分析泥水平衡盾構穿越軟弱地層快速掘進技術

林震

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

摘 要：該文對穿越軟弱底層的泥水平衡盾構掘進速度的因素進行了分析，通過對泥漿性能和黏土段掘進參數的調整，泥漿攜渣能力改善了，黏土段的掘進速度得到提高，提出了技術措施來改善壓力波動和出渣。通過對掘進速度、扭矩及推力等運行參數的調整，順利通過沙礫層。調整泥水循環和泥漿比重，避免發生堵泵、堵倉、管路堵塞情況，形成了關鍵成套技術用于泥水平衡盾構穿越軟地層施工，實現快速掘進的長距離軟巖條件下泥水平衡盾構。

關鍵詞：盾構掘進 泥水平衡 盾構姿態 軟弱地層 刀具配置 管片錯臺

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（c）-0024-02

某市核電站取水隧洞單隧建筑長度4 321.4 m，開挖直徑8.93 m。而引水隧洞所穿越的主要底層是砂黏土地層，因此引水隧洞的施工采用泥水平衡盾構技術。

1 影響盾構掘進速度的因素分析

很多因素會影響盾構掘進速度。諸如盾構各生產系統的生產能力、互相配合、協調程度、駕馭生產系統的管理隊伍的管理水平等，都是制約掘進速度的因素。高水平的管理不僅追求速度，更要追求速度與系統能力的協調。較慢的盾構掘進速度會使生產能力受到制約，降低生產效率，抬高成本，因此，掘進快慢應該合理。

生產能力應該合理配置，各生產工藝流程應該科學設計，管理方法應科學合理。所以在黏土地層段和砂巖地層通過盾構時，應在遵照原則，協調各個環節，互相促進的基礎上，達到快速推進軟巖地層段盾構的目的。

2 列車編組及軌道布置

列車編組會影響盾構掘進的速度，所以必須科學合理。列車編組在空間、時間上可以對生產環節合理安排，達到高產高效、有條不紊、系統協調，各環節間可以避免相互干擾，達到安全生產的目的。

列車編組分3個階段，滿足盾構掘進的施工需求。

（1）掘進隧洞。在這個過程里，因為縱坡太長，不宜倒換編組，所以編組為兩列：材料車、管片車、電瓶車；砂漿車、管片車、電瓶車。每列車都是一趟一個循環。列車長度20 600 mm。

（2）在隧道掘進到1 500～3 000 m的過程中，列車分成兩列，編組均為砂漿車、電瓶車、管片車和管片車。跑1趟為1個循環，1列車長度是26 400 mm。

（3）掘進3 000 m后，3列車編組為：砂漿車、電瓶車、管片車、管片車。列車編組從出來到井口是：管片車、管片車、砂漿車、電瓶車。每列車1個循環是1趟。每列車長度是26 400 mm。

3 刀具的配置

掘進軟弱地層段的時候，盾構刀具主要以切削為主要功能，把硬巖段的中心雙刃滾刀和單刃滾刀替換成雙聯齒刀和單聯齒刀。其配置見表1。

改進刀具，可使刀具使用壽命延長，刀具對地質條件的適應性增強，使盾構掘進速度加快。

4 掘進參數和泥漿性能調整

4.1 黏土段的掘進參數和泥漿性能團

出渣過程中盾構掘進黏度和比重增加較快，黏土粒徑太小，較大比重的泥漿循環出渣效果不好，沒有攜帶細顆黏性土的良好特性，導致堵倉、堵泵和堵管的現象，形成出渣不暢的泥水管路。經過多次實驗，控制在比重1.0～1.1 g/cm3左右的泥漿性能、23～27 mm/min的掘進速度、2～3 rpm的刀盤轉速、19～21 s的泥漿黏度的泥漿有較好的攜渣能力，可以使掘進正常進行。

因為黏度較大、容易結塊，進行快速掘進時附著在刀盤和刀箱上結成泥餅，在艙內堆積，刀盤會因泥餅面積增大而變成一個平面，放慢掘進速度，降低開挖切削能力，黏土沉積硬結會導致泥水倉底部出現堵塞倉門的現象，出渣變難，倉內有較大壓力波動，使掘進變得不穩定。作者嘗試了很多辦法在施工過程中改善壓力和出渣波動的情況，下面是主要措施。

（1）加大刀盤轉速且使刀盤旋轉方向在每環掘進改變，減小掘進速度。

（2）氣倉和刀盤泥漿循環沖刷方式改變，如進漿流量增大、進排漿流量差增大，氣倉次數提高、泥水倉沖洗和管路沖刷都要加強。

（3）為了保證輸送能力和送漿壓力的增加，需要增加中繼泵的負載。中繼泵發熱量增加的原因往往是高負荷運轉，溫度很快上升，泵體的密閉性被破壞，可能造成盤根損壞漏漿或跳停，因此不宜在過長時間提高中繼泵負荷。

（4）使泥漿的黏度和比重降低，及時對漿池漿液更換或調稀。

調整黏土地層泥漿比重到1.2左右可以提高攜渣能力，而且換漿不應該太急，快速改變泥漿參數，應對參數緩慢調整，防止渣土在掘進中擁堵。

4.2 粗砂礫層段掘進技術

在兩段掘進里程中，少部分是粉砂混粉質黏土、黏土。在這個區域里進行掘進任務，要逐漸把注漿量加大。反復統計分析和實驗了兩條隧洞，不停對盾構機運行參數進行調整，穩定盾構機，穩步推進掘進工作。掘進速度，推力2 400～2 600 t，刀盤轉速2.3～2.6 rpm，扭矩0.6～1.0 MN.m，這時泥水有相對穩定壓力，安全通過沙礫層。

為了讓管片姿態和掘金姿態在設計區間內，首先，加大推進油缸下半部分的3組推力到最值，上半部分的3組減小到最值，令刀盤抬頭。此外，管片安裝從底部開始，安裝后再對其余管片進行安裝，最終盾構姿態恢復到周線的附近。

5 關鍵技術控制

（1）監控監測應加強，按需要使泥漿的黏度和比重在水循環系統中有所降低，更換漿池漿液或及時加水調稀，渣土漿液的分離需利用濃縮池進行加強。

（2）控制管片旋轉。刀盤轉速下降，掘進扭矩加大，依靠改變刀盤旋轉方向，順時針利用摩擦力回轉環管片；對管片拼裝順序進行調整，依次逆時針拼裝，每裝一塊就對齊平整、能夠連接相鄰環螺栓后，管片順時針微調，之后使用扳手擰緊螺栓；調整盾尾間隙、管片安裝質量和盾構姿態，對應盾構姿態和管片狀態，開挖底層斷面、管片和盾尾間隙均應均勻。

（3）防止上浮的管片。在掘進砂層段和黏土段時，倘若砂漿性能和盾構姿態不能確定參數，管片上浮和管片錯臺會很容易造成，為了對這種現象進行控制，必須在盾構中做好以下工作。

改變注漿方式，根據要求的姿態，調整注漿量和注漿次數；根據變化的姿態，調整推進壓力，使得盾構機開挖走向和姿態調整相吻合；調整盾構姿態應依據監測數據得到的上浮量，以滿足隧道軸線要求。增大同步注漿量的同時降低掘進速度，縮短初凝時間。

6 結語

該工程實現了泥水平衡盾構在軟巖條件下快速長距離推進，平均每月推進500 m，最高可達到823.4 m，同時穿越軟弱地層施工的泥水平衡盾構關鍵成套技術也實現了。

參考文獻

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