大直徑泥水氣平衡盾構(gòu)機的泥水環(huán)流處理應(yīng)用分析

薛黃煒

（上海隧道工程機械制造分公司，上海 2002137）

泥水平衡盾構(gòu)機是通過一定壓力的泥漿來支撐穩(wěn)定開挖面，通過泥水壓力與開挖面的水土壓力形成平衡，與其他類型的盾構(gòu)機相比，有施工安全可靠、效率高、質(zhì)量好的優(yōu)點。泥水平衡盾構(gòu)的主要系統(tǒng)是泥水環(huán)流。

1 泥水盾構(gòu)的分類

泥水平衡盾構(gòu)主要分為全斷面泥水平衡盾構(gòu)和泥水氣平衡盾構(gòu)。全斷面泥水盾構(gòu)和泥水氣平衡盾構(gòu)在結(jié)構(gòu)上的差異：全斷面泥水平衡盾構(gòu)機隔板與開挖面只有一個單腔，為泥水倉；而泥水氣平衡盾構(gòu)機隔板與開挖面有兩個腔，靠隔板一側(cè)的稱為氣墊倉，則靠開挖面一側(cè)的稱為泥水倉，兩個倉的底部則是通過前閘門連通。

全斷面泥水盾構(gòu)和泥水氣平衡盾構(gòu)在控制方式上的差異：全斷面泥水倉內(nèi)充滿泥漿，調(diào)節(jié)進泥和排泥流量來控制泥水倉內(nèi)泥漿壓力，通過調(diào)節(jié)進泥泵和排泥泵的轉(zhuǎn)速來控制流量，實現(xiàn)控制壓力；泥水氣平衡盾構(gòu)的氣墊倉上部是空氣，下部是泥漿并通過前閘門與泥水倉連接，通過調(diào)節(jié)氣墊艙壓力進而控制泥水倉壓力。

2 泥水處理系統(tǒng)設(shè)計原理

泥水平衡盾構(gòu)在支撐環(huán)前的泥水倉內(nèi)，注入一定壓力的新漿后，會使其在開挖面上形成一層泥膜，支撐正面的土體。再由盾構(gòu)前部的刀盤切削下來的土體表與工作泥漿混合，形成高密度泥漿，通過盾構(gòu)機內(nèi)的排泥管路與排泥泵輸送至地面泥水場地進行處理。這種高密度泥漿進入地面泥水處理系統(tǒng)后，根據(jù)不同土體顆粒直徑，經(jīng)泥水分離設(shè)備的分離，分別形成土砂和泥水，再經(jīng)過沉淀池沉淀后，將大顆粒的土砂排棄，回收含有微小顆粒的泥水，然后，將處理后泥水重新進入調(diào)整池并按施工要求加入新漿進行調(diào)整，再輸送回盾構(gòu)工作面，實現(xiàn)泥水循環(huán)。

上海隧道市域鐵路ST14050盾構(gòu)機D234泥水氣平衡盾構(gòu)在施工過程中，泥漿和空氣充滿泥水倉和氣墊倉，通過調(diào)節(jié)氣墊倉上部壓力，在頂部充滿壓力，形成空氣緩沖層，就可以調(diào)整開挖面的支撐壓力，使泥水壓力波動變小，支撐壓力更加穩(wěn)定，對地表控制更為有利。當盾構(gòu)機正常推進時，操作人員控制送泥泵和排泥泵轉(zhuǎn)速，使送泥流量與排泥流量基本相同，維持開挖面壓力與地層的動態(tài)平衡。

市域盾構(gòu)設(shè)有的氣墊倉采用Samson氣平衡控制系統(tǒng)，我們可在控制室內(nèi)直觀看到氣墊倉的實際壓力值與Samson給定壓力值，而在氣墊倉加氣過程的氣體流量則是通過兩臺高精度氣體流量計檢測并反饋至控制室。當排泥流量大于送泥流量（流量差處于正常狀態(tài)）時，泥水倉液位下降，Samson系統(tǒng)自動補壓力，使壓力值達到設(shè)定值；相反，當排泥流量小于送泥流量時，泥水倉液位上升，Samson自動泄壓排氣。在推進施工中，我們不僅對送排泥的流量差進行保護，同樣，也對氣墊倉與泥水倉壓力差進行保護，當兩倉的壓差超過設(shè)定值時，泥水系統(tǒng)也會從推進狀態(tài)切回旁路，與流量保護形成泥水系統(tǒng)的雙重保護。

3 泥水環(huán)流系統(tǒng)的組成

上海隧道市域鐵路ST14050盾構(gòu)機D234泥水氣平衡盾構(gòu)配備的泥水系統(tǒng)主要由泥水倉、氣墊倉、膨潤土罐、中心沖洗泵、排泥泵、送泥泵、排泥管、送泥管、接力泵、泥水分離設(shè)備、調(diào)整池、沉淀池等幾部分組成。

送泥泵是將泥漿從地面的泥水處理站運送至泥水倉的設(shè)備；排泥泵則是將泥漿從泥水倉抽出運送至泥水處理站的設(shè)備。D234盾構(gòu)機采用功率為1100kW的送泥、排泥水冷變頻電機，配套流量為2400m3/h、比重1.4、最大設(shè)計壓力1.15MPa、最大允許轉(zhuǎn)速700rpm、設(shè)計通過粒徑240mm的單級端吸臥式離心泵，高功率大揚程使盾構(gòu)機能夠滿足大流量泥水循環(huán)。

中心沖洗泵又名P0.1泵，則是一臺功率為250kW的風冷變頻電機，配套流量為700m3、比重1.2、最大允許轉(zhuǎn)速1400rpm，設(shè)計通過粒徑520mm的單級端吸臥式離心泵。D234在掘進時可以通過P0.1泵經(jīng)在刀盤上安裝12個氣動沖洗球閥對刀盤進行沖洗，降低刀盤扭矩。

膨潤土罐內(nèi)加注膨潤土，在停機時穩(wěn)定開挖面壓力時使用。泥水分離裝置可以將排出的泥漿分離不同直徑的土體顆粒，再經(jīng)沉淀池靜置，清出淤泥后的泥水經(jīng)調(diào)整池后調(diào)配出的新漿送入設(shè)備泥水倉。

4 環(huán)流系統(tǒng)

4.1 環(huán)流流速

4.2 環(huán)流系統(tǒng)的工作模式

上海隧道市域鐵路ST14050盾構(gòu)機D234泥水氣平衡盾的泥水環(huán)流模式主要分為旁路模式、掘進模式、逆洗模式、外循環(huán)模式、機內(nèi)小循環(huán)模式和停機模式。這幾種模式通過盾構(gòu)操作觸摸屏選擇模式配合開閉相應(yīng)的管路閥門和泵送裝置。

（1）旁路模式。旁路模式是盾構(gòu)的待機模式，盾構(gòu)不開挖，也用于盾構(gòu)模式切換的過渡。盾構(gòu)待機模式，是其余工作模式切換前的準備狀態(tài)，保證循環(huán)系統(tǒng)中流量的穩(wěn)定，也用于拼裝管片或短時間停機時使用，防止排泥管渣土沉淀堵塞。

（2）掘進模式。掘進模式，用于盾構(gòu)推進開挖時使用，泥漿可通過氣墊艙進入泥水艙。在正常推進狀態(tài)下，新漿液通過送泥泵由地面輸送進泥水倉，以確保與開挖倉中刀盤切削下來的渣土混合，再通過排泥泵漿開倉內(nèi)的混合泥漿輸送到地面的泥水分離設(shè)備。

盾構(gòu)機掘進時所使用的模式，不可在停機情況下直接切換，其切換順序為：停機→旁路模式→掘進模式→盾構(gòu)推進→旁路模式→停機。

（3）逆洗模式。逆洗模式，用于反沖被阻塞的格柵或者排泥管，此時，需注意保持氣墊艙壓力與液位穩(wěn)定。在施工中這個模式不常用，當發(fā)現(xiàn)開挖倉底部沉淀的渣土堆積較多或者排泥管管路堵塞時，可通過使用逆洗模式進行排漿和疏通。操作人員可以在觸摸屏上選擇逆洗模式，而逆洗管路則是將排泥管轉(zhuǎn)變?yōu)樗湍喙埽聺{通過送泥泵輸送至旁通閥再進入排泥管，對開挖倉底部或者排泥管進行沖刷，隨著開挖倉內(nèi)新漿的增加，通過逆洗閥所在的排泥管路，經(jīng)排泥泵輸出至地面泥水分離設(shè)備。

常用于推進過程中或者長時間停機后當排泥口或格柵堵塞后使用，但不可直接切換，其切換順序為：掘進模式（停機）→旁路模式→逆洗模式→旁路模式→掘進模式。

（4）外循環(huán)模式。外循環(huán)模式，泥漿只在地面系統(tǒng)循環(huán)，主要用于泥漿管路延伸時使用。市域盾構(gòu)中，此模式只在盾構(gòu)始發(fā)前使用。

（5）機內(nèi)小循環(huán)模式。機內(nèi)小循環(huán)模式，泥漿由氣墊倉抽出，通過中心沖洗泵打入刀盤，進行刀盤沖洗。

由氣墊倉抽泥水通過中心沖洗泵加壓，送入刀盤正面，當主機主送泥管有泥水輸送時，機內(nèi)小循環(huán)起提高刀盤中心沖洗水流量作用，當主機主送泥管沒有泥水輸送時，機內(nèi)小循環(huán)可以使泥水在機內(nèi)循環(huán)，沖洗刀盤，防止結(jié)泥。

（6）停機模式。停機模式，在長時間停機的情況下，泥水倉內(nèi)可能發(fā)生泥漿的流失，為保持掌子面的壓力，需要對泥水倉泥漿液位進行控制，可通過膨潤土罐進行補液，在盾構(gòu)管路延伸時防止氣墊倉液位流失，及時穩(wěn)定氣墊艙液位。此模式只在長時間停機時使用。

5 結(jié)語

本文通過對泥水平衡盾構(gòu)的泥水環(huán)流系統(tǒng)功能使用做介紹和設(shè)計，對全斷面泥水盾構(gòu)和泥水氣平衡盾構(gòu)做比較，而詳細介紹的泥水氣平衡盾構(gòu)在施工中的關(guān)鍵是控制環(huán)流系統(tǒng)和在開挖面的泥漿壓力和氣壓保持平衡。考慮工程所遇到的問題并提出相應(yīng)的解決方法，同時在市域鐵路盾構(gòu)機的設(shè)計研發(fā)中注入多元化的自動控制泥水系統(tǒng)，但實際工況與理論工況仍存在較大的差別，必須結(jié)合地質(zhì)環(huán)境等因素對泥水泵的控制方式確保足夠的安全，并結(jié)合工程施工的經(jīng)驗，才能保證泥水系統(tǒng)在隧道掘進施工中穩(wěn)定高效地運行，同時在施工中，操作人員對多種模式和送排泥流量的熟練控制是保證順利施工必不可少的一步。