泥水盾构在大埋深高水压条件下环流消能平衡技术的研发与应用

陈恤良 广东水电二局股份有限公司

黄德荣 广东华隧建设集团股份有限公司

1.概述

珠江三角洲水资源配置工程土建B2标，隧道采用3台Φ8.63m（干线）和3台Φ4.43m（支线）的泥水平衡盾构机施工。本项目工程新建工作井最深66.52m。与地面泥水处理系统落差高达76m左右。在盾构始发过程中，泥水仓的静止压力高达7.2bar左右。对盾构机洞门密封装置及始发时后配套反力体系造成极高的负载。在本工程其它项目出现了洞门密封橡胶帘布失效导致洞门涌水淹没盾构机及反力架及反力架支撑倾覆失效等现象。同时始发时，由于高落差的环流管路较短。因泥水站与高落差始发工作井造成非常明显的水锤效应。容易造成泥水仓建仓爆仓、环流管路频繁的冲垫等现象。针对该问题，需对泥水仓内重新设计泄压消能装置及平衡掘进方式。

2.泥水环流系统原理

本工程项目设计采用泥水平衡盾构机及其后配套工程机械设备进行隧洞掘进施工，泥水平衡盾构机及施工技术是一种国际上比较成熟和先进的隧道施工技术。其原理如图1所示，是通过采用加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，在机械式盾构的刀盘的后侧，其刀盘后面有一个密封隔板，把水、粘土及其添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水仓，待泥水充满整个泥水仓，并具有一定压力，形成泥水压力室及泥膜支撑掌子面，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到地面泥浆处理系统，盾构推进时，旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水，用泥浆经泥浆泵送到地面泥水分离系统，将碴土、水分离后重新送回泥水仓，经泥浆处理等一系列设备分离、调置后泥浆重复循环使用。

图1 泥水平衡盾构原理示意图

3.环流消能系统的设计

本项目始发工作井为小圆形地连墙+混凝土衬砌结构组成，工作井主要特别是高埋深，小空间，盾构始发及掘进较困难。根据泥水平衡盾构的特点，为克服小空间、高埋深、大水压条件下泥水盾构的始发掘进作业任务上的困难。对原设备基础上提出泥水消能系统的设计，消能环流系统如图2所示。

图2 泥浆消能环流管路设计示意图

针对长距离泥浆环路排浆管会磨损较为严重，同时始发工作竖井更换新的泥浆管较困难，在始发安装时即在井壁再增加两排无缝钢管作为备用管[1]。并在处理高埋深、大水压条件下的泥水平衡盾构机始发、掘进过程环流对盾构造成较大的负载问题时，利用备用管及在环流管路上重新设计安装一套安全消能专项设置装置见图3，在始发工作井壁上，在本来需要的一进浆一排浆管的基础上，现进浆时将两排备用排浆管与进浆管一并串联，备用管开始时与进浆管对接，同时特制一条消能管。消能管采用钢板对焊，安装在进浆管处。在掘进环流时，泥浆从泥水站出发，经过备用管、消能管对冲，降低泥浆下落的压力。显著减少盾构机深竖井始发时的水锤效应及冲垫等效应，防止始发时爆仓破坏洞门止水密封。

图3 消能装置设计安装示意图

特制的消能装置（图4）有一主路和一旁路，主路安装一个以上闸阀，旁路为内部采用厚10mm钢板隔固定250mm间距对焊组成。始发时关闭主路闸阀，主要为使用旁路，对高落差下落的泥浆进行缓冲及消能。降低水锤效应的影响和瞬间突变的泥水仓高压对洞门密封造成破环导致穿仓。

图4 消能管制作示意图

同时，在始发掘进结束后，随着管路的延长，在环流参数步入正常后。即可打开闸阀，提高环流的流量，提高掘进效率。改造取消备用管接入（图5）。保证正常快速掘进所需要的泥浆流量。

图5 取消消能装置设计示意图

4.加强型始发洞门密封装置

针对盾构始发时存在的静止泥水仓高水头压力的情况[2]。洞门密封采用双特制洞门密封刷+短钢套筒+双帘布式设计，并辅以充足的注浆（9路）、注脂（9路）预埋管路。如图6所示，考虑盾构机可能存在的始发盾机栽头现象，为防止预埋钢环抵死刀盘导致盾构机无法推进，将预埋钢环修改为阶梯式。将盾尾刷焊接在钢环凹入面内。洞门密封刷采用经特定厂家测试过的能耐高压8bar的洞门长密封刷。同时在钢环内焊接时，焊接避开刀盘回转区域和预留密封刷活动区域。洞门前方同时再接两套短钢套筒辅以安装2套双橡胶帘布进行洞门密封。

图6 改进洞门密封装置设计示意图

在刀盘推过密封刷前，洞门密封刷内部预先采用手抹油脂密封，在刀盘通过密封刷已裹住筒体的时候。采用盾尾油脂泵按一泵接2管的配置往双密封刷内腔注入盾尾油脂达到8bar压力进行二次密封。再辅以双橡胶帘布密封，如图7所示。

图7 洞门密封腔注入密封油脂装置设计示意图

在盾构始发刀盘转动环流前，双密封刷内腔注入盾尾油脂后。洞门密封刷内部泥水仓位置，针对在刀盘破洞门连续墙时可能存在的瞬间压力提升对洞门密封造成破坏而穿仓的安全隐患，利用预埋注浆管路再接一整套洞门密封刷装置辅助泄压消能装置，如图8所示，利用在洞门钢环预埋的内部注浆管，接入球阀、监控压力的压力表和一个设定值最高为6bar的泄压阀，管接出一个废浆收集箱（安装一个渣浆泵）与盾构机上的废浆回收装置接在一起。同时在泄压阀前接入应急注浆泵，在洞门拼装管片后仍出现洞门泄露的情况下，加注聚氨酯。

图8 洞门辅助泄压消能装置设计示意图

5.半仓消能掘进模式

盾构正常掘进后，随着管路的延长，环流延程压力损失不断提高，因而工作井高埋深、大水压对后期掘进时管路、环流的破坏性安全因素在减少[3]。但盾构掘进过程中泥水仓静止泥水压力大，导致本项目配置的泥水平衡盾构掘进时推进负荷大，设备各分项系统尤其盾构机上的推进系统及后方支撑管片的负载增大，对盾构机施工工况亦存在不利条件。经过项目组多次分析并研究本项目配置的气垫仓-直排式泥水平衡盾构机的特点及设备条件，在研究并借鉴TBM（全断面硬岩隧道掘进机）的掘进模式并结合以往土压平衡盾构机的掘进模式的经验。重新研究并设计采用一种新型的气压辅助降压消能模式的泥水盾构推进模式（图9）。对优化和改善盾构机的掘进参数，使盾构机推进及切削状态良好，并降低高水压下掘进的设备负载。

图9 气垫式泥水盾构平衡原理图

本项目采用的是中铁装备新型研发的直排-气垫仓式泥水平衡盾构机，该盾构机在掘进过程中，可以开启系统配置的气垫仓配合萨姆森系统用于维持盾构机内泥水仓平衡。泥水盾构采用（泥浆膨润土悬浮液）作为支护材料。气垫-直排式泥水盾构具备两个仓室：泥水仓和气垫仓，两者通过联通管互通。气垫仓中心线以上部分充满压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在气垫仓内的泥浆接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。

半仓消能掘进模式结合TBM及土压平衡盾构掘进模式，启动前将泥水仓逐步上部与大气连通，使气体进入泥水仓上部，泥水仓液位逐渐下降，对盾构机上部平衡支撑，在气压-泥水压压力达到与支护层水土自然平衡状态，即气压-泥水压-气垫仓满足达到掌子面支护平衡的条件下，在拼装条件下，盾体摩擦力与泥水压力自然平衡，在推进模式下，亦减轻了掘进时需克服的阻力，优化掘进参数。同时，泥土仓液位长期处于中间位置取浆管冲刷，盾构机在掘进过程中，不易产生结泥饼现象，P0泵的冲刷效果亦良好。

6.结束语

该系统成功保证盾构始发过程不出现涌浆涌砂现象。对泥浆、废浆全部重新回收利用，对自然环境和生态环境起到一定的保护作用。同时能减轻设备负载，减少设备故障率。降低设备能耗和油脂等的使用量，从侧面减轻了操作人员的负担，减轻材料的使用量。并且本系统中部分装置比如设计研发的新型洞门密封装置及高耐压密封刷等装置被全线学习并在其它工程里推广应用。