泥水平衡盾构气压辅助模式掘进应用与研究

吴玉礼

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司 江苏南京 210000)

1 引言

随着盾构施工技术不断发展，盾构掘进所穿越地层也越来越多样化[1]，其中穿海盾构隧道地层尤为复杂[2]。对于盾构施工而言，盾构掘进效率提升一直都是研究的重要领域[3]，如何在不同地层取得较高的掘进效率是盾构施工难题之一[4-5]。泥水平衡盾构在软土地层掘进能取得较高的掘进效率，但对于岩层和复合地层，掘进效率往往受到制约[6-7]，盾构机负荷也随之增大，可能会出现刀具磨损加快、换刀次数增多、废浆量增大等问题[8-10]。因此，如何在此类地层掘进施工中，摸索出适合盾构机的掘进模式显得尤为重要[11-12]。本文针对厦门穿海盾构隧道典型地质条件，对泥水平衡盾构气压辅助模式掘进进行研究，并分析应用效果，以期为后续类似地层掘进施工提供有效参考。

2 工程概况

海沧大道站-东渡路站区间自海沧大道站起，沿海沧大道向北敷设，然后以500 m曲线半径下穿海沧湾公园后入海，经大兔屿穿越厦门西港，于国际码头1号泊位上岸，再以350 m曲线半径下穿邮轮城二期地块，到达东渡路站。区间分为盾构段、矿山段两部分。盾构段采用2台ϕ6 700 mm复合式泥水平衡盾构施工，区间总长2 800 m，穿越厦门西港海域，海岸线较顺直，海沧侧为滩涂潮间带，厦门西港主航道靠近厦门岛侧，盾构隧道覆土厚度为8.7～65.7 m，最高潮位至隧道底部约55 m。所穿越地层主要有软土地层、断裂带、变质砂岩、泥岩、孤石群、上软下硬地层、全断面硬岩地层。工程平面和地质平面见图1和图2。

3 研究气压辅助模式的原因及条件

结合区间施工情况，分析地质和掘进参数变化，泥水盾构机进入碎裂状强风化变质砂岩夹泥岩地层段后，出现了推力上涨、扭矩增大、推进速度下降、泥水场预筛出渣少、废浆量大等问题。结合该地质气密性和稳定性好的特点，决定采用气压辅助模式进行掘进。泥水分离系统场地布置见图3。

采用气压辅助模式掘进的前提条件为地层气密性良好、开挖面稳定、切换后盾构稳压系统(Samson)稳定、补气量小于补气能力的10%(补气阀开度小于0.7)。

4 气压辅助模式定义及切换方法

4.1 气压辅助模式定义

利用顶部建仓的平衡管使气垫仓与开挖仓连通，气垫仓气体进入开挖仓，开挖仓泥浆在顶部气压作用下进入气垫仓，通过环流将进入气垫仓的泥浆排出。当开挖仓浆液与气垫仓浆液液位一致时，气垫仓液位不再上涨，平衡管处于开启状态，稳压系统通过平衡管同时对气垫仓和开挖仓供排气，此时开挖仓内为“泥浆＋气体”的混合平衡介质，在该种状态下掘进即为气压辅助模式，见图4。

4.2 气压辅助模式切换正常泥水平衡模式方法

恢复正常泥水模式液位时，首先关闭顶部建仓平衡管气垫仓侧的阀门，切断气垫仓通往开挖仓的气源；平衡管开挖仓侧阀门保持开启，打开外部阀门，排放开挖仓顶部的气体，开挖仓顶部气体排出后顶部压力减小，气垫仓泥浆在气压作用下，从底部前闸门向开挖仓补给泥浆，启动泥浆循环对气垫仓液位进行补给。当平衡管排放气体管路排出为满管浆液时，开挖仓恢复满仓状态，即正常泥水平衡模式。泥水盾构开挖仓和气垫仓见图5。

5 气压辅助模式应用数据研究

结合本区间在穿越大兔屿风井后(694环)，进入碎裂状强风化变质砂岩夹泥岩地层的掘进数据，发现采用气压辅助模式掘进效果良好。

区间掘进通过大兔屿风井后(694环～709环)为开挖仓满仓模式。此段掘进施工，速度控制在6～10 mm/min，最大推力达2 600 t，泥浆比重上升较快，1～2环即需调浆；710环开始切换为气压辅助模式，掘进过程速度为25～30 mm/min，推力最高1 600 t，扭矩有所降低。掘进推力和速度数据见图6和表1。

表1 盾构机掘进模式对比

6 气压辅助模式优点分析

通过数据对比，气压辅助模式掘进具有明显的优势，具体体现为:

(1)减少渣土粘连刀盘。刀盘上部气体将水挤压出地层，切削下的渣土相对干燥，极大降低了上部切削下的渣土粘附在刀盘上的可能性。

(2)渣土流动性好。上部气体切削下的渣土直接落入下部泥浆中，减少了渣土悬浮在浆液中的时间，更有利于渣土流动，有效防止渣土堆积在刀盘开口处。

(3)刀盘冲刷效果好。开挖仓的进浆在压缩空气中的冲刷阻力相较于在泥浆中要小很多，冲刷系统可直接作用于刀盘，能有效防止刀盘结泥饼。

(4)降低刀盘扭矩。刀盘在压缩空气中的旋转阻力比在泥浆中要小很多，且刀盘上渣土堆积少，大大减小了开挖面与刀盘的摩擦阻力，从而能够有效降低刀盘扭矩，使刀盘有效扭矩增加。

(5)减少废浆产生。正常模式推进速度慢、贯入度小，切削土体不能成块，大部分溶解在浆液里造成浆液比重上涨，废浆量增加；气压辅助模式推进能够拥有较高的贯入度，从而使切削下的黏性颗粒大部分呈块状，泥水设备更易分离，废浆量大幅减少。

(6)降低刀盘刀具磨损。由于渣土流动性好，减少了渣土在刀盘前方停留时间，降低了刀具多次切削的可能，且气压辅助模式能有效降低开挖仓内含渣土的泥浆高度，从而减轻了刀盘和刀具磨损。

(7)提高掘进效率。相比开挖仓满仓模式，气压辅助模式掘进时扭矩会有效减小，总推力也有所降低，但有效推力及贯入度反而增加，从而掘进速度得以提升，掘进效率随之提高。

7 气压辅助模式掘进风险及处理措施

7.1 地层漏气

地层漏气风险，会造成切口压力、液位波动较大且难以控制，甚至造成开挖面失稳。

盾构掘进遇到松软和破碎地层，该类地层气密性差，会出现地面或水面冒气现象。针对这种地层应安排专人实时观察稳压系统(samson系统)进气情况，若补气量达到补气能力的20%时，需逐步切换为开挖仓满仓模式推进，待穿越该段地层后，再尝试切换为气压辅助模式。

若发生开挖面失稳，气垫仓内出现液位涨幅波动，且Samson系统补气量增加，空压机气量不足，应立即停止推进，切换为开挖仓满仓模式，并及时补充高质量泥浆进行护壁，使开挖面形成泥膜支护。同时应加强气垫仓循环，防止大量渣土涌入气垫仓，造成泥浆环流困难。高质量泥膜如图7所示。

7.2 开挖仓堆积滞排

开挖仓堆积滞排会导致气垫仓爆仓风险。气压辅助模式渣土流动性好，上半部分切削下的渣土很快到达开挖仓底部，而泥浆环流出渣能力有限，渣土难以被快速带走，造成开挖仓底部堆积，导致前闸门堵塞，造成气泡仓液位突然下降，循环难以控制，压力波动大。前闸门堵塞后开挖仓液位快速上涨，循环疏通之后，开挖仓泥浆由于顶部气体压力会大量快速进入气垫仓，导致气垫仓液位上涨过快，甚至爆仓。

(1)气压辅助推进时采用主动循环方式，每推进30～50 cm或开挖仓中部土压传感器压力变大时停止推进，循环10 min左右待压力正常后，再继续推进。

(2)采用比重控制主动停机循环方式，若出浆比重比进浆比重大0.3及以上时停机循环，循环至比重差小于0.1时恢复推进。

(3)若液位波动较大，应恢复开挖仓液位，采用正常模式加强循环，堆积渣土被带走后，再进行气压辅助掘进。

7.3 砂浆罐返气

砂浆罐返气，同步注浆虽有注浆冲程，但实际浆液注入量很少，砂浆罐内偶尔出现气泡。

盾构机停机时间过长，注浆管虽持续慢速注浆，但如果进入管道气体较多，而注浆浆液无法挤出，将导致浆液注入量大幅减少造成堵管。因此停机时，应对同步注浆管路进行检查，从盾尾处拆开，清理后再接回原管路。

7.4 盾尾漏气及管片上浮

由于开挖仓上部长期有压缩空气存在，气体沿盾体周边开挖面渗透至盾尾，使盾尾油脂漏至盾构机内。脱出盾尾的管片顶部被气体占据，同步注浆难以填充饱满，管片易上浮。

推进过程适当加大顶部注浆点位注浆量，同时根据实际情况及时采用二次注浆进行补注，使管片背后空隙得到充分填充，保证盾尾处注浆饱满，对气体形成第一道防线，控制管片上浮；同时关注每环盾尾油脂注入量及各点位油脂腔压力，及时手动补注油脂，对气体形成第二道防线。若频繁出现盾尾漏气现象，可从盾体径向孔注入克泥效及时填充盾体与开挖面间隙，对气体形成第三道防线。

8 结论

泥水平衡盾构在变质砂岩夹泥岩地层掘进过程中采用气压辅助模式，能够有效解决该类地层施工难题，掘进效率也得到大幅提高。建议在稳定性好、气密性好的地层掘进施工中进行推广，以达到掘进效率提高、废浆量降低的目的。