土壓平衡盾構機渣土改良系統改造技術研究

韓奉昌

摘要：為了解決海瑞克S-679盾構機武漢復合地層采用土壓平衡盾構機掘進刀盤容易結泥餅的問題，通過對原有泡沫系統和膨潤土系統進行改造，解決了推進過程中由于渣土含水量不足、渣土流動性差，渣土溫升快，土艙溫度高，導致易結泥餅、推進效率低下的問題。

關鍵詞：土壓平衡盾構機;泡沫系統;膨潤土系統

0引言

在我國由于經濟建設的蓬勃發展，各種運輸量增加很快，特別是市內客運量成倍或成幾十倍的增長，加上城市基礎設施建設相對滯后，導致公共交通問題越來越突出，嚴重的影響了經濟建設的進程。另外，由于城市內部建筑物密度大，特別是老城區，各種建筑物、構造物比比皆是，城市里的剩余空間越來越小，舊城改建十分困難。因此，發展地下鐵道及輕軌交通越來越受到政府的重視。

隨著我國越來越多的城市進行地鐵、隧道、綜合管廊施工，盾構機的使用也越來越廣泛，盾構機根據工作方式和出渣方法分為：泥水氣壓平衡，土壓平衡，敞開是硬巖掘進，土壓平衡和敞開硬巖雙模式以及超大直徑環形管預挖盾構，前三種目前在隧道開挖中用的很普及，其中土壓平衡盾構機使用較多。為了適應復合地層的推進，盾構機均配備了渣土改良系統，主要由泡沫系統和膨潤土系統構成，泡沫劑和膨潤土作為渣土改良介質，在盾構機掘進過程與渣土混合在一起，提高了渣土流動性和塑性，可以降低刀盤扭矩，減少刀具磨損，冷卻渣溫，防止渣土黏附壓實。

目前海瑞克土壓平衡盾構機標配的渣土改良系統由泡沫系統和膨潤土系統組成，泡沫系統由泡沫罐、泡沫泵、6條泡沫管路、流量計、泡沫發生器、控制面板組成，其中5條泡沫管路直接連接到刀盤上的F1、F2、F3、F4、F5號泡沫噴頭，1條泡沫管路連接在螺旋機上，分別采用6個1.5kW泡沫泵（流量為180L/min）供混合液，共同采用1個0.37kW泡沫泵（流量為5L/min）供應泡沫;膨潤土系統由膨潤土罐、膨潤土泵、6條膨潤土管路組成，由1個5.5kW膨潤土泵（流量為10m3/h）供應膨潤土，膨潤土管路在連接橋上與泡沫管路混合，泡沫系統與膨潤土系統可單獨使用也可同時使用。

該渣土改良系統可通過混合水、空氣、發泡劑和膨潤土，并設定發泡率FER和注入率FIR，自動在推進過程中向土倉加入泡沫劑和膨潤土。原液配比一般選用2%～5%，發泡倍率FER一般選擇8～20，泡沫注入率FIR一般選擇20%～70%，該系統適應大多數復合地層。

1 問題現狀

武漢地鐵6號線二期工程01標地層主要為：粉質粘土、粘土、粉細沙混粉質粘土，透水性差，使用過程中易出現管路堵塞及發泡效果不好的現象，為了提高整個泡沫系統運行可靠性，對泡沫系統進行單管單泵的改造。

1.1原泡沫系統組成

泡沫系統由泡沫原液箱、泡沫原液泵、水泵、流量計、壓力傳感器、安全閥、減壓閥、單向閥、電動調節閥、壓力表、泡沫發射器及連接管路等組成。

1.2原泡沫系統原理

泡沫原液泵將泡沫劑從泡沫原液箱中泵出，并與水按照設置參數的比例混合成溶液?；旌先芤罕环殖晌迓?，分別通過電磁調節閥與流量計后到達泡沫發生器，在泡沫發生器中與壓縮空氣混合產生泡沫，泡沫溶液和壓縮空氣的混合比例也按照設置參數進行混合。發泡好的泡沫分別輸送到刀盤、土倉、螺旋機。

1.3原泡沫系統存在的弊處

（1）因泡沫原液與水只是在交匯管路處混合，混合不充分，會導致泡沫系統發泡效果不佳，影響渣土改良效果。

（2）因1臺水泵與1臺泡沫泵同時供給5路泡沫進行使用，當某條管路阻力較大時，泡沫將分流至阻力較小的管路，這就容易造成阻力大的管路加劇阻塞，最終影響渣土改良效果。

2.泡沫系統單管單泵改造原理

2.1將原盾構機泡沫系統5路泡沫共用泵的注入方式改造成5路單管單泵注入方式。（螺旋機管路由第五路過來），每一路泡沫混合液均配備單獨的泵，且每臺泵的輸送能力相同、流量通過變頻器可調節，每路單管單泵泡沫均可獨立工作，不受土倉壓力，管道阻力的影響，較大程度的避免泡沫管路發生堵塞的風險。

2.2泡沫系統中原液和水的混合方式由原來的管路中混合變為在混合液箱中混合。在不增加泡沫原液消耗的條件下，發泡效果更好。同時經過充分混合后的混合液酸堿度得以稀釋，可以延長泡沫泵的使用壽命。

3.泡沫單管單泵改造方案

3.1 流體部分

◆原泡沫系統原液泵、流量計，水流量計可繼續使用，增加進水電磁閥等部件。增加1立方混合液罐，配液位傳感器、液位顯示管、放水閥等部件。

◆五路泡沫每路增加一個混合液螺桿泵、安全閥、壓力表等部件。每臺螺桿泵通過單獨的管路連接至橋架的泡沫發生器。

◆泡沫發生器站。氣體部分保持不變，包括進氣減壓閥，五路氣體流量計、電動球閥、單向閥等。液體部分保持每路液體流量計、泡沫發生器、壓力傳感器、單向閥等不變，取消電動調節閥。控制方式由原來通過調節每一路的電動調節閥控制泡沫混合液流量改變為通過調節每一路螺桿泵頻率控制混合液的流量。膨潤土系統依然保持在此位置接入泡沫系統。

◆經泡沫發生器發泡后的泡沫，管路可連接至回轉接頭，土艙壁，盾體外壁，螺旋機等不同區域。

3.2 結構部分

◆泡沫混合液站。保留原泡沫桶支架，在附近臺車空余位置增加1個1立方的混合液罐以及螺桿泵支架。

◆盾體部分。如保持5路泡沫管路不變，則回轉接頭等結構無需變動。

◆刀盤部分。如保持刀盤上1分2，8個泡沫噴嘴不變，則無需變動。

◆螺旋機部分。5路單管單泵其中1路直接供給螺旋機

3.3.電氣部分

◆直接破解plc程序，導入單管單泵程序，在原有PDV電腦上顯示包括遠程/本地控制切換按鈕、模式按鈕、每路泡沫的選擇、每路泡沫流量、壓力顯示，泵運行狀態，故障顯示，泡沫系統參數設置等。

◆增加一個電柜，用于安裝開關，變壓器，繼電器，PLC模塊，混合液螺桿泵變頻器等部件。電柜面板增加原液泵及混合液螺桿泵啟動/停止按鈕及電位計，在調試或者故障檢修時，可直接在本地進行操作。在操作室電腦上可進行遠程/本地控制切換。

◆在原配電柜增加一個保護斷路器，做為整個系統供電開關，與其他系統獨立。

4.泡沫系統改造后運行效果

泡沫原液與水在混合箱中充分混合，泡沫混合液泵只針對單個管路，能夠有效的防止主入口因壓力不均而產生的堵塞現象，同時每個管路上均安裝有流量計、壓力傳感器，由PLC、變頻器、工控機協調控制，能夠對注入泡沫壓力和流量進行準確的、實時的控制和顯示，對盾構機掘進過程中渣土改良，控制土壓平衡和防止刀盤結泥餅起到良好的輔助作用。改造后的泡沫系統通過5路螺桿泵實現“單管單泵”泡沫注入，每臺排量為30L/min。

5.結論

1） 通過對泡沫系統的改造，渣土改良良好，利于開挖面的穩定，控制地表沉降。提高了渣土的不透水性，使渣土具有較好的止水性，控制了地下水的流失。降低了刀盤扭矩和螺旋輸送機的扭矩，同時減少對刀具和螺旋輸送機的磨損，提高了推進速度，盾構在粘性土層長距離掘進而不結泥餅，確保了施工安全，從而提高了盾構機的掘進效率。

2）通過實際工程應用，證明本泡沫系統的管路配置、泡沫發生器參數的選定、控制系統的設計是合理可行的，通過本次使用、總結、改進，為后續土壓平衡盾構機改造積累了經驗。

本系統僅對注入系統，控制系統進行了研究，后續控制部件的選用還有待比較。

參考文獻

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