砂卵石泥巖地層中盾構機加水系統的優化改造

（中鐵十六局集團有限公司，北京 101100）

摘要：為優化提升盾構在復合地層掘進效率，以成都軌道交通10號線二期五津站～儒林路站盾構區間項目為依托，對海瑞克S892盾構機在砂卵石和泥巖復合地層掘進過程中的加水系統進行優化改造。從盾構加水系統的改造、加水量的控制等方面，對復合砂卵石地層渣土系統進行優化改造，實現自動化系統控制，有效節約人工和時間成本，可為今后類似工程施工提供經驗借鑒。

關鍵詞：盾構施工；砂卵和泥巖復合地層；加水系統改造；加水量控制

中圖分類號：U455.43" " " " " "文獻識碼：A" " " " " " 文章編號：

Optimization of Water Adding System of Shield Machine in Sandy Pebble Mudstone Formation

ZHANG Huibin

（China Railway 16th Bureau Group Corporation Limited，Beijing 101100，China）

Abstract：In order to optimize and improve the efficiency of shield tunneling in composite formation， based on the shield section project from Wujin Station to Yulin Road Station of Chengdu Rail Transit Line 10 Phase II， the water addition system of Herrenkrenk S892 shield tunneling machine in the sand gravel and mudstone composite formation was optimized and reformed. From the aspects of the transformation of the shield water adding system and the control of the water adding， the optimization and transformation of the slag system of the composite sand and pebble formation can realize the automatic system control， effectively save the labor and time cost， and provide experience for the construction of similar projects in the future.

Keywords：shield construction;sand-egg and mudstone composite formation;renovation of water adding system;water addition control

0 引言

盾構機在砂卵石和泥巖復合地層掘進時，渣土中的泥巖和砂卵石攪拌不均勻，和易性較差，單純的通過泡沫劑改良，效果不理想，很容易造成泡沫管路堵塞、刀盤發生結泥餅現象。同時，渣土和易性較差會導致出土不連續，隧道內渣土掉落較多，從而導致掘進不連續工序銜接時間較長。在這種情況下，需要向土倉和刀盤前方注入適量的水配合渣土改良，而海瑞克設備本身加水系統無法滿足掘進需要，因此加水系統的改造成為砂卵石和泥巖復合地層掘進的關鍵。本文針對成都地鐵10號線二期四標五津站～儒林路站盾構區間右線海瑞克S892復合地層段掘進展開討論。

1 工程概況

成都軌道交通10號線，施工儒林路站～五津站盾構區間（以下簡稱儒～五區間），沿迎賓大道一路向東，區間側穿時代晶座小區，最終在五津站解體、吊出、退場。儒～五區間設計里程左線里程為：ZDK33+951.354～ZDK34+899.828，右線起訖里程為：YDK34+012.204～YDK34+899.828，左線長946.053 m，右線長887.624 m。在里程為YDK34+452.500（ZDK34+449.618）設置一個聯絡通道，聯絡通道區間長度為10 m，同時，在10號聯絡通道處設廢水泵房。平面上，10號聯絡通道及泵房位于迎賓大道及西側的綠化道內。縱斷面上，10號聯絡通道（廢水泵房）埋深為17.8 m，施工影響范圍內的管線如下：一根埋深約3.2 m，DN500污水管，材質混凝土；一根埋深1.82 m光纖。儒～五 區間始發段為砂卵石地層，從72環開始進入砂卵石和泥巖交接面，開始復合地層掘進。

2 地質概況

成都軌道交通10號線所經場地地表多分布有厚度不均的第四系人工填土，下部主要為第四系全新統沖洪積卵石，下伏白堊系上統灌口組（K2g）泥巖。

區間途經岷江水系Ⅰ級階地。經調查發現，在區間路線鉆探揭示的深度范圍內，場地土主要由第四系全新統人工填土層（Q4ml）、第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）、上白堊統灌口組（K2g）基巖組成。該施工現場巖土層的組成和特征描述如下。

2.1 第四系全新統人工填土（Q4ml）

1） 雜填土：黃褐色、灰褐色等雜色，松散至稍密，干至稍濕。由混凝土、瀝青、卵石和少量粘性土組成。分布于該路段，層厚0.2 m～3.0 m，為路基回填土。回填時間超過5年，該層的均勻性較差。大部分土壤壓實不足，自重固結尚未完成。該結構松散，具有強度低、壓縮性高、在荷載作用下易變形等特點。

2） 素填土：褐灰色、灰黃色，稍濕，稍密，由卵石、黏性土等組成，本段局部分布，層厚1.0 m～3.4 m。

2.2 第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）

1） 粉質粘土：灰褐色、黃褐色，可塑性，主要由黏粒組成，含少量粉粒。用手軋攆時有輕微的沙狀，輕微的光澤反應，沒有震動反應，中等干強度，韌性適中，在現場內連續分布。層厚1.00 m～2.60 m，層頂標高462.96 m～463.87 m。

2） 卵石：青灰色、灰黃色，濕～飽和，以稍密～中密為主，局部松散。卵石的成分主要由巖漿巖和變質巖組成。磨圓度好，以亞圓形為主，少量圓形，分選性差，中風化～微風化。卵石含量一般為50%～70%，粒徑2 cm～15 cm。根據對鄰近基坑的調查，最大粒徑為40 cm，漂石含量一般為5%。填料主要為細砂、中砂和圓礫石。根據DB51/T 5026—2001《成都地區建筑地基基礎設計規范》，根據卵石的顆粒含量和N120動力觸探試驗，將其分為3個亞層：松散卵石、稍密卵石和中密卵石。

3） 松散卵石：褐灰色為主，濕～飽和，卵石含量約51.5%～53.6%，一般粒徑2 cm～8 cm。充填圓礫、細砂、中砂，磨圓度好，層厚1.2 m～5.1 m。N120動力觸探修正錘擊數小于4擊。

4） 稍密卵石：青灰色、灰黃色，濕～飽和，稍密，約占卵石的54.2%～59.2%，粒徑一般2 cm～12 cm。充填圓礫、中細砂，磨圓度好，分選性差，含漂石約10%，層厚2.0 m～8.9 m。N120動力觸探校正錘擊數4～7擊。

5） 中密卵石：青灰色、灰黃色，中密，局部稍密，飽和，卵石含量52.3%～80%，充填圓礫、中砂。卵石粒徑主要為2 cm～18 cm，層厚3.5 m～9.3 m。N120動力觸探修正錘擊數7～10擊。

6） 密實卵石：褐灰色、淺灰色，飽和，密實，卵石含量70%以上。卵石粒徑為2 cm～20 cm，含漂石。圓度好，分選性差，充填圓礫、中砂。根據顆粒分析試驗，顆粒尺寸＞20 mm的顆粒含量在74.5%～82.3%。N120功率穿透修正值＞10。該層頂標高440.41 m～448.64 m，頂深17.70 m～24.50 m，層厚＞6.40 m，本段僅引用一個初探孔揭露該層，層厚9.3 m，埋深32.30 m。

7） 強風化泥巖：暗紅色、紫紅色，巖石較軟，敲擊聲沉悶，泥質結構，塊狀構造。節理相對發育。巖芯多呈碎塊狀，少量短柱狀。巖芯可人工破碎，層厚0.6 m～2.5 m，巖體基本質量等級為V級。

8） 中風化泥巖：暗紅色、紫紅色，泥質結構，塊狀構造，巖石較軟，錘擊聲為半靜音至靜音。節理裂隙較發育，局部裂隙表面可見黑色氧化膜。巖體的RQD值為70%～90%，巖體較為完整。巖芯多為短柱狀，少量長柱狀、碎塊狀。考慮到巖體的整體完整性，其范圍從破碎到相對破碎。巖石硬度屬于極軟巖石，巖體基本質量等級為V級。

儒林路站～五碾站（原大新路站）區間盾構施工段地質縱剖面圖及不同地質占比分析見圖1。

3 海瑞克S892加水系統改造

為配合復合地層段的渣土改良，對海瑞克S892加水系統進行如下改造。

1） 考慮盾構機用水量過大，除外循環水路外再從外循環水池中單獨增加一路水管，向盾構機污水箱、膨潤土箱、二次注漿罐進行供水。

2） 污水箱改至儲水箱，然后增加18.5 kW多級水泵。水泵由變頻柜控制，操作室可調節水泵轉速從而控制流量，水泵出水口鋪設為φ50 mm的管路通過中心回轉體向土倉內加水，在管路端頭安裝流量計，連接操作室，顯示加水流量。

3） 膨潤土箱改至儲水箱，增加18.5 kW水泵，水泵由變頻柜控制，操作室可調節水泵轉速從而控制流量，水泵出水口鋪設為連接φ50 mm的管路通過1號泡沫管路向刀盤前方加水，在管路端頭安裝流量計，連接操作室，顯示加水流量。

4） 5.5 kW膨潤土泵連接原有膨潤土管路，將接口改到土倉壁備用接水口，并安裝單向閥向土倉內直接加水。

5） 二次注漿罐改至儲水箱，增加5.5 kW水泵，增加控制柜，操作室可控制開關，然后通過注漿管路連接土倉壁向土倉內加水[1]，在管路端頭安裝流量計，連接操作室，顯示加水流量。掘進過程中根據渣土泥巖含量的不同，適當調節每個水泵的加水量，水泵流量固定只能通過手動調整管路上的開關位置進而調整加水流量大小[2]。

4 加水系統組成分解

由于每臺盾構機構造不同，為了對不同盾構機的加水系統進行改造，需對加水系統進行簡單分解。

1） 主線路圖為：水源→管路→加水目標。

2） 循環水池泵送水到臺車上的儲水罐，儲水罐可以為污水罐、膨潤土罐、二次注漿罐，若臺車上無空閑儲水罐，再加工一個臺車或在尾架上焊接增加一個儲水罐。

3） 根據不同的需求，將臺車上的若干個儲水罐（每個儲水罐可以連接若干管路）泵送至刀盤不同區域。詳見圖2。

5 加水系統控制優化

目前S892加水系統控制，基本通過人工實現，包括循環水池的開關，水泵加水量的控制。實際操作過程中容易出現諸多問題：水泵在隧道外，隧道內儲水罐的水量控制需要安排專人通過電話聯系井口進行開關。加水流量需要安排人員通過球閥半開關進行控制。為了節省人工，達到控制精細化，通過以下改造對加水系統進行優化。

1） 在盾構機上所有改裝的儲水罐中增加液位計，在儲水罐進水口增加自動開關連接液位計，在儲水罐水位達到使用要求時，液位計報警水滿，從而進水口開關自動關閉，防止儲水罐中的水溢出。在儲水罐水位低于要求值時，液位計報警最低液位，自動打開進水開關進行加水。如加水異常，則設立報警值，在儲水罐低于或高于液位時，自動開關未進行正常工作，則反饋信號給操作室，便于及時排查管路故障。

2） 在循環水池水泵后方設置泄壓閥，當三個儲水罐水位都滿足使用要求，進水管關閉后，水管中的水回流至循環水池內。

3） 在盾構機上改裝儲水罐的出水口水泵后方設置泄壓閥門[3]，刀盤或者土倉內加水壓力過高時能夠通過泄壓回流至儲水罐中，防止水泵燒壞。

4） 將所有儲水罐后的水泵改為變頻水泵，將控制開關接至操作室面板，通過操作室可以精細化調整每條管路的流量。

5） 在所有改裝管路刀盤的接入口處安裝流量計并接入操作室，反饋流入土倉和刀盤前方的具體加水量。

6） 在所有改裝管路末端增加自動開關球閥及單向閥，自動開關球閥與水泵啟停連鎖，當水泵打開后球閥自動打開，水泵關閉后球閥自動關閉。單向閥則可以防止土倉內壓力過大造成回流現象。

通過以上改造完全實現操作室控制土倉加水自動化操作，并且能夠有效地節約處理問題的時間，從而真正達到加水系統針對性改造的實用性。詳見圖3。

6 結語

盾構機在砂卵石和泥巖復合地層掘進時，容易擾動地層而發生坍塌，且復合地層不穩定因素較多，在掘進過程中對刀盤磨損較大，容易發生刀盤卡停現象，因此在掘進過程中主要考慮渣土改良。渣土改良一般分為化學改良和物理改良，常用的渣土改良劑有水、泡沫劑、膨潤土、高分子聚合物等。渣土的改良效果主要取決于所用改良劑的添加方式與用量等參數的調整，因此加水用量的精準控制至關重要。加水系統的自動化、智能化、有效化改造能夠及時有效地配合渣土改良，從而達到快速連續掘進的目的。

參 考 文 獻

[1]廣州地鐵設計研究院有限公司，中鐵隧道股份有限公司.盾構法開倉及氣壓作業技術規范：CJJ 217—2014[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[2]住房和城鄉建設部科技與產業發展中心，中鐵隧道集團有限公司.盾構法隧道施工及驗收規范：GB 50446—2017[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[3]公安部第一研究所，公安部科技信息化局.安全防范工程技術標準：GB 50348—2018[S].北京：中國計劃出版社，2018.

編輯：楊洋

作者簡介：張會賓（1989.10-），男，河南平頂山人，專科（第二學歷本科），工程師，從事盾構機設備管理維修與保養方面的工作。

作者簡介：張會賓（1989～），男，河南省平頂山市人，工程師，從事盾構機設備管理維修與保養方面的工作。