道最大覆土厚度为23 m，最小覆土厚度为9 m，区间纵断面线路呈V字形，最大纵坡为27.7‰。区间地貌属于河床及漫滩地貌区，隧道穿越地质为全断面卵石层，区间上覆地层从上至下依次为杂填土、素填土、黄土状粉质黏土、粉质黏土、黏质粉土，勘察深度范围内地下水类型为卵石孔隙潜水，主要赋存于卵石层中，场地内地下孔隙潜水水位埋深0～22.5 m，地层渗透系数约140 m/d，地层松散，自稳性差。

由于目前地质勘查手段有限，地质钻机竖向取芯受钻杆直径限制，取出芯样不足以揭示卵石地层大粒径卵石含量。因此，在博物馆站基坑开挖过程中，以开挖卵石层实际情况现场进行颗粒含量统计，发现隧道所处地层内大粒径卵石含量较高，大于20 cm粒径卵石含量约占15%，且最大粒径达到70 cm，远高于地质勘探报告中揭示的数据，具体统计结果如表1所示。

区间采用2台泥水平衡盾构进行掘进施工(盾构主要参数见表2)，隧道穿越地层为全断面卵石地层，卵石含量高、粒径大。为确保盾构泥水循环系统环流通畅，在盾构设计制造时，环流系统针对此地层进行了专项设计： 环流系统的主排浆泵前设置并联式采石箱，以更好地过滤地层中的卵石，避免环流系统管路堵塞，保证环流通畅。

表1 基坑开挖不同粒径卵石占比

表2 盾构主要技术参数

2 并联采石箱设计原理

盾构气垫舱内设置鄂式破碎机，排浆口设置格栅，格栅限径160 mm，防止大粒径卵石进入排浆管道堵塞管路，但不排除长条型不规则的大粒径卵石通过；且该地层卵石含量接近100%，故在盾构主排浆泵前增设采石箱，通过采石箱内置竖向格栅再次过滤卵石，防止排浆泵及管路堵塞。

采石箱设计为上下并联式(如图1所示)，包含上采石箱、下采石箱、过滤格栅、冗余进浆装置、冗余排浆装置等，长约3 m，直径约1 m，内设1道竖向格栅，格栅开孔尺寸为150 mm×150 mm。泥浆环流过程中，粒径小于150 mm的卵石快速通过，粒径大于150 mm的卵石通过竖向格栅过滤后滞留在采石箱内，通过人工掏出。上下采石箱功能相同，考虑到该地层卵石含量较高，采石箱堵塞、清理次数较多，因此配置2个采石箱并联，其中一个采石箱堵塞后，可迅速切换至另外一个使用，掘进的同时处理堵塞的采石箱，如此交替使用以提高施工效率。

图1 并联式采石箱

3 并联采石箱使用效果及分析

3.1 并联采石箱使用效果

由于地层卵石含量高、粒径较大，大粒径卵石进入采石箱后被格栅过滤并堆积在格栅前部，造成泥浆流速骤降，小粒径卵石立即沉积，导致采石箱频繁堵塞。掘进过程中需要长时间循环进行管路疏通，频繁采用人工掏采石箱清理堆积卵石，经常一个采石箱未处理完毕，另外一个采石箱又被堵塞，达不到并联采石箱交替使用的设计目的，严重影响掘进效率。原设计双联采石箱使用过程照片见图2。

(a) 卵石在格栅前堵塞沉积

(b) 卵石在沉积装置内堵塞

3.2 采石箱滞排原因分析

采石箱竖向格栅孔径为150 mm×150 mm，目的是将大粒径卵石留下、小颗粒卵石快速通过，以保证泥水环流系统的流畅。实际使用过程中，大粒径卵石数量超出预期，经格栅阻挡后沉积在格栅底部，间接缩小了格栅的通过面积，对后续通过的卵石造成阻碍； 卵石越积越多，将采石箱格栅位置完全堵塞，只有少部分液体可以通过，继而整个采石箱被完全堵塞，必须人工打开采石箱进行清理。正常掘进下，每掘进10 cm需要清理1次采石箱，耗时近1 h，由于堵塞频繁，无法交替使用，经常需停机处理，掘进效率极低。

该区间卵石地层渗透系数为140 m/d，地层松散、孔隙率大，浆液损失严重，导致浆液相对体积质量下降较快，泥浆悬浮效果差，携渣能力降低，以至于小粒径卵石沉积在泥浆管路底部，只能靠冲刷力移动，很容易沉积。

4 采石箱优化改进及应用研究

4.1 并联采石箱串联改进

将现有上下并联式采石箱改造为串联使用，上下2个采石箱箱体连通，连通管路中间加设横向格栅，横向格栅孔径为150 mm×150 mm，环流系统泥浆从上部采石箱进口流入，下部采石箱出口流出，目的是让大粒径卵石进入采石箱后隔离在上部采石箱，且在泥浆的冲击力作用下，卵石会堆积在上部采石箱后部，不会堵塞连通管路，只需适时清理上部采石箱卵石即可；小粒径卵石通过格栅落入下部采石箱并随浆液排出。双联采石箱上下联通示意如图3所示。

图3 双联采石箱上下联通示意图

改造后，掘进过程中采石箱进口压力较大，出现堵塞现象，打开采石箱后发现上下2个采石箱均堵满卵石。

经过试验分析可知，改造后由于泥浆进入采石箱时流速较快，冲击力较大，大多数卵石经过横向格栅时尚未过滤分离就被泥浆裹挟带至上部采石箱后部，导致上部采石箱被快速堆积堵塞；由于泥浆流速会在采石箱位置骤降，导致进入下部采石箱的小粒径卵石迅速在底部沉积，无法随浆液顺利排出，下部采石箱也被堆积堵塞。

4.2 新型格栅滚筒式采石箱改进

根据现场条件和施工需求，创新性地研制新型格栅滚筒式采石箱如图4所示。此采石箱的优点是增大了泥浆的过流面积，格栅设计为滚筒式，滚筒格栅开孔孔径为120 mm，滚筒内侧设置螺旋带，在螺旋带末端设置落石口，采石箱下部为密封式的卵石收集箱，并设置掏石孔。

(a) 横剖面图

(b) 纵剖面图(单位: mm)

浆液携带卵石进入滚筒后，经过滚筒格栅的筛选，小粒径卵石通过格栅落入下部，随泥浆排出；大粒径卵石留在滚筒内，随着滚筒的转动，在螺旋带的作用下运动至落石口，经落石口落入下部卵石收集箱，在工序衔接时，打开掏石孔清理收集箱内的卵石即可。

经过现场试验可知，盾构掘进时，采石箱过滤收集卵石的效果基本达到预期，能够保证环流系统运行正常；但使用一段时间后，经常出现滚筒卡顿、卡死现象，滚筒无法正常旋转，继而导致采石箱堵塞。经拆检发现，很多小颗粒卵石进入滚筒与筒体之间的缝隙，缝隙内的卵石堆积较多时会卡住滚筒，导致滚筒无法正常旋转。

滚筒式采石箱若能在滚筒与筒体之间增加密封或冲洗装置，防止小颗粒卵石进入，解决滚筒卡顿的问题，也能较好地处理类似工况。由于现场改造工作量较大，施工工期紧，本工程未进行进一步试验，在后续的施工中再择机完善。

4.3 直通管道自落式旁通采石方案及工业性验证

经过数次试验性改进及应用经验，总结各种方案的利弊可知，若需保证泥水循环系统的通畅，不仅要过滤掉大粒径的卵石，而且要避免小粒径卵石的沉积堆。因此，要求泥浆流速在采石箱位置不能产生骤降，小粒径卵石可随泥浆顺利排出，同时要阻挡大粒径卵石通过采石箱。

经过仔细研究，采取直通管道自落式旁通采石方案： 取消上部采石箱，改为直通管道连接，直管中部增加旁通管路连接至采石箱，同时在直管旁通出口处增加十字格栅，下部采石箱作为大粒径卵石收集箱(如图5所示)。该方案的目的是通过直管保证泥浆流速，小粒径卵石在流速损失较小的情况下可以快速通过，随浆液排出；大粒径卵石撞到格栅落下，通过旁通管路落入下部卵石收集箱，适时清理下部采石箱即可。

(a) 设计图

(b) 实体图

经过实践检验，此方案效果良好，基本能够保证环流系统通畅，采石箱堵塞次数明显减少，每掘进1环(1.5 m)只需清理1～2次采石箱，且在管片拼装过程中即可清理完成，大大提高了掘进效率。改进前后掘进效率对比见表3。

表3 改进前后掘进效率对比

5 结论与讨论

在卵石含量较低的地层中，采用气垫舱鄂式破碎机配合采石箱或二次颚式破碎机，可以较好地解决环流系统堵塞问题；而在卵石含量高、粒径大的地层中，受颚式破碎机工作频率较低的影响，破碎效果较差，大粒径卵石对破碎机油缸频繁撞击，导致破碎机故障率较高，掘进效率较低。本文通过数次优化改进及工业性试验，得出以下结论。

1)采用直通管道自落式旁通采石方案，可以较好地解决泥水盾构在卵石含量高、粒径大的地层中掘进的管路滞排问题，大大提高掘进效率。

2)新型格栅滚筒式采石箱的设计若能解决滚筒卡顿的问题，也能较好地处理类似工况，需要在后续的施工中再总结完善。

3)直通管道自落式旁通采石方案对于既有已投入施工的盾构，现场改造方便、时间短、成本低；对于新造盾构，建议采用优化的新型格栅滚筒式采石箱方案，理论上该方案应更加高效。