基于海灣隧道典型地質(zhì)的盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

王又增，徐金秋，司馬少坤，蘇志學(xué)，鐘 宇

（1.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016；2.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

1 工程概況

海灣隧道是國內(nèi)首條在8 度地震烈度區(qū)建設(shè)的海底隧道，隧道所處地質(zhì)條件非常復(fù)雜，盾構(gòu)隧道始發(fā)和到達(dá)段為淤泥層，埋深淺（始發(fā)段11m，到達(dá)段12.5m），海域段長距離穿越淤泥質(zhì)軟土、砂層，區(qū)間存在花崗巖球狀風(fēng)化分布區(qū)、凸起基巖段162m，侵入隧道最大高度6.4m[1～2]。

該工程主要穿越淤泥、中粗砂、粉細(xì)砂、淤泥混砂、微風(fēng)化花崗巖，其中局部巖石強度達(dá)到210MPa。盾構(gòu)施工段大部分地質(zhì)偏軟，基巖凸起段、拋石回填區(qū)是典型的上軟下硬區(qū)間（圖1）。采用氣墊式復(fù)合泥水盾構(gòu)施工，對環(huán)流系統(tǒng)出渣具有極大的挑戰(zhàn)性。

2 針對性分析

海灣隧道地質(zhì)軟硬不均，對盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)應(yīng)用存在極大的挑戰(zhàn)性。

在始發(fā)地段存在較大拋石和基巖凸起，巖石硬度較大（圖2），經(jīng)破碎后進(jìn)入主排漿管道，通過離心泵泵送至地面。為了防止渣石滯排至泥漿門，除了增加泥漿門底部及周圍的沖刷外，還需要增大主排管格柵的尺寸，讓渣石快速通過格柵進(jìn)入主排漿管道；為了防止大塊渣石堵塞泥漿泵，在泥漿泵前部增加采石箱（圖3）。

在施工隧道段，大部分區(qū)域處于淤泥土、粉細(xì)砂層，地質(zhì)偏軟，具有一定的粘性，環(huán)流系統(tǒng)出渣為團(tuán)狀淤泥，容易堵塞格柵和采石箱格柵，滯排問題尤為嚴(yán)重。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，在泥漿泵前設(shè)計有分流器（圖4），通過離心泵將團(tuán)狀淤泥質(zhì)土及混砂泵送至分離站。

圖1 海灣隧道地質(zhì)剖面圖

圖2 海灣隧道孤石

圖3 采石箱設(shè)計

圖4 筒式分流器設(shè)計

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

海灣隧道超大直徑盾構(gòu)為適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件，環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計有旁通模式、掘進(jìn)模式、逆洗模式、小循環(huán)模式、前倉直排模式等等，但在施工過程中由于地質(zhì)復(fù)雜，地勘存在一定偏差，導(dǎo)致施工掘進(jìn)困難。

在西線掘進(jìn)過程中，加固區(qū)底部存在基巖凸起，花崗巖強度較大，在推進(jìn)過程中，石塊含量較多，環(huán)流系統(tǒng)出現(xiàn)多次卡泵現(xiàn)象。在施工過程中，未采用采石箱裝置，主要因為在應(yīng)用采石箱過程中不但要過濾較大的石塊，較小的石塊也會一并過濾，采石箱容積有限，采石箱很快就堆積滿渣石，影響渣漿流動性，造成渣漿滯排、泥漿泵吸空，不得不頻繁開箱清渣，影響掘進(jìn)效率。

在實際應(yīng)用中采用筒式分流器，無論多大石塊都可以通過泥漿泵將其泵送至地面，相對采石箱來說，不用過濾石塊，沒有開箱清石的時間，停機時間相對較短。但在實際應(yīng)用中，沒有過濾較大石塊，后隔板格柵開口尺寸較大，較大石塊在多種力的作用下容易通過格柵抵達(dá)泥漿泵，容易造成卡泵現(xiàn)象。

在施工現(xiàn)場，泥漿泵卡堵的原因是多方面的。如圖5 所示，卡堵泥漿泵的原因有：①石塊尺寸過大；②多個不同尺寸石塊堆積在泵內(nèi)；③由于鐵皮等雜物太多容易造成泵卡堵，引起環(huán)流系統(tǒng)癱瘓。

圖5 卡堵泵現(xiàn)象

4 改進(jìn)措施

針對上述問題展開系列改進(jìn)以提高施工效率。

4.1 格柵改進(jìn)

后隔板格柵設(shè)計對環(huán)流系統(tǒng)影響較大，格柵尺寸太小通流面積太小，影響出渣，雖然較大石塊基本全部破碎，但是對黏土地層，黏土容易粘附在格柵表面，造成通流面積減少，容易導(dǎo)致氣墊倉底部滯排，影響掘進(jìn)。格柵太大，通流面積較大，通流效果好，較大渣石可以順利通過格柵進(jìn)入主排漿管，減輕破碎機的負(fù)載，延長破碎機的使用壽命。

為了平衡各方因素，在加固區(qū)停機常壓進(jìn)倉改進(jìn)格柵（圖6）。為了保持較大通流面積又可以對渣石進(jìn)行限徑，通過討論計算選擇其中一個方案。

4.2 延續(xù)筒式分流器

為了防止較大石塊卡泵堵管泵，設(shè)置采石箱有一定的效果，但是頻繁開箱采石，還是影響施工效率。通過目前的施工來看，最好的采石工具不是采石箱，環(huán)流系統(tǒng)最好的采石裝置就是泥漿泵。本工程中繼續(xù)沿用筒式分流器。

圖6 格柵優(yōu)化

4.3 改進(jìn)主泵進(jìn)漿管

改進(jìn)了格柵的設(shè)計，但是在施工過程中，渣石間歇性集中出現(xiàn)也會造成卡泵。尺寸較小渣石集中出現(xiàn)，各個石塊及泥漿管（圖7）存在相對作用力，容易將泥漿泵葉輪的渦舌堵塞，造成卡堵泵，導(dǎo)致泥漿泵運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)動慣量不平衡，影響泥漿泵盤根的壽命和泥漿泵軸承的壽命。

圖7 泵進(jìn)口泥漿管

對這種情況提出的改進(jìn)方法是：提前在泥漿泵前將泥漿管路縮頸（圖8），讓集中出現(xiàn)的渣石離散化，讓渣石單獨通過離心泵，提高了渣石通過離心泵的效率，極大降低泥漿泵卡堵的概率。

圖8 優(yōu)化后泵進(jìn)口泥漿管

5 環(huán)流系統(tǒng)操作工法的優(yōu)化

針對基巖孤石和黏土復(fù)雜地層也制定了特殊的操作工法。

5.1 孤石基巖凸起地層操作工法

孤石基巖凸起地層除了控制貫入度，控制刀盤轉(zhuǎn)速，將渣石充分破碎后，還要注意環(huán)流的操作工法。

1）啟動環(huán)流系統(tǒng)旁通模式，將顎式破碎機達(dá)到碎石狀態(tài)，將氣墊倉底部渣石再次破碎，并攪動底部漿液，防止底部有較大渣石或者渣漿沉積板結(jié)。

2）由旁通模式切換至逆洗模式，將顎式破碎機由碎石狀態(tài)切換為攪拌狀態(tài)，疏通氣墊倉底部，防止流道堵塞。

3）由旁通狀態(tài)切換至空推掘進(jìn)模式，將顎式破碎機保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，空轉(zhuǎn)洗倉，提前將多余的渣石排至分離站，確保各支路進(jìn)漿正常。

4）由空推掘進(jìn)模式切換為掘進(jìn)模式，將顎式破碎機切換為碎石狀態(tài)，根據(jù)分離站渣石量和破碎機高壓次數(shù)，確定破碎機開合頻率。①在掘進(jìn)工程中，可以連續(xù)性碎石，間歇性洗倉逆洗，防止石塊群集中出現(xiàn)卡堵泥漿泵；②注意控制主排漿流量，對于海灣隧道可以控制在2 500m3/h,流量大，石塊流速突變也會造成卡泵；③應(yīng)該加強對主排漿泵連鎖的管控，防止意外主排漿泵停止，流速突變，導(dǎo)致石塊群卡堵泥漿泵。

5）由掘進(jìn)模式切換至空推掘進(jìn)模式，將顎式破碎機保持碎石狀態(tài)，空轉(zhuǎn)洗倉，提前將多余的渣石排至分離站，防止停機后渣石沉積，影響下次恢復(fù)掘進(jìn)。

6）由空推掘進(jìn)模式切換至旁通模式，再有旁通模式切換至逆洗模式，將顎式破碎機保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，疏通主排漿管，防止石塊沉積管道內(nèi)。

7）由逆洗模式切換至旁通模式，將顎式破碎機保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，然后停機。

全過程操作，防止石塊卡堵泥漿泵和管道，提高施工效率。

5.2 淤泥質(zhì)黏土地層操作工法

淤泥質(zhì)黏土相對孤石基巖凸起地層，除了控制刀盤貫入度和轉(zhuǎn)速外，也要注意環(huán)流系統(tǒng)的操作工法。

1）啟動環(huán)流系統(tǒng)旁通模式，將顎式破碎機達(dá)到攪拌狀態(tài)，將氣墊倉底部沉積的粘土及混砂再次攪動，增加漿液的流動性，防止渣漿沉積板結(jié)。

2）由旁通模式切換至逆洗模式，保持顎式破碎機攪拌狀態(tài)，疏通氣墊倉底部，防止流道堵塞。

3）由旁通狀態(tài)切換至空推掘進(jìn)模式，保持顎式破碎機攪拌狀態(tài)，空轉(zhuǎn)洗倉，確保各支路進(jìn)漿正常。

4）由空推掘進(jìn)模式切換為掘進(jìn)模式，保持顎式破碎機攪拌狀態(tài)，根據(jù)分離站分離情況，確定破碎機攪拌頻率。另外，在掘進(jìn)過程中，可以連續(xù)性攪拌，間歇性洗倉逆洗，同時加大對泥水倉的進(jìn)漿量，防止粘土聚集結(jié)餅。

5）由掘進(jìn)模式切換至空推掘進(jìn)模式，顎式破碎機保持為攪拌狀態(tài)，空轉(zhuǎn)洗倉，降低倉內(nèi)泥漿比重，防止停機后渣漿沉積，影響下次恢復(fù)掘進(jìn)。

6）由空推掘進(jìn)模式切換至旁通模式，再有旁通模式切換至逆洗模式，將顎式破碎機保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，疏通主排漿管，防止渣漿沉積管道內(nèi)。

7）由逆洗模式切換至旁通模式，將顎式破碎機保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，然后停機。

全過程操作，防止渣漿沉積管道和結(jié)泥餅，提高施工效率。

6 結(jié)語

通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)和環(huán)流系統(tǒng)操作工法的優(yōu)化，提高了環(huán)流系統(tǒng)應(yīng)對復(fù)雜地層了能力。在后期掘進(jìn)中，沒有出現(xiàn)卡泵滯排等現(xiàn)象，降低了非施工時間的占有率，提高了環(huán)流系統(tǒng)的攜渣能力，同等地質(zhì)降低了推力，間接地保護(hù)了刀盤，利于刀盤刀具延壽。