兩種泥水平衡盾構在設備配置及使用上的區別

邵業勤/SHAO Ye-qin

（廣東華隧建設股份有限公司，廣東 廣州 510625）

廣州水文地質條件復雜，被地下工程界稱之為“地質的博物館”，因此在盾構選型中需要經常根據地層的變換來選擇盾構類型。在廣州地鐵建設中使用的盾構類型大多可分為兩種，即土壓平衡盾構和泥水平衡盾構。泥水平衡盾構的選擇原則是適用于滲透系統大于10-7m/s，巖土顆粒中粉粒和黏粒總量小于40%的地層，在上軟下硬地層,水體、密集的建筑物或構筑物下地層使用有著地表沉降量小、安全系數高等優點。泥水平衡盾構的基本類型又分為兩種，即直接控制型（日系）和間接控制型(德系)。二者在設備配置、實際使用方面各有特點，僅以廣州地鐵9號線施工5標清布——高增區間使用的日本三菱泥水平衡盾構和德國海瑞克泥水平衡盾構為例對環流系統、管片拼裝及輸送系統、環流管路延伸系統進行對比和分析。

1 環流系統比較

1.1 設備配置

從結構上來看，三菱泥水平衡盾構密封隔板與掌子面僅有1個密封艙，稱為泥水艙（圖1）。海瑞克泥水平衡盾構是在密封艙內增加了1個中隔板，靠近掌子面的稱為泥水艙，靠近密封隔板的稱為氣壓艙，兩艙體底部通過泥漿連通，氣壓艙上部通過外接的氣壓系統形成1個氣囊（圖2）。三菱泥水平衡盾構泥水艙灌滿泥漿，通過PLC變頻器來調整送漿泵及排漿泵的電機轉速來控制泥漿流量，通過調整送泥和排泥流量來控制泥水艙內泥漿壓力，以實現泥水艙壓力與掌子面水土壓力平衡，這種方式稱為直接控制型（日系），泥水艙壓力調節比較直接、迅速，切口水壓波動會比較大，人員的熟練程度和操控水平要求較高。切口水壓變化要求控制在±10kPa以內。海瑞克泥水平衡盾構泥水艙灌滿泥漿，氣壓艙內上部充滿壓縮空氣，下部是泥漿且與泥水艙連通。氣壓艙上部的空氣壓力通過氣壓艙下部泥漿傳遞到泥水艙，通過調節氣壓艙壓力來間接控制泥水艙的泥漿壓力，并保持氣壓加泥水艙壓力與掌子面水土壓力平衡，這種方式稱為間接控制型(德系)。由于氣艙壓力的變化是通過氣壓平衡系統來調節的，在系統內設定切口水壓波動值，便可自動通過調節氣壓平衡系統的進氣排氣來保持艙內泥水壓力平衡，因此切口水壓波動會較小，切口水壓變化要求控制在±5kPa以內。海瑞克氣壓平衡系統不僅可以用于調節泥水艙壓力，還可以用于人員進艙換刀、清理泥餅的加氣壓作業。三菱泥水平衡盾構沒有配置這項功能，加氣壓作業可通過安裝一套獨立的空氣壓縮裝置來進行。

圖1 三菱泥水平衡盾構結構圖

圖2 海瑞克泥水平衡盾構結構圖

1.2 實際使用

在實際操作盾構時，通常是根據當前環的地質和水文條件，通過公式計算出切口水壓設定值。三菱泥水平衡盾構操作人員時刻關注裝在隔艙壁的壓力表反饋的切口水壓波動，及時通過調節送泥管和排泥管的泵轉速來保持掌子面壓力平衡，維持掘進狀態。當環流系統堵塞時，通過切換管路變換送排泥管的方向用正逆洗管（送排泥方向互換）及旁路狀態來帶出管路堵塞物，使得排泥管出口不易堵塞。海瑞克泥水平衡盾構需要時刻關注裝在氣壓艙壁的液位計反饋的液位高度，來維持掌子面的壓力平衡，通過調節送泥管和排泥管的泵轉速來保持壓力平衡，維持掘進狀態。在掘進時，可以通過來回切換連通到氣壓艙和泥水艙的眾多進泥管來沖刷刀盤及破碎機格柵，預防環流系統堵塞。但是環流系統一旦堵塞，要比三菱泥水平衡盾構花費更多的時間去清洗管路。兩種盾構管路圖如圖3、圖4所示。相比之下，海瑞克盾構解決堵管問題是主動式，三菱泥水平衡盾構解決堵管問題是被動式。在刀盤防結泥餅方面，除了共同具備的送排泥管、回轉中心管、主被動攪拌棒，海瑞克泥水平衡盾構還可以切換不同的送流管路來沖刷刀盤，并且單獨加大某根管路來沖刷刀盤上不同的部位，對于防結泥餅方面更加有利，三菱泥水平衡盾構只有1根送泥管，沖刷到刀盤的位置有限，不利于防結泥餅。對付刀盤切削下來的石塊，三菱泥水平衡盾構是通過裝在后配套臺車排泥管路上的采石箱去收集，防止大塊的石頭堵塞管路，當掘進到六、七號以上地層占多的環號時，采石箱很容易就被堵滿，需要花費不少時間去人工清理。而海瑞克泥水平衡盾構通過在氣壓艙下部的排漿管入口前方設置破碎機和格柵，利用破碎機（把大塊石頭破碎成小石子）+格柵（阻擋直徑20cm以上石頭）組合來解決大塊石頭堵管的問題。

圖3 三菱泥水平衡盾構管路圖

圖4 海瑞克平衡泥水盾構管路圖

2 管片拼裝及輸送系統比較

2.1 拼裝系統比較

從原理上來看，完成一環管片的拼裝,需要對管片的6個自由度進行調整（圖5）即水平伸縮(沿隧道斷面x方向)、軸向回轉(沿隧道壁周向y方向)、軸向伸縮(沿隧道軸線方向z)，以及隨管片姿態調整的3個方向的轉動(偏轉θx,俯仰θy,搖擺θz)。三菱泥水平衡盾構的管片拼裝機只有5個自由度，即水平伸縮、軸向回轉、軸向伸縮、管片的俯仰θy及軸向搖擺θz，只有偏轉θx,需要依靠推進油缸的頂推來完成。三菱泥水平衡盾構軸向伸縮長度為0.6m,換向閥控制靈敏度低，管片拼裝不夠平穩，成環管片錯臺量大、碎裂現象多。海瑞克泥水平衡盾構的管片拼裝機具備全部6個自由度，軸向伸縮長度為2m，液壓伺服控制靈敏度高，管片拼裝平穩，成環管片平整，碎裂現象少。從設備配置來看，前者拼裝機結構簡單,可稱為環型齒式拼裝機，優點是作業平臺大。后者拼裝機結構復雜，可稱為環型液壓式拼裝機，作業平臺小，優點是拼裝操作較前者要靈活，拼裝質量更高。

圖5 自由度拼裝示意圖

2.2 輸送系統比較

管片輸送是管片拼裝工藝流程一個重要的影響因素，對吊運過程中管片的保護以及管片拼裝的速度有著至關重要的影響。三菱泥水平衡盾構輸送系統由1臺單軌梁電動葫蘆吊+1臺雙軌梁電動葫蘆吊組成(圖6)，管片從電瓶車上先用單軌梁電動葫蘆吊卸車，吊至雙軌梁區域后，再用雙軌梁電動葫蘆吊轉運至最前環管片位置，兩次吊運不僅增加了管片碰撞破損的幾率，還增加了輸送時間。海瑞克泥水平衡盾構輸送系統由1臺單軌梁電動葫蘆吊+管片輸送器組成(圖7),在吊運過程單軌梁把管片從電瓶車直接吊運到管片輸送器上，吊運平穩且只吊運1次，降低了管片碰撞破損的幾率，較前者節省輸送時間。

圖6 三菱泥水平衡盾構拼裝示意圖

圖7 海瑞克泥水平衡盾構拼裝示意圖

3 環流管路延伸系統比較

由于泥水平衡盾構每推進6m都需要延伸一次環流管路，因此三菱泥水平衡盾構與海瑞克泥水平衡盾構在最末節臺車都設有環流管路延伸系統，但兩者也在設備配置及使用方面也有所不同。三菱泥水平衡盾構采用軟管卷盤系統(圖8)，延伸管路時，通過牽引電機收縮鋼索收縮管路，在收縮后的延伸區域用手拉葫蘆延伸管路。結構簡單，延伸管路時間較后者多。海瑞克泥水平衡盾構采用的是鋼套管延伸系統（類似推進千斤頂收縮的方式，如圖9所示），通過液壓裝置收縮管路，在收縮好的延伸區域用電動葫蘆延伸管路。鋼套管延伸系統的維護保養成本較高，但接續管路較前者方便。

圖8 三菱泥水平衡盾構環流管路延伸示意圖

圖9 海瑞克泥水平衡盾構環流管路延伸示意圖

4 結 語

通過對三菱泥水平衡盾構與海瑞克泥水平衡盾構進行以上3方面的對比，從設備配置角度來看，前者的設備造價低，配置簡單實用，對作業人員的素質要求高。后者設備造價高，配置方面較為復雜及自動化，減輕了作業人員的工作量。另一方面，從現場施工角度來看，前者優點是設備維修保養簡單方便，管片拼裝平臺寬敞，缺點是臺車內沒有設置人行通道，在生產繁忙時，電瓶車在臺車內作業人員互相妨礙。后者優點是設備操作更為簡單，電瓶車與作業人員各行其道互不妨礙。缺點是設備系統復雜，維護保養成本高。當然，三菱泥水平衡盾構與海瑞克泥水平衡盾構在設備配置、實際施工中還存在許多不相同、值得研究的地方，本文僅僅就影響盾構掘進效率的3大系統做一簡單比較，希望能為盾構的選型與施工提供一個參考。

[1]張鳳祥.盾構隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京：建筑工業出版社，2004.

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