土压平衡盾构机渣土改良系统改造技术研究

韩奉昌

摘要：为了解决海瑞克S-679盾构机武汉复合地层采用土压平衡盾构机掘进刀盘容易结泥饼的问题，通过对原有泡沫系统和膨润土系统进行改造，解决了推进过程中由于渣土含水量不足、渣土流动性差，渣土温升快，土舱温度高，导致易结泥饼、推进效率低下的问题。

关键词：土压平衡盾构机;泡沫系统;膨润土系统

0引言

在我国由于经济建设的蓬勃发展，各种运输量增加很快，特别是市内客运量成倍或成几十倍的增长，加上城市基础设施建设相对滞后，导致公共交通问题越来越突出，严重的影响了经济建设的进程。另外，由于城市内部建筑物密度大，特别是老城区，各种建筑物、构造物比比皆是，城市里的剩余空间越来越小，旧城改建十分困难。因此，发展地下铁道及轻轨交通越来越受到政府的重视。

随着我国越来越多的城市进行地铁、隧道、综合管廊施工，盾构机的使用也越来越广泛，盾构机根据工作方式和出渣方法分为：泥水气压平衡，土压平衡，敞开是硬岩掘进，土压平衡和敞开硬岩双模式以及超大直径环形管预挖盾构，前三种目前在隧道开挖中用的很普及，其中土压平衡盾构机使用较多。为了适应复合地层的推进，盾构机均配备了渣土改良系统，主要由泡沫系统和膨润土系统构成，泡沫剂和膨润土作为渣土改良介质，在盾构机掘进过程与渣土混合在一起，提高了渣土流动性和塑性，可以降低刀盘扭矩，减少刀具磨损，冷却渣温，防止渣土黏附压实。

目前海瑞克土压平衡盾构机标配的渣土改良系统由泡沫系统和膨润土系统组成，泡沫系统由泡沫罐、泡沫泵、6条泡沫管路、流量计、泡沫发生器、控制面板组成，其中5条泡沫管路直接连接到刀盘上的F1、F2、F3、F4、F5号泡沫喷头，1条泡沫管路连接在螺旋机上，分别采用6个1.5kW泡沫泵（流量为180L/min）供混合液，共同采用1个0.37kW泡沫泵（流量为5L/min）供应泡沫;膨润土系统由膨润土罐、膨润土泵、6条膨润土管路组成，由1个5.5kW膨润土泵（流量为10m3/h）供应膨润土，膨润土管路在连接桥上与泡沫管路混合，泡沫系统与膨润土系统可单独使用也可同时使用。

该渣土改良系统可通过混合水、空气、發泡剂和膨润土，并设定发泡率FER和注入率FIR，自动在推进过程中向土仓加入泡沫剂和膨润土。原液配比一般选用2%～5%，发泡倍率FER一般选择8～20，泡沫注入率FIR一般选择20%～70%，该系统适应大多数复合地层。

1 问题现状

武汉地铁6号线二期工程01标地层主要为：粉质粘土、粘土、粉细沙混粉质粘土，透水性差，使用过程中易出现管路堵塞及发泡效果不好的现象，为了提高整个泡沫系统运行可靠性，对泡沫系统进行单管单泵的改造。

1.1原泡沫系统组成

泡沫系统由泡沫原液箱、泡沫原液泵、水泵、流量计、压力传感器、安全阀、减压阀、单向阀、电动调节阀、压力表、泡沫发射器及连接管路等组成。

1.2原泡沫系统原理

泡沫原液泵将泡沫剂从泡沫原液箱中泵出，并与水按照设置参数的比例混合成溶液。混合溶液被分成五路，分别通过电磁调节阀与流量计后到达泡沫发生器，在泡沫发生器中与压缩空气混合产生泡沫，泡沫溶液和压缩空气的混合比例也按照设置参数进行混合。发泡好的泡沫分别输送到刀盘、土仓、螺旋机。

1.3原泡沫系统存在的弊处

（1）因泡沫原液与水只是在交汇管路处混合，混合不充分，会导致泡沫系统发泡效果不佳，影响渣土改良效果。

（2）因1台水泵与1台泡沫泵同时供给5路泡沫进行使用，当某条管路阻力较大时，泡沫将分流至阻力较小的管路，这就容易造成阻力大的管路加剧阻塞，最终影响渣土改良效果。

2.泡沫系统单管单泵改造原理

2.1将原盾构机泡沫系统5路泡沫共用泵的注入方式改造成5路单管单泵注入方式。（螺旋机管路由第五路过来），每一路泡沫混合液均配备单独的泵，且每台泵的输送能力相同、流量通过变频器可调节，每路单管单泵泡沫均可独立工作，不受土仓压力，管道阻力的影响，较大程度的避免泡沫管路发生堵塞的风险。

2.2泡沫系统中原液和水的混合方式由原来的管路中混合变为在混合液箱中混合。在不增加泡沫原液消耗的条件下，发泡效果更好。同时经过充分混合后的混合液酸碱度得以稀释，可以延长泡沫泵的使用寿命。

3.泡沫单管单泵改造方案

3.1 流体部分

◆原泡沫系统原液泵、流量计，水流量计可继续使用，增加进水电磁阀等部件。增加1立方混合液罐，配液位传感器、液位显示管、放水阀等部件。

◆五路泡沫每路增加一个混合液螺杆泵、安全阀、压力表等部件。每台螺杆泵通过单独的管路连接至桥架的泡沫发生器。

◆泡沫发生器站。气体部分保持不变，包括进气减压阀，五路气体流量计、电动球阀、单向阀等。液体部分保持每路液体流量计、泡沫发生器、压力传感器、单向阀等不变，取消电动调节阀。控制方式由原来通过调节每一路的电动调节阀控制泡沫混合液流量改变为通过调节每一路螺杆泵频率控制混合液的流量。膨润土系统依然保持在此位置接入泡沫系统。

◆经泡沫发生器发泡后的泡沫，管路可连接至回转接头，土舱壁，盾体外壁，螺旋机等不同区域。

3.2 结构部分

◆泡沫混合液站。保留原泡沫桶支架，在附近台车空余位置增加1个1立方的混合液罐以及螺杆泵支架。

◆盾体部分。如保持5路泡沫管路不变，则回转接头等结构无需变动。

◆刀盘部分。如保持刀盘上1分2，8个泡沫喷嘴不变，则无需变动。

◆螺旋机部分。5路单管单泵其中1路直接供给螺旋机

3.3.电气部分

◆直接破解plc程序，导入单管单泵程序，在原有PDV电脑上显示包括远程/本地控制切换按钮、模式按钮、每路泡沫的选择、每路泡沫流量、压力显示，泵运行状态，故障显示，泡沫系统参数设置等。

◆增加一个电柜，用于安装开关，变压器，继电器，PLC模块，混合液螺杆泵变频器等部件。电柜面板增加原液泵及混合液螺杆泵启动/停止按钮及电位计，在调试或者故障检修时，可直接在本地进行操作。在操作室电脑上可进行远程/本地控制切换。

◆在原配电柜增加一个保护断路器，做为整个系统供电开关，与其他系统独立。

4.泡沫系统改造后运行效果

泡沫原液与水在混合箱中充分混合，泡沫混合液泵只针对单个管路，能够有效的防止主入口因压力不均而产生的堵塞现象，同时每个管路上均安装有流量计、压力传感器，由PLC、变频器、工控机协调控制，能够对注入泡沫压力和流量进行准确的、实时的控制和显示，对盾构机掘进过程中渣土改良，控制土压平衡和防止刀盘结泥饼起到良好的辅助作用。改造后的泡沫系统通过5路螺杆泵实现“单管单泵”泡沫注入，每台排量为30L/min。

5.结论

1） 通过对泡沫系统的改造，渣土改良良好，利于开挖面的稳定，控制地表沉降。提高了渣土的不透水性，使渣土具有较好的止水性，控制了地下水的流失。降低了刀盘扭矩和螺旋输送机的扭矩，同时减少对刀具和螺旋输送机的磨损，提高了推进速度，盾构在粘性土层长距离掘进而不结泥饼，确保了施工安全，从而提高了盾构机的掘进效率。

2）通过实际工程应用，证明本泡沫系统的管路配置、泡沫发生器参数的选定、控制系统的设计是合理可行的，通过本次使用、总结、改进，为后续土压平衡盾构机改造积累了经验。

本系统仅对注入系统，控制系统进行了研究，后续控制部件的选用还有待比较。

参考文献

1、王军;侯著钊;;土压平衡盾构泡沫控制系统的设计[J];建筑机械化;2012年05期

2、郑杨锐;林世友;;土压平衡盾构机泡沫系统的研制[J];隧道建设;2012年04期

3、张成.EPB盾构泡沫系统缺陷与改进[J].铁道建筑技术，2016，（1）.

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