泥水平衡盾構氣壓輔助模式掘進應用與研究

吳玉禮

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 210000)

1 引言

隨著盾構施工技術不斷發展，盾構掘進所穿越地層也越來越多樣化[1]，其中穿海盾構隧道地層尤為復雜[2]。對于盾構施工而言，盾構掘進效率提升一直都是研究的重要領域[3]，如何在不同地層取得較高的掘進效率是盾構施工難題之一[4-5]。泥水平衡盾構在軟土地層掘進能取得較高的掘進效率，但對于巖層和復合地層，掘進效率往往受到制約[6-7]，盾構機負荷也隨之增大，可能會出現刀具磨損加快、換刀次數增多、廢漿量增大等問題[8-10]。因此，如何在此類地層掘進施工中，摸索出適合盾構機的掘進模式顯得尤為重要[11-12]。本文針對廈門穿海盾構隧道典型地質條件，對泥水平衡盾構氣壓輔助模式掘進進行研究，并分析應用效果，以期為后續類似地層掘進施工提供有效參考。

2 工程概況

海滄大道站-東渡路站區間自海滄大道站起，沿海滄大道向北敷設，然后以500 m曲線半徑下穿海滄灣公園后入海，經大兔嶼穿越廈門西港，于國際碼頭1號泊位上岸，再以350 m曲線半徑下穿郵輪城二期地塊，到達東渡路站。區間分為盾構段、礦山段兩部分。盾構段采用2臺?6 700 mm復合式泥水平衡盾構施工，區間總長2 800 m，穿越廈門西港海域，海岸線較順直，海滄側為灘涂潮間帶，廈門西港主航道靠近廈門島側，盾構隧道覆土厚度為8.7～65.7 m，最高潮位至隧道底部約55 m。所穿越地層主要有軟土地層、斷裂帶、變質砂巖、泥巖、孤石群、上軟下硬地層、全斷面硬巖地層。工程平面和地質平面見圖1和圖2。

3 研究氣壓輔助模式的原因及條件

結合區間施工情況，分析地質和掘進參數變化，泥水盾構機進入碎裂狀強風化變質砂巖夾泥巖地層段后，出現了推力上漲、扭矩增大、推進速度下降、泥水場預篩出渣少、廢漿量大等問題。結合該地質氣密性和穩定性好的特點，決定采用氣壓輔助模式進行掘進。泥水分離系統場地布置見圖3。

采用氣壓輔助模式掘進的前提條件為地層氣密性良好、開挖面穩定、切換后盾構穩壓系統(Samson)穩定、補氣量小于補氣能力的10%(補氣閥開度小于0.7)。

4 氣壓輔助模式定義及切換方法

4.1 氣壓輔助模式定義

利用頂部建倉的平衡管使氣墊倉與開挖倉連通，氣墊倉氣體進入開挖倉，開挖倉泥漿在頂部氣壓作用下進入氣墊倉，通過環流將進入氣墊倉的泥漿排出。當開挖倉漿液與氣墊倉漿液液位一致時，氣墊倉液位不再上漲，平衡管處于開啟狀態，穩壓系統通過平衡管同時對氣墊倉和開挖倉供排氣，此時開挖倉內為“泥漿＋氣體”的混合平衡介質，在該種狀態下掘進即為氣壓輔助模式，見圖4。

4.2 氣壓輔助模式切換正常泥水平衡模式方法

恢復正常泥水模式液位時，首先關閉頂部建倉平衡管氣墊倉側的閥門，切斷氣墊倉通往開挖倉的氣源；平衡管開挖倉側閥門保持開啟，打開外部閥門，排放開挖倉頂部的氣體，開挖倉頂部氣體排出后頂部壓力減小，氣墊倉泥漿在氣壓作用下，從底部前閘門向開挖倉補給泥漿，啟動泥漿循環對氣墊倉液位進行補給。當平衡管排放氣體管路排出為滿管漿液時，開挖倉恢復滿倉狀態，即正常泥水平衡模式。泥水盾構開挖倉和氣墊倉見圖5。

5 氣壓輔助模式應用數據研究

結合本區間在穿越大兔嶼風井后(694環)，進入碎裂狀強風化變質砂巖夾泥巖地層的掘進數據，發現采用氣壓輔助模式掘進效果良好。

區間掘進通過大兔嶼風井后(694環～709環)為開挖倉滿倉模式。此段掘進施工，速度控制在6～10 mm/min，最大推力達2 600 t，泥漿比重上升較快，1～2環即需調漿；710環開始切換為氣壓輔助模式，掘進過程速度為25～30 mm/min，推力最高1 600 t，扭矩有所降低。掘進推力和速度數據見圖6和表1。

表1 盾構機掘進模式對比

6 氣壓輔助模式優點分析

通過數據對比，氣壓輔助模式掘進具有明顯的優勢，具體體現為:

(1)減少渣土粘連刀盤。刀盤上部氣體將水擠壓出地層，切削下的渣土相對干燥，極大降低了上部切削下的渣土粘附在刀盤上的可能性。

(2)渣土流動性好。上部氣體切削下的渣土直接落入下部泥漿中，減少了渣土懸浮在漿液中的時間，更有利于渣土流動，有效防止渣土堆積在刀盤開口處。

(3)刀盤沖刷效果好。開挖倉的進漿在壓縮空氣中的沖刷阻力相較于在泥漿中要小很多，沖刷系統可直接作用于刀盤，能有效防止刀盤結泥餅。

(4)降低刀盤扭矩。刀盤在壓縮空氣中的旋轉阻力比在泥漿中要小很多，且刀盤上渣土堆積少，大大減小了開挖面與刀盤的摩擦阻力，從而能夠有效降低刀盤扭矩，使刀盤有效扭矩增加。

(5)減少廢漿產生。正常模式推進速度慢、貫入度小，切削土體不能成塊，大部分溶解在漿液里造成漿液比重上漲，廢漿量增加；氣壓輔助模式推進能夠擁有較高的貫入度，從而使切削下的黏性顆粒大部分呈塊狀，泥水設備更易分離，廢漿量大幅減少。

(6)降低刀盤刀具磨損。由于渣土流動性好，減少了渣土在刀盤前方停留時間，降低了刀具多次切削的可能，且氣壓輔助模式能有效降低開挖倉內含渣土的泥漿高度，從而減輕了刀盤和刀具磨損。

(7)提高掘進效率。相比開挖倉滿倉模式，氣壓輔助模式掘進時扭矩會有效減小，總推力也有所降低，但有效推力及貫入度反而增加，從而掘進速度得以提升，掘進效率隨之提高。

7 氣壓輔助模式掘進風險及處理措施

7.1 地層漏氣

地層漏氣風險，會造成切口壓力、液位波動較大且難以控制，甚至造成開挖面失穩。

盾構掘進遇到松軟和破碎地層，該類地層氣密性差，會出現地面或水面冒氣現象。針對這種地層應安排專人實時觀察穩壓系統(samson系統)進氣情況，若補氣量達到補氣能力的20%時，需逐步切換為開挖倉滿倉模式推進，待穿越該段地層后，再嘗試切換為氣壓輔助模式。

若發生開挖面失穩，氣墊倉內出現液位漲幅波動，且Samson系統補氣量增加，空壓機氣量不足，應立即停止推進，切換為開挖倉滿倉模式，并及時補充高質量泥漿進行護壁，使開挖面形成泥膜支護。同時應加強氣墊倉循環，防止大量渣土涌入氣墊倉，造成泥漿環流困難。高質量泥膜如圖7所示。

7.2 開挖倉堆積滯排

開挖倉堆積滯排會導致氣墊倉爆倉風險。氣壓輔助模式渣土流動性好，上半部分切削下的渣土很快到達開挖倉底部，而泥漿環流出渣能力有限，渣土難以被快速帶走，造成開挖倉底部堆積，導致前閘門堵塞，造成氣泡倉液位突然下降，循環難以控制，壓力波動大。前閘門堵塞后開挖倉液位快速上漲，循環疏通之后，開挖倉泥漿由于頂部氣體壓力會大量快速進入氣墊倉，導致氣墊倉液位上漲過快，甚至爆倉。

(1)氣壓輔助推進時采用主動循環方式，每推進30～50 cm或開挖倉中部土壓傳感器壓力變大時停止推進，循環10 min左右待壓力正常后，再繼續推進。

(2)采用比重控制主動停機循環方式，若出漿比重比進漿比重大0.3及以上時停機循環，循環至比重差小于0.1時恢復推進。

(3)若液位波動較大，應恢復開挖倉液位，采用正常模式加強循環，堆積渣土被帶走后，再進行氣壓輔助掘進。

7.3 砂漿罐返氣

砂漿罐返氣，同步注漿雖有注漿沖程，但實際漿液注入量很少，砂漿罐內偶爾出現氣泡。

盾構機停機時間過長，注漿管雖持續慢速注漿，但如果進入管道氣體較多，而注漿漿液無法擠出，將導致漿液注入量大幅減少造成堵管。因此停機時，應對同步注漿管路進行檢查，從盾尾處拆開，清理后再接回原管路。

7.4 盾尾漏氣及管片上浮

由于開挖倉上部長期有壓縮空氣存在，氣體沿盾體周邊開挖面滲透至盾尾，使盾尾油脂漏至盾構機內。脫出盾尾的管片頂部被氣體占據，同步注漿難以填充飽滿，管片易上浮。

推進過程適當加大頂部注漿點位注漿量，同時根據實際情況及時采用二次注漿進行補注，使管片背后空隙得到充分填充，保證盾尾處注漿飽滿，對氣體形成第一道防線，控制管片上??；同時關注每環盾尾油脂注入量及各點位油脂腔壓力，及時手動補注油脂，對氣體形成第二道防線。若頻繁出現盾尾漏氣現象，可從盾體徑向孔注入克泥效及時填充盾體與開挖面間隙，對氣體形成第三道防線。

8 結論

泥水平衡盾構在變質砂巖夾泥巖地層掘進過程中采用氣壓輔助模式，能夠有效解決該類地層施工難題，掘進效率也得到大幅提高。建議在穩定性好、氣密性好的地層掘進施工中進行推廣，以達到掘進效率提高、廢漿量降低的目的。