泥水盾構(gòu)泥漿門(mén)布置方式探討

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

一般情況下，氣墊式泥水盾構(gòu)均配置泥漿門(mén)。在掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)氣墊倉(cāng)內(nèi)的破碎機(jī)、管路、球閥、傳感器等部件出現(xiàn)故障時(shí)，或出現(xiàn)氣墊倉(cāng)滯排情況時(shí)，通過(guò)關(guān)閉泥漿門(mén)，可實(shí)現(xiàn)人員在常壓工況下進(jìn)入氣墊倉(cāng)作業(yè)，處理設(shè)備故障或清理倉(cāng)內(nèi)異物。泥漿門(mén)能否順利關(guān)閉及關(guān)閉后的密封效果，直接關(guān)系到是否可以常壓進(jìn)倉(cāng)及進(jìn)倉(cāng)后的作業(yè)安全，因此，泥漿門(mén)的設(shè)計(jì)方案尤為重要。根據(jù)安裝位置的不同，泥漿門(mén)分前置式和后置式兩種布置方式，本文對(duì)這兩種布置方式的受力狀態(tài)及使用情況進(jìn)行研究，分析兩種泥漿門(mén)布置方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 泥漿門(mén)簡(jiǎn)介

泥漿門(mén)是氣墊式泥水盾構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和重要部件，設(shè)置在前盾前隔板的底部，是連通泥水倉(cāng)和氣墊倉(cāng)的主要通道，用于漿液流通及攜渣外排（圖1）。在盾構(gòu)正常掘進(jìn)時(shí)，泥漿門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)，氣墊倉(cāng)上部充滿(mǎn)壓力空氣，壓力空氣作用于氣墊倉(cāng)下部的泥漿，通過(guò)泥漿門(mén)將壓力傳遞到泥水倉(cāng)內(nèi)的泥漿，泥漿將壓力傳遞到掌子面，從而平衡掌子面的水土壓力。當(dāng)需要進(jìn)入氣墊倉(cāng)進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)，通過(guò)關(guān)閉泥漿門(mén)，可隔開(kāi)氣墊倉(cāng)和泥水倉(cāng)，然后降低氣墊倉(cāng)內(nèi)的空氣壓力，直至達(dá)到常壓環(huán)境，從而提高進(jìn)倉(cāng)作業(yè)的安全性和作業(yè)效率。泥漿門(mén)的布置方式主要分為前置式和后置式兩種，在現(xiàn)有的泥水盾構(gòu)中均有應(yīng)用（圖2、圖3）。

圖1 泥漿門(mén)示意圖

圖2 前置式泥漿門(mén)示意圖

圖3 后置式泥漿門(mén)示意圖

前置式泥漿門(mén)設(shè)置在泥水倉(cāng)底部、前隔板之前，其門(mén)板和門(mén)框在泥水倉(cāng)，液壓油缸在氣墊倉(cāng)，門(mén)板背后設(shè)計(jì)有整圈的密封槽和注脂孔。當(dāng)泥漿門(mén)關(guān)閉時(shí)，通過(guò)泥漿門(mén)門(mén)板背后的注脂孔，向密封槽內(nèi)注入密封油脂進(jìn)行填充，從而起到密封作用（圖4）。

圖4 前置式泥漿門(mén)密封示意圖

如圖5 所示，后置式泥漿門(mén)設(shè)置在氣墊倉(cāng)底部、前隔板之后，其門(mén)板、門(mén)框、液壓油缸均在氣墊倉(cāng)，門(mén)板上設(shè)計(jì)有氣囊密封。當(dāng)泥漿門(mén)關(guān)閉時(shí)，泥漿門(mén)門(mén)板上整圈的氣囊密封充氣后，密封唇伸出與隔板貼合，從而起到密封作用。

圖5 后置式泥漿門(mén)密封示意圖

2 兩種泥漿門(mén)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

兩種布置方式的泥漿門(mén)功能相同，但其密封工作原理不同，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，以下對(duì)兩種形式泥漿門(mén)的特點(diǎn)進(jìn)行分析比較。

2.1 泥漿門(mén)關(guān)閉狀態(tài)

如圖6 所示，前置式泥漿門(mén)設(shè)置在前隔板之前，當(dāng)泥漿門(mén)關(guān)閉后，氣墊倉(cāng)逐步開(kāi)始降壓，泥水倉(cāng)比氣墊倉(cāng)的壓力大，因此泥漿門(mén)可不通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)壓緊，依靠壓力差自動(dòng)貼緊前隔板。通過(guò)注入高壓油脂，填充密封處的細(xì)小縫隙，增強(qiáng)密封效果，避免泥水倉(cāng)漿液通過(guò)泥漿門(mén)與前隔板貼合面進(jìn)入氣墊倉(cāng)，達(dá)到密封效果。

如圖7 所示，后置式泥漿門(mén)設(shè)置在前隔板之后，當(dāng)泥漿門(mén)關(guān)閉后，需要伸出液壓油缸，使門(mén)板頂緊壓緊塊，從而使門(mén)板與前隔板貼合，貼合后氣囊密封充氣，密封唇伸出后可防止泥水倉(cāng)漿液進(jìn)入氣墊倉(cāng)。當(dāng)氣墊倉(cāng)逐步開(kāi)始降壓，泥水倉(cāng)比氣墊倉(cāng)的壓力大，因此泥漿門(mén)在密封時(shí)，其密封性還需承受泥水倉(cāng)和氣墊倉(cāng)的壓力差。

圖6 前置式泥漿門(mén)關(guān)閉狀態(tài)

圖7 后置式泥漿門(mén)關(guān)閉狀態(tài)

綜上所述，從泥漿門(mén)關(guān)閉后的受力以及密封效果分析，前置泥漿門(mén)優(yōu)于后置泥漿門(mén)，更加適用于長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)入氣墊倉(cāng)進(jìn)行作業(yè)。

2.2 泥漿門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)

如圖8 所示，盾構(gòu)正常掘進(jìn)過(guò)程中，泥漿門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)，前置式泥漿門(mén)由于整體處在泥水倉(cāng)，漿液的擾動(dòng)及石塊的撞擊會(huì)加大泥漿門(mén)的磨損，且門(mén)板下部為懸臂狀態(tài)，當(dāng)受到大石塊沖擊時(shí)可能會(huì)造成門(mén)板損壞。

如圖9 所示，后置泥漿門(mén)在開(kāi)啟時(shí)，整個(gè)門(mén)板在前隔板之后，漿液從泥水倉(cāng)流動(dòng)到氣墊倉(cāng)時(shí)，不會(huì)對(duì)門(mén)板造成較大的沖擊和磨損。

圖8 前 置泥漿門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)

圖9 后置泥漿門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)

綜上所述，從泥漿門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)的受力以及磨損情況分析，后置泥漿門(mén)優(yōu)于前置泥漿門(mén)。

2.3 泥漿門(mén)在氣墊倉(cāng)保壓時(shí)狀態(tài)

泥水盾構(gòu)在工廠制造階段，以及工地組裝完成之后，需要對(duì)氣墊倉(cāng)進(jìn)行保壓試驗(yàn)。如圖10 所示，當(dāng)保壓試驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉泥漿門(mén)，對(duì)氣墊倉(cāng)進(jìn)行加壓，前置式泥漿門(mén)此時(shí)受力變?yōu)橛蓺鈮|倉(cāng)指向泥水倉(cāng)，需要在泥水倉(cāng)對(duì)泥漿門(mén)進(jìn)行固定。而后置式泥漿門(mén)則可以依靠氣墊倉(cāng)壓力被動(dòng)壓緊，再通過(guò)氣囊密封充氣來(lái)密封泥漿門(mén)與前隔板結(jié)合面（圖11）。

圖10 前置式泥漿門(mén)保壓狀態(tài)

綜上所述，從氣墊倉(cāng)保壓試驗(yàn)的受力和密封狀態(tài)分析，后置式泥漿門(mén)優(yōu)于前置式泥漿門(mén)，更加便于進(jìn)行氣墊倉(cāng)保壓試驗(yàn)。

圖11 后置式泥漿門(mén)保壓狀態(tài)

2.4 兩種泥漿門(mén)的應(yīng)用情況

國(guó)內(nèi)外的氣墊式泥水盾構(gòu)多采用后置式泥漿門(mén)，屬于氣墊式泥水盾構(gòu)的常規(guī)性設(shè)計(jì)，如佛莞城際?13.61m 大直徑泥水盾構(gòu)，汕頭蘇埃通道?15.03m 超大直徑泥水盾構(gòu)等。法國(guó)某盾構(gòu)廠家設(shè)計(jì)的氣墊式泥水盾構(gòu)均采用前置式泥漿門(mén)，如武漢長(zhǎng)江隧道、廣深港獅子洋隧道的泥水盾構(gòu)等。近年來(lái)國(guó)內(nèi)氣墊式泥水盾構(gòu)采用前置式泥漿門(mén)的案例越來(lái)越多，如深圳春風(fēng)隧道?15.8m 超大直接泥水盾構(gòu)，杭州天目山路提升改造工程?13.46m 大直徑泥水盾構(gòu)等。

總結(jié)兩種泥漿門(mén)布置方式盾構(gòu)的使用情況，到目前為止，尚未有后置泥漿門(mén)關(guān)閉后直接常壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)的案例，需通過(guò)輔助手段提高泥漿門(mén)的密封性，或在關(guān)閉泥漿門(mén)后相對(duì)安全的情況下帶壓進(jìn)倉(cāng)處理問(wèn)題。前置泥漿門(mén)關(guān)閉后直接常壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)的案例則較多。在使用過(guò)程中，后置泥漿門(mén)極易出現(xiàn)氣囊密封損壞的情況，目前暫無(wú)較好的解決辦法；前置泥漿門(mén)需注意保護(hù)密封油脂管路，防止管路損壞無(wú)法注入油脂，造成泄漏點(diǎn)。

綜上所述，從實(shí)際應(yīng)用的情況分析，前置式泥漿門(mén)的實(shí)用性?xún)?yōu)于后置式泥漿門(mén)。

3 泥漿門(mén)的機(jī)械保護(hù)裝置

兩種布置方式的泥漿門(mén)在使用過(guò)程中，除了密封性問(wèn)題外，還存在安全性問(wèn)題。

后置式泥漿門(mén)一般設(shè)計(jì)有機(jī)械保護(hù)裝置，防止泥漿門(mén)異常關(guān)閉或打開(kāi)。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中泥漿門(mén)為開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，泥漿門(mén)油缸處于回收狀態(tài)（圖12），當(dāng)油缸壓力泄漏時(shí)，或出現(xiàn)誤操作時(shí)，泥漿門(mén)可能會(huì)在重力作用下關(guān)閉，造成掘進(jìn)停止。因此在需設(shè)置機(jī)械保護(hù)裝置，早期設(shè)計(jì)的機(jī)械保護(hù)裝置需人工進(jìn)行安裝或拆除。在掘進(jìn)過(guò)程中關(guān)閉泥漿門(mén)時(shí)，需人員帶壓進(jìn)入氣墊倉(cāng)拆除機(jī)械保護(hù)裝置，才能關(guān)閉泥漿門(mén)；打開(kāi)泥漿門(mén)后，仍需人員帶壓進(jìn)入氣墊倉(cāng)安裝機(jī)械保護(hù)裝置，帶壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)存在在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。目前，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)，機(jī)械保護(hù)裝置在空間允許的情況下設(shè)計(jì)為油缸自動(dòng)拔銷(xiāo)形式（圖13），解決了帶壓作業(yè)的問(wèn)題。在人員進(jìn)入氣墊倉(cāng)操作時(shí)，由于泥水倉(cāng)壓力較高，為防止誤操作使泥漿門(mén)開(kāi)啟，造成氣墊倉(cāng)操作人員危險(xiǎn)，在泥漿門(mén)關(guān)閉狀態(tài)也設(shè)置有機(jī)械保護(hù)裝置。關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的機(jī)械保護(hù)裝置需要進(jìn)行人工操作（圖14）。

圖12 泥漿門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)

圖13 泥漿門(mén)油缸自動(dòng)拔銷(xiāo)裝置

圖14 泥漿門(mén)關(guān)閉狀態(tài)安全銷(xiāo)示意圖

早期設(shè)計(jì)的前置式泥漿門(mén)未設(shè)計(jì)機(jī)械保護(hù)裝置，或僅設(shè)計(jì)防開(kāi)裝置。優(yōu)點(diǎn)在于掘進(jìn)過(guò)程中可隨時(shí)關(guān)閉泥漿門(mén)；缺點(diǎn)在于油缸壓力泄漏或誤操作時(shí)，泥漿門(mén)關(guān)閉造成掘進(jìn)停止，或泥漿門(mén)開(kāi)啟造成倉(cāng)內(nèi)作業(yè)人員危險(xiǎn)。因此，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)，前置式泥漿門(mén)已經(jīng)配置了機(jī)械安裝裝置，包括防關(guān)的液壓銷(xiāo)和防開(kāi)的手動(dòng)銷(xiāo)。

綜上所述，泥漿門(mén)機(jī)械安裝裝置的設(shè)計(jì)，保證了兩種布置方式泥漿門(mén)的使用安全性。

4 結(jié)論和建議

根據(jù)以上對(duì)兩種泥漿門(mén)的功能、優(yōu)缺點(diǎn)、安全性的分析，目前在氣墊式泥水盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)時(shí)，推薦采用前置式泥漿門(mén)，特別是進(jìn)入氣墊倉(cāng)作業(yè)較多的工程。但是，在硬巖、破碎帶或卵石等地層，由于泥水倉(cāng)底部磨損、撞擊較大，選用前置泥漿門(mén)損壞可能性略大，需要采用一定的防護(hù)措施。

泥漿門(mén)作為泥水盾構(gòu)的關(guān)鍵部件，雖然已經(jīng)有較多的優(yōu)化改進(jìn)措施，但還不夠完善。在直徑較小的泥水盾構(gòu)上，前置泥漿門(mén)的布置空間有限，存在較大的問(wèn)題。因此，在未來(lái)的泥水盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，對(duì)于泥漿門(mén)布置方式和設(shè)計(jì)的研究與探討仍是一項(xiàng)比較重要的課題。