盾构机渣土改良技术分析及相关维护保养

摘要：近年来我国各大城市都加快了城市化建设进程，地铁盾构施工因此发展迅速，盾构施工遍地开花。渣土改良作为盾构施工的关键一环，不仅仅影响着施工进度，更影响着施工质量和施工安全。本文基于作者自身多年的实际工作经验、学习认识以及查阅相关专业技术资料和具体的施工项目，首先介绍了盾构施工的重要性和發展，再根据具体的施工项目介绍了渣土改良系统配置和施工工艺，然后介绍了作者总结的渣土改良系统使用经验和维保经验，期望能作为相关工作实践的参考。

关键词：盾构机;渣土改良;工艺;维护保养

二十一世纪是我国基础建设持续大力发展的时期，公共交通建设发展尤其迅速。地铁作为现代城市发展的宠儿，地铁盾构施工得到了大力发展，从开始全部靠进口，不断引进技术吸收消化逐渐转变为拥有自主知识产权的国产化，现在国产盾构机不仅能满足国内需求，甚至走出了国门，彰显着中国基础建设发展取得的进步。盾构施工比较重要的一环就渣土改良，渣土改良不仅仅影响着施工进度，更影响着施工质量和施工安全。下面结合我司昆明盾构项目介绍盾构施工渣土改良技术。

1 盾构项目及渣土改良技术简介

1.1 工程概况

我司昆明盾构项目区间左线里程为左ⅡDK16+454.674～左ⅡDK17+968.039，长度1514.412m（其中在左线设置1.047m 长链，共约1262 环） ; 右线里程右Ⅱ DK1DK16+454.674 ～ 右ⅡDK17+968.039 长度1513.365m（共约1261 环）。区间采用盾构法施工。1.2 地质条件盾构施工区间主要地层为泥炭质土、粉土、粉质黏土和粉砂。

1.3 渣土改良技术简介

我司昆明盾构项目使用的是两台罗宾斯土压平衡盾构机。土压平衡盾构施工成功的关键是渣土改良。渣土改良是盾构机掘进过程中通过渣土改良系统对土仓环境进行改良，使得土体能具有良好的“流塑性”，便于螺旋机出渣，使得盾构机能均匀、平稳的完成掘进任务。

1.4 渣土改良的目的

渣土改良相当于盾构机的“胃”的功能，将切削土体变得适应盾构机，便于盾构机更好的工作。渣土改良能达到以下效果：

（1）渣土改良开能够减小开挖土压波动，提高土压的平衡效果;（2）能够提高渣土的不透水性，稳定掌子面周边工作区域;（3）改善渣土的流动性，便于螺旋机出渣和保证盾构机稳定掘进;（4）防止开挖的土体粘结刀盘结泥饼;（5）渣土改良系统能防止螺旋机出渣时出现喷涌的情况;（6）不仅能降低刀盘和螺旋机的扭矩，还可以减少对螺旋机和刀具的磨损，提高盾构机的使用寿命。

2 渣土改良系统配置

我司盾构机渣土改良系统，在刀盘布置了6 个渣土改良注入口（4 路为泡沫，2 路为膨润土），用于对渣土进行改良。泡沫系统配备了黑猫泵4 台（泡沫混合液泵）、泡沫原液泵1 台、电磁流量阀4 个、泡沫发生器4 个、压力传感器4 个（0～20bar），配备了4根管路（每根最大注入流量为50L/min）。还配有一台注入流量为6m?/h的注入泵，一个容量为12m?的泥浆储存罐的膨润土注入系统。结合我司昆明盾构项目施工具体工程地质情况和相关技术论证，渣土改良系统配置能满足施工需求。

2.1 泡沫系统原理

泡沫系统中泡沫剂（液体）与水按一定的比例混合形成混合液，再与一定比例的压缩空气在泡沫发生器中生成泡沫后，注入盾构机前部的土体中（或注入螺旋机中）。水、泡沫剂、空气的混合比例及向土体中的掺入比例都将根据实际的土仓压力和出土状况不断调整，直至达到最佳效果。

（1）泡沫原液运输及更换

泡沫系统中泡沫原液通过电瓶车进行运输，由于盾构机上原液箱加工有接头及阀门，所以不方便直接整箱进行更换，为了合理进行施工。选择在管片吊机运输管片时，用专用水泵将电瓶车上的原液抽注到盾构机原液箱中。此种方法，不仅不影响施工工序及时间，而且能保证原液液位的稳定性。

（2）泡沫混合液配置

罗宾斯盾构机泡沫系统不同于铁建重工及海瑞克盾构机。罗宾斯盾构机泡沫系统是进入混合液箱后开始混合，混合液箱顶部设计有一个搅拌电机，能使泡沫原液和水能充分混合。铁建重工盾构机是混合后进入混合液箱，且混合处与混合液箱距离较远，在输送过程中能更充分的融合。

（3）混合液发泡

罗宾斯盾构机泡沫发泡是通过变频器控制黑猫泵及控制阀将混合液输送至泡沫发生器处于空气发生反应，形成泡沫。发泡好的泡沫压力不得大于设定好的土仓压力;每路泡沫均安装了压力传感器，可将压力实时传输到操作室内。

混合流量通过调整变频器频率实现精确调节，压缩空气的流量由空气流量计进行检测，再通过控制阀门的调节，得到最佳的混合比例。

根据相似地质条件及我单位的类似施工经验，通过发泡试验和土体坍落度试验初定泡沫配合比，在现场可以通过泡沫观察口观察泡沫效果，不断调节，达到较好的渣土改良效果。

（4）泡沫系统维修保养

原液箱在使用过程中要注意阀门及接头的牢固性，盾构机在使用过程震动较大，阀门及接头容易出现泄漏，因此维修人员以及施工人员应该经常留意。

在混合液配比过程中，控制阀门的精确比较重要，罗宾斯盾构机泡沫混合液配比是根据阀门及电机的运行时间来确定的。维修人员在巡检过程中需要对控制阀定期检查，与操作手一起定期检查混合液箱液位传感器准确性，避免液位失效造成黑猫泵（混合液泵）损坏。若出现停机时间较长的情况需将混合液排放掉，避免出现变质，并对混合液箱进行清洗。

泡沫系统使用的外循环水，长时间运行会残留一些杂质，所以维修人员需要定期对泡沫发生器和单向阀进行检查和清洗。泡沫系统控制线路及各类仪表和传感器较多，维保人员巡检时应多加注意，并定期整理控制线路并做好防水。由于空气中含有一定水，在空气流量计处设计有专门的排水口，维修人员应定期进行排水。操作手使用过程中要注意各种参数，维保人员需配合检查，若出现设备造成的参数异常，需及时对仪表和传感器进行检查维修。泡沫系统使用时间长，频率高，要定期对空压机、各类泵进行保养，润滑油要加注到位，减少设备的故障率。

2.2 膨润土系统

盾构穿越砂层时，需要膨润土对土体进行改良，膨润土需在膨润土罐内进行强制搅拌，达到效果后，再注入土仓内。膨润土的注入量和压力需要严格的控制，控制的中心思想是要匹配推进速度，提高掘进的效率。盾构正常推进时，每一环加注的膨润土流量为需严格控制，流量的调节在1～60L/min 之间，为保证良好的推进效果，膨润土的加注压力要稍大于设定的目标土压力，并根据实际情况适当调整，以提高砂层的和易性和流塑性。

膨润土系统在维保时，主要关注其三个搅拌电机、加注泵和液位传感器，特别要避免因为液位传感器故障引起电机损坏，每次掘进前要确定传感器数据正常。

在本区间地层地层中，要合理、科学的的配合使用泡沫剂和膨润土浆液，才能达到较好的渣土改良效果。

2.3 其他辅助措施

在盾构机掘进过程中，渣土改良仅仅靠盾构机实时参数和已探知的地质情况还不能达到最理想的效果，还需要采取一些辅助措施。

（1）防结泥饼措施

盾构机在掘进过程中，有可能因为渣土改良效果反馈不及时、添加剂使用不当和地质条件复杂等原因容易造成刀盘结泥饼，施工过程中要把防止结泥饼作为渣土改良的辅助措施。防结泥饼可采取以下措施：

1）掘进过程中操作手需要一边关注渣土改良的具体情况，一边关注刀盤的状态，两者相互结合。

2）黏土地层掘进时，操作手可采取逐渐加大泡沫原液的配比，并增大泡沫的注入量，着重加大刀盘中心的注入量。

3）刀盘产生泥饼时及时的采取措施，结饼严重时可人工清除;

4）排土不及时，可加大螺旋机泡沫注入量，提高出渣效率;

5）防止泡沫管堵塞，泡沫质量保证良好。

（2）渣土温度监控

盾构在掘进过程中，由于刀盘在不断的切削掌子面，使土仓内土体的温度不断上升，容易形成泥饼，影响盾构正常掘进，需要在掘进过程中对渣土温度进行监控，具体可采用红外温度测量仪对土仓壁及螺旋机出渣口的渣土进行监控。若温度上升较快导致温度较高，可采用调整泡沫剂掺入量及添加膨润土等外加剂进行调节。

3 总结

我国城市化建设虽取得了巨大的成果，但仍有很长的一段距离要走，地铁施工作为城市化建设的脉络之一，还有很深的潜力可挖。渣土改良作为地铁盾构施工的重要技术手段之一，我们不仅仅要合理利用，更要不断的摸索和研究，让其更科学、更高效、更经济、更环保，为我国城市化建设献出自己的一份力量。

参考文献：

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[3] 王建刚，韦丹，续长明，于丕杰.螺旋输送机防喷涌设计介绍及喷涌故障应对措施[J].科技与企业，2014，（1）：1004-9207

作者简介：

阳进（1989.01—），男，中国水利水电第十工程局有限公司。

（中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610000）