大直徑泥水盾構滯排預警模型研究及應用

郭守志

(中鐵十四局大盾構工程有限公司 江蘇南京 210000)

1 引言

當前，盾構法施工已廣泛應用于城市軌道交通領域，并向著大埋深、大斷面、長距離方向發展[1]。渣土滯排是盾構施工過程中常見問題之一。竺維彬等[2-3]基于工程實踐經驗對盾構施工滯排的分類、風險、原因及對策等進行總結和分析，提出泥水盾構施工滯排分為刀盤前滯排、泥水艙內滯排、出渣系統排泥管滯排，并給出響應解決措施。滯排可導致盾構機械部件損壞、盾構掘進困難、擠壓或超挖土體，甚至引發塌方或隆起等事故。而滯排的渣土會引起盾構掘進參數，尤其是泥水參數的異常，泥水循環系統管路(特別是彎管和格柵)一旦被堵塞，會出現瞬間高壓，高壓力泥水會形成“水錘”破壞掌子面平衡[4-5]。

本文依托盾構數據監測平臺，利用數據分析泥水盾構滯排原因及解決措施，構建滯排預警模型并在實際項目中進行驗證。

2 基于泥水系統壓力數據的滯排現象描述

以南京某過江通道工程項目為例，通過泥水系統壓力數據對滯排現象進行描述。

該工程管片外徑為14.5 m，采用泥水平衡盾構機施工，穿越地層可分為全基巖斷面、土巖復合斷面。其中江北和穿江段以土層為主，江南段主要為泥質砂巖、含礫砂巖、砂礫巖、角礫巖，巖石強度差異大，局部發育破碎。角礫巖的礫石成分中含灰巖；中風化泥質砂巖為軟巖；中風化含礫砂巖、砂礫巖為軟巖、較軟巖；中風化角礫巖為較硬巖。各巖層全～強風化帶較發育，厚度不等，均具有易軟化崩解的特性。

2.1 非滯排狀態

根據泥水盾構施工平衡經驗公式[6-10]:

式中:Paxe為開挖艙軸部支撐壓力；Pair為氣泡艙氣體壓力；ρ為泥漿密度；g為重力加速度；H為氣泡艙液位；R為盾構半徑。

故當氣泡艙液位為0時，氣泡艙壓力≈(略大于)開挖艙軸部壓力≈(略大于)開挖艙頂部壓力＋開挖直徑×0.5/10 bar(泥漿密度大于1，重力加速度取10)。施工過程中氣泡艙液位會有所波動，不能時刻維持在0位，但各壓力數值變化趨勢相對穩定，如圖1所示。

圖1 非滯排狀態泥水系統壓力變化情況

圖1為1～893環監測數據，掘進過程中無明顯滯排現象，泥水系統壓力數據符合盾構施工平衡原理；隨著隧道埋深和穿越構筑物變化情況泥水壓力數據呈上升趨勢，但總體表現為相對平行的穩定關系。

2.2 開挖艙滯排

開挖艙滯排會打破原有的相對穩定關系，使得開挖艙內各項壓力值變大，如圖2所示。

圖2 開挖艙滯排狀態泥水系統壓力變化情況

圖2為935～946環監測數據，掘進過程中，945環存在一定滯排現象，導致開挖艙軸部壓力波動較大，且明顯高于氣泡艙壓力；開挖艙頂部壓力也隨之變大。

2.3 泥水艙格柵處滯排

泥水循環系統格柵擁堵時，盾構機排漿泵吸口壓力會驟降甚至可能形成負壓，如圖3所示。

圖3 泥水艙格柵處滯排P2.1排漿泵吸口壓力變化情況

圖3為935～946環P2.1排漿泵吸口壓力數據。同上，945環存在滯排現象，格柵處滯堵，排漿泵吸口壓力明顯下降。

3 基于泥水系統壓力差變化的滯排預警模型

一般來講，氣泡艙配備保壓系統，其壓力值較穩定，故取氣泡艙壓力作為基準壓力。另由上述內容可知，滯排現象的發生可能會導致開挖艙壓力上升以及P2.1排漿泵吸口壓力的下降。通過比較氣泡艙壓力與開挖艙壓力及排漿泵吸口壓力，基于兩個壓力差的變化情況，可從一定程度上反映泥水系統滯排現象，如圖4所示。

圖4 基于泥水系統壓力差變化的滯排現象描述

從圖4可以看出，滯排現象發生時，氣泡艙壓力與開挖艙軸部壓力差值變小、與排漿泵吸口壓力差值變大，兩個壓力差值呈現出明顯的反向變化，這說明泥水艙格柵處以及開挖艙內均存在滯排跡象。

3.1 確定滯排模型閾值范圍

根據式(1)以及連通器原理[11-12]，可得:

式中:Psuction為P2.1排漿泵吸口壓力；Pair為氣泡艙氣體壓力；ρ為泥漿密度；g為重力加速度；H為氣泡艙液位；hc為P2.1排漿泵吸口管路中心相對于盾體底部的安裝高度。

故當氣泡艙液位為0時，氣泡艙壓力-開挖艙軸部壓力≈(略大于)0 bar；另外，氣泡艙壓力-P2.1排漿泵吸口壓力≈(略小于)氣泡艙中心與P2.1排漿泵吸口中心的高度差/10 bar(泥漿密度大于1，重力加速度取10)。該工程盾構機兩者的高度差為5.5 m，氣泡艙壓力-P2.1排漿泵吸口壓力≈(略小于)0.55 bar。

對本項目及另外兩個項目滯排現象發生時兩個壓力差值數據進行統計分析，如表1所示。

表1 泥水系統壓力差值統計分析

3.2 滯排預警模型規則

首先根據盾構數據監測系統獲取泥水系統壓力實時數據。

根據表1結果，結合考慮容錯、避免預警信息濫報，取表2閾值作為控制線進行預警。

表2 滯排預警模型規則

4 基于泥水系統壓力差變化的滯排預警模型應用及驗證

杭州某過江通道項目，管片外徑為14.5 m，主要涉及地層為:砂質粉土、粉砂、淤泥質粉質黏土夾粉土、粉質黏土等，其中各類黏土占比56.05%。

基于上述壓力差變化的盾構滯排預警模型，利用盾構數據監測平臺，實現對杭州項目滯排風險的預警。

如圖5所示，158環之前，氣泡艙壓力-P2.1排漿泵吸口壓力數值≥2 bar，但氣泡艙壓力-開挖艙軸部壓力數值＞-0.5 bar。根據滯排預警模型，說明存在Ⅱ級滯排風險，且泥水艙格柵處滯堵較為嚴重，但開挖艙內無明顯滯排跡象。

圖5 杭州某項目滯排預警模型應用及數據驗證

依據預警信息采取措施[13-14]，將格柵拆除，并對底部淤積渣土進行清理。158環后滯排現象明顯改善，氣泡艙壓力與P2.1泵吸口壓力差值在1 bar控制線內。但推進兩環后吸口處仍存在一定程度的滯排現象，與其掘進地層情況相關，需采取其他措施進行應對。

5 結論與討論

(1)本文根據泥水盾構施工平衡原理分析滯排發生時泥水系統各壓力數據的變化情況。

(2)以氣泡艙壓力為基準，依據開挖艙軸部壓力和P2.1排漿泵吸口壓力差值變化情況，通過統計分析和實踐經驗，建立基于壓力差值變化的滯排預警模型。

(3)結合盾構數據監測平臺，對杭州某項目滯排風險進行了準確預警，為施工決策提供有力參考。

該滯排預警模型完全基于泥水盾構施工平衡原理和壓力變化，未充分考慮不同地質情況，因此在工程實際應用中仍需對模型控制閾值進一步調整，以確保預警準確。另外，滯排現象發生除使泥水壓力產生變化外，通常還伴隨其他掘進參數的變化，后續可融合掘進參數，進一步提高預警精度。