土压平衡式盾构机土仓可视化系统研究

翟振玲 卢庆亮 孟长跃 崔迎接

（济南中铁重工轨道装备有限公司，济南 250109）

济南市区南临低山丘陵，北临黄河，中部为山前倾斜冲洪积平原，地层呈东西向带状分布，主要为南部无水中风化灰岩地层，北部冲积富水粉质粘土地层，中部少水胶结砾岩/碎石土地层，同时，中部也分布侵入型无水风化闪长岩地层。针对R2线区间部分穿越粉质粘土地层，渗透系数小，粘粒易形成刀盘盘面泥饼，盘体结构泥饼，土仓中心泥饼，盘面泥饼使刀具失去切削作用，盾构推力虽大但刀盘不能贯入，影响掘进效率。采用土仓可视化系统，可在主控室内清晰观察土仓内的中心结泥饼情况，采用长杆机械捅开泥饼，并配合刀盘中心高压冲水装置，迅速解除泥饼。盾构长距离施工中，不可避免地要进行中途检查和更换刀具或进仓进行维修作业、带压作业时，往土仓内注入高压空气，通过气压平衡掌子面的水土压力，从而维持稳定，人员在密闭、高压、空气环境下作业，操作难度较大，风险性较大，因此，观察操作人员在土仓内的安全情况并及时作出反应尤为重要，采用土仓可视化系统有效解决了这一难题。

1 目前面临的施工问题

1.1 土仓及刀盘结泥饼问题

土压平衡盾构机在全风化、强风化、中风化等泥岩泥质粉砂岩及泥质砂岩土中掘进过程中，掌子面黏性土体在刀盘切削后变成细土粒受到碾压，自刀盘中心位置向四周逐步在刀盘面和土仓内壁上形成泥饼，严重降低了盾构机掘进能力。刀盘（土仓）结泥饼情况严重时，常规做法是开仓人工清理，但在盾构掘进过程中，受场地和水文地质条件的限制，满足常压进仓的地层较少，通常需要带压进仓，费用高且风险极大，给施工带来不必要的施工风险和经济损失。盾构在富水地层掘进，土仓形成泥饼后，容易诱发喷涌现象，导致土仓压力波动，引起地表沉降，甚至发生塌方事故。此外，土仓泥饼严重会导致土仓温度快速升高，引起主驱动密封性能下降，严重时会造成灾难性的主驱动损坏事故。土压盾构施工的泥饼防治与处理是盾构法施工领域内的一大难题所在，因此，采用土仓可视化系统可实时检测土仓内及刀盘结泥饼情况，在泥饼尚未压固前，可以长杆机械同开泥饼，配合高压水冲洗刀盘，清除泥饼。预防和提前干预处理，可有效预防结泥饼状况。

1.2 带压作业安全隐患

由于在需带压作业地段，地层稳定性较差，虽然采取了一系列封堵加固措施和通过压缩空气来平衡掌子面的水土压力，但仍存在许多不确定因素，当界面条件发生变化时，掌子面仍存在有部分失稳或出现涌、漏水的可能，所以，在这一过程中必须一直密切关注掌子面的稳定情况和用水量的变化；出现异常情况时，应立即停止带压作业。带压换刀属特殊作业，为保证换刀过程中的安全，必须制定相应的应急预案，成立应急小组。换刀过程中，应使用土仓可视化系统密切观察土仓内人员健康状况以及土仓内的压力情况。

2 土仓可视化系统工作原理

在盾构机前盾隔板开方孔，焊接法兰板，安装土仓可视化系统集成，做好密封。土仓可视化内采用红外光源摄像头，在无光线的情况下完成探测；摄像头由电动马达驱动，可以上下左右360°实现全覆盖照射；电动马达由内水循环进行冷却，实现水冷作用。红外光源摄像头采用24VDC直流电源，使用网线将图像信号传输到上位机画面，完成实时监控；在上位机上安装程序软件及操作界面上下左右方位旋钮，完成各个角度拍摄和控制。土仓可视化集成玻璃周围设置3个喷嘴，当玻璃被泥土遮盖时，使用高压水冲洗；同时，在面板周围设置3个喷嘴，可使用高压水冲洗。在土仓可视化集成玻璃周围设置3个喷嘴，当玻璃使用高压水冲洗完成后，使用高压空气对玻璃进行风干，防止玻璃被污水以及泥土污染，影响摄像头拍摄。使用土仓可视化系统，可将土仓内发生的情况实时的传输到上位机上。

3 土仓可视化系统的实施

3.1 土仓可视化系统的安装机械结构

在盾构机前盾隔板上方位置开一方孔，在方孔处焊接法兰板，法兰板上钻16个螺纹孔，可视化系统使用螺钉安装在该法兰板上。盾构机施工过程中，为保持开挖面稳定，需保持土仓内泥土压力与开挖面的水土压力保持平衡，因此，土仓内的密封性十分重要，土仓内法兰面涂密封胶，螺钉安装时涂螺纹密封胶，防止此处气体漏气。在可视化系统安装法兰与隔板间隙周圈涂硅胶，防止土仓内泥土粘结在螺钉处，后期拆机改造时拆卸困难。

图1、图2、图3为前盾隔板可视化系统开孔图，可视化系统集成安装在开孔处，摄像头一端安装在土仓侧。

3.2 土仓可视化系统的电气系统

可视化系统集成（见图4）采用专用红外摄像机和补光灯双窗片设计，经过专用软件处理，可在水雾条件下清晰成像，视距达（3～5m）。使用网线将图像信息传输到主控室上位机上。红外光源摄像头并且具有耐高压功能，可承受土仓内的工作压力2～3bar。红外光源摄像头安装在电动马达上，可以实现摄像头360°的自动调整，达到对土仓内各个角度和全方位的照射。在主控室界面上安装监控软件，在操作界面上设置上下左右四个旋钮，可以实现各个角度的旋转，在主控室工业电脑画面可以实时的观察土仓内的泥土的情况以及维修时操作人员在洞内的情况。

图1 前盾隔板可视化系统开孔主视图

图2 前盾隔板可视化系统开孔剖视图

图3 前盾隔板可视化 系统开孔局部放大图

图4 土仓可视化系统红外摄像机

3.3 土仓可视化系统的水系统

摄像头电动马达工作过程中需要冷却，采用内水循环的方式对马达进行冷却，马达尾端设置有冷却水套，内循环水经过冷却后，由离心泵泵送，经减压阀减压，压力至2.5bar，接入土仓可视化集成管路，对电动马达冷却。外循环水由双联水管卷筒送入，经过滤器过滤，避免外水形成水垢，对设备造成损坏，过滤水进入板式冷却器，进行热交换对内循环水冷却，其中，一路由双联水管卷筒排出洞外。另一路外水通过增压泵增压，压力达到6bar，给其他各个系统提供水源，清洗土仓可视化玻璃和面板。每路管路接入集成接口前，安装球阀，可以手动操作。在土仓可视化系统集成前方玻璃周围，布有三个喷嘴，当泥土沾满玻璃，摄像头无法拍摄土仓画面时，使用高压水清洗玻璃（见图5）。

图5 土仓可视化冷却水系统图

3.4 土仓可视化系统的空气系统

土仓可视化玻璃使用高压水冲洗后，土仓内泥土会迅速污染玻璃，并结泥饼，影响可视化效果。因此，在高压冲洗后迅速使用高压空气将可视化玻璃上的水珠吹干，保持玻璃清洁，使得可视化效果良好。高压空气由空气压缩机产生压缩空气，进入储气罐，压力达4bar，最后送入土仓可视化集成空气管路，在隔板前侧玻璃周围有2路空气管路喷嘴，对玻璃实施风干。在进入空气管路前安装手动球阀，可以手动开启关闭，同时在上位机程序中设置自动控制启停按钮，如图6所示。

图6 土仓可视化工业空气系统图

4 结语

针对济南地铁隧道穿越地层的特点，对穿越粉质粘土地层的区间部分，配置土仓可视化系统，采用土仓可视化系统，可在主控室内清晰观察土仓内的刀盘、土仓中心结泥饼的情况并及时处理，提高了掘进效率，降低了施工成本，能够全面掌握盾构长距离施工中，操作人员在土仓内检查和更换刀具或进仓进行维修作业情况，为确保人员安全提供了有力保障。