大直径泥水平衡盾构掘进技术

大直径泥水平衡盾构掘进技术

王平

中铁隧道股份有限公司河南郑州 450001

 摘要：超大直径泥水平衡盾构掘进施工作业是新时期的重要工程，目前穿越江河隧道工程多使用这种设备，这些设备集开挖、支护、排渣等为一体，在很大程度上保证隧道施工顺利完成。新时期交通需求量不断提升，隧道建设朝着大埋深和大直径的方向发展。大直径泥水盾构技术穿越江河与海峡，为人们的生活带来方便。文章围绕大直径泥水平衡盾构掘进技术展开分析，结合实际工程分析该技术的使用。

关键词：泥水盾构；隧道；工程；要点；电液

前言

各种地下空间开发依赖隧道施工技术的使用，隧道施工技术在缓解城市交通和拓展地下空间方面有很大的优势，可以不破坏原本城市设施的基础上施工。在现代化背景下各种通道建设都需要跨越江河湖海，和桥梁方案相比，隧道方案更具备优势。在隧道施工中我国累积了不少技术，如钻爆法、明挖法等，传统施工方法对地面的扰动比较大，所以盾构工法和新奥法这种先进施工方案逐渐成为主流。随着时代发展盾构施工技术凭借自身的安全、高效、环保和康然能力等诸多优势在隧道和地下施工中占据更重要的地位。

1工程概况

以A项目为例，该隧道所处位置含有十分丰富的地下水，受到季节的影响，水位的季节变化比较大，所以在这种地质下的隧道掘进作业具备极大的挑战性。因此选择大直径泥水平衡盾构机。该隧道靠近A市，距离A市的车站距离为2.5km，由于距离比较长，开挖段难度比较大，分为进出口明挖段、盾构隧道段，整个施工全部长度为1885m。该隧道穿越高速公路与各个收费站、居民区等等，施工不能干扰附近的建筑与生态，必须要做好邻近建筑的管理，隧道是单洞双线隧道，其长度为1469m。

A项目隧道盾构段用泥水加压平衡盾构法来进行施工，考虑到所在地区的特殊性，区间的盾构隧道是单洞双线形式，为增强稳固性，衬砌形式为装配式钢混混凝土管片加箱涵，这种结构能够保证隧道内部结构的稳定，为加固，使用通用型管片环，整个结构的砌环管片为2000mm，其内径为11700m，外径与内径之间的区别为550m，外径为12800。用预制中箱涵以及两侧现浇箱涵结合的形式施工，在很大程度上保证了隧道施工作业的顺利开展[1]。

2理论指导

盾构是盾构施工的核心装备，这种装备有切削地层和平稳推进、衬砌隧道、壁后注浆等功能，集光、液、传感、信息技术等为一体，是隧道施工的专用机械。盾构技术含有十分复杂的科技，是现代大型机电设备，该装备的可靠性高，但是由于隧道设计要求、施工条件上存在差异，因此必须进行个性化的设计，随着时间发展朝着大埋深与超大直径方向发展。由于开挖面稳定方式上的差异，需要使用当前最广泛的技术就是土压平衡盾构与泥水平衡式盾构。在实际运用中，可以选择超大直径的设备刀盘，约15m，能够满足复杂地层以及大直径隧道工程建设的需求。现阶段是穿越隧道工程的首选技术，泥水盾构在掘进的时候刀盘旋转带动刀具切削劈开前面的土体结构，土体结构分裂破碎之后进入到设备之内，与泥水舱和膨润土等混合在一起，在破碎机破碎之后，由设备内的排浆泵以及管道将其输送到隧道之外。在这个过程中渣土会经过过滤和沉淀这个程序，之后直接运走，泥浆在改性之后，再次注入泥浆之内。加压泥浆会随着开挖渗漏在地层内，较大颗粒会在地面过滤，形成渗透性能很小的泥膜。在开挖面上，泥膜能够将泥浆压力转化成为支护力，增加地下结构的稳定性。整个结构甚至设置了螺旋输送机，内部空间极大，在施工中有一定的技术优势。平衡盾构刀具在泥水环境中工作会受到泥水冷却和润滑的影响，有利于设备更长距离的掘进。盾构需要根据开挖面的要求添加泥浆，之后进行地层的改良。除此以外也要设置破碎机，让其适应各种复杂的地层。即便是水流和隧道开挖面联通的情况下人就有可能继续掘进作业。

3施工准备

3.1 地质勘察准备

施工作业之前做好地质勘察，隧道穿越地层的地质有黏土、粉土、细砂材料等，材料与材料之间的差异性比较大，结构局部有胶结现象。根据工程要求和地质条件，确定地质勘察的深度和范围，对于复杂地质条件的地区，应加大地质勘察的深入程度，包括地质钻探、地下水位监测、地下水化学成分分析等，以获取更全面的地质信息；按照地质勘察结果，编制详细的地质报告，包括地质剖面图、地下水位分布图、地层描述和地质风险评估等，报告应明确地下工程的地质特征、地质风险和预防措施，为后续的盾构掘进提供科学依据。

3.2 盾构组装作业

根据盾构机的技术要求和施工计划，确定盾构机的组装顺序和方法，包括盾构机各个部件的安装顺序、连接方式和定位准确度等，确保盾构机的稳定性和工作性能；在盾构组装完成后，进行盾构机的调试和试运行，包括盾构机的动力系统、液压系统、控制系统等各个方面的检查和测试，确保盾构机的正常工作和各项功能的正常运行；在盾构组装作业中，严格遵守相关的安全规范和操作规程。包括安全防护设施的设置、操作人员的培训和安全意识的提高等，确保盾构组装作业过程中的安全性和稳定性；此外，加强对盾构机质量的控制和检查，对各个部件的质量检验和验收，以及对组装作业过程的监控和记录，确保盾构机的质量达到要求。

4关键技术

4.1盾构始发

盾构的始发流程为：反力架、密封洞门、凿除洞门、安装负环管片、密封盾尾、珠江回填、盾构掘进和管片拼装。具体的施工流程为：

（1）盾构超浅埋始发

刀盘掘进之后，上层覆土厚度约有6.5m，在掘进环节，需控制刀盘的转速、推力等，这有利于盾构设备的顺利进行。主要的掘进参数有：气泡舱的压力需要根据盾构洞门密封情况与检测参数来确定，为0.3~0.9bar，在计算中，1bar=0.1MPA，现场的实际情况，推进速度范围为1min/10mm，整体推力不能大于3000t。掘进作业后，刀盘转速为1.0r/min，掘进速度与推进速度一致，控制在其范围内即可。在始发过程中，通常不对姿态进行调整，避免出现意外情况；在脱出之后需要对其姿态更改，本次工程中将其更改为6mm；在施工期间，为了确保设备安全性，将防止旋转的挡块拆除，能够防止对橡胶造成破坏；在始发阶段，使用双帘布橡胶密封解决富水地质下的始发保压问题，在加压之后尾部不能立即注浆封闭，若保压出现问题，很容易引起土体塌方问题出现，所以要设置2道帘布香蕉，为避免仓泥溢出，要保证洞门的密封性，保证止水效果与始发的安全[2]。

（2）盾构始发段

这里所说的盾构始发段剩余50m 的掘进参数，这是根据现场实际情况来确定的掘进参数，气泡舱的压力需要根据盾构洞门密封情况与检测参数来确定，为0.8~1.3bar，在计算中，1bar=0.1MPA，考虑到现场的盾构实际情况，整体推力不能大于5000t。刀盘转速为1.8r/min，需要根据实际情况来进行调整，其泥浆的比重为1.05~1.3之间，

4.2盾构掘进

掘进作业按照设计流程即可。在正常的掘进阶段，进行100m的试验，结合试验来制定最佳的施工参数，在施工作业中需要进行量测，需通过精确的定位系统，控制盾构机的水平、垂直和水平偏差等参数，可以通过使用全站仪等测量设备进行实时监测和调整来实现。确保盾构机的准确定位可以提高隧道的准确性和稳定性[3]。在盾构掘进作业中，保持泥水平衡是确保施工安全和质量的关键，通过注入适量的膏状土和水，使工作面维持一定的平衡，本次工程中通过监测盾构机的刀盘转速、刀盘扭矩、注浆压力等参数，以及监测隧道内部的泥浆压力和土体的压力来实现，保持泥水平衡可以减少土体的松动和塌方，降低盾构机卡滞和损坏的风险。

4.3盾构到达

这里所说的盾构到达段是100m，到达段0~50m的掘进中，逐步减小推进作业的压力，逐渐降低掘进的速度。掘进参数也要进行设计与挑战，整体推力范围在5000t以下，刀盘的转速为1.8r/min，盾构器的气泡舱压力为0.8~1.3bar，泥浆粘度为25～40s/500mL，粘度仍旧需要根据实际情况来调整，按照到达的情况进行设计。在盾构接收端32m的掘进中，此时为（50～82m）阶段，在这个接收段之内，此时隧道的埋深仅仅有7m，此时可以适当地调整掘进的参数，并且在此时的气泡舱压力范围在0.5~0.8bar之间，此时的总推力范围在4000t以内，调整刀盘转速，此时转速为1.2r/min，掘进速度在10～30mm/min之内，加上泥浆粘度，其粘度的调整需要在合理范围之内。调整泥浆比重，比重范围为1.05~1.3。

5注意事项

5.1掘进中的问题处理

首先，在施工过程中，可能会出现进口压力过低的问题，出现这种情况的原因是进口的堵塞吸浆口堵塞和格栅堵塞，遇到这种情况，要采取的处理措施是加大泵的转速，打在庞统模式旁边，观察这一模式是否存在堵塞的情况，若确定堵塞处于旁通管理之前的位置，需要对管路进行疏通处理，进而使其压力恢复正常。这种方式需要关注泵口的压力，其压力值不能超过12bar，尽可能避免压力打胎直接将软连接打爆。

其次，盾构掘进过程中，泥浆系统是关键的支撑系统，需要对泥浆系统进行合理的管理和调整，以确保盾构机的正常工作和施工质量。定期检查和维护泥浆搅拌、输送和过滤设备，保持泥浆的稳定性和适宜性；根据施工情况和地质条件，及时调整泥浆的配方和流量，以适应不同的施工环境。

第三，在施工期间，容易发生排降管路爆裂的问题，这是因为设备长时间时候之后出现设备磨损的情况，也有可能是由于操作失误，使得机械出现错误运行问题，比如阀门没有正确处理，使得管路压力无法释放，没有办法及时调整、处理。出现这种情况之后，需要第一时间对其进行检查处理，确定问题发生的原因，之后采用相应的控制策略，重点检查排浆管的磨损与压力情况，如果没有发现问题需要对阀门进行检查，要避免出现爆管的情况。如果出现爆管，需要在第一时间内了解情况，不能立即停机，而是逐步减小排浆的流量，并且保持一定的进浆流量，检查舱内的液位，避免因为爆管导致掌子面失压。如果出现这种情况，则要同时相关人员立即关闭阀门，让爆管两侧管路封死以后，再处理爆管的情况。

掘进作业的时候流量逐步减小，这是因为管路堵塞，出现这种情况之后要降低掘进的速度，如此才可以提高泥浆的循环量，从而提高浆液的黏度

[4]。

5.2进行盾构设备的刀具检查

（1）确定刀具的位置

在A项目当中，拟开仓里程的DK3+500处，这里接近隧道的中心，埋深比较深，盾构的穿越地层比较复杂，如黏土、粉质黏土等，地质结构比较复杂，实际地埋深有24m，根据附近建筑物实际情况来调整，根据地表建筑物结构进舱检查刀具，如果磨损比较大，则需要及时进行更换。

（2）带压进舱的操作

带压进舱作业的时候，盾构设备的舱需要将液位降低，减少到可操作位置。进舱的液位需要根据工作需要来进行调整，换刀的液位要保持在55%以上；在带压进舱操作中，需要对刀具的外观进行检查，检查刀盘和刀具的表面是否存在损坏、磨损或变形等情况，特别要注意刀具的刃口是否锋利，是否存在裂纹或缺口。任何外观异常都需要及时记录，并根据需要进行更换或修复；刀具的尺寸准确性对于掘进的质量和效率至关重要，在带压进舱操作中，需要使用专业的测量工具对刀具的尺寸进行检查，尤其需要注意刀具的直径、长度、角度等尺寸参数是否符合设计要求。如发现尺寸偏差过大，应及时更换或调整刀具；刀具固定系统是确保刀具在掘进过程中稳定工作的重要组成部分，在带压进舱操作中，需要检查刀具固定系统的可靠性和稳定性，包括检查刀具的固定螺栓、夹具、密封圈等部件是否紧固、完好，并且没有松动或损坏，如果发现问题，应立即采取措施进行修复或更换。

5.3 注意事项

在盾构掘进施工现场，要严格执行安全管理规定，确保工人的安全，设立合理的安全防护措施和安全通道，保证工人的人身安全；组织定期的安全培训和演练，提高工人的安全意识和应急处置能力，加强对施工现场的监控和巡视，及时发现和解决潜在的安全隐患[5]。在盾构掘进施工过程中，要注重环境保护和治理，减少对周围环境的影响，采取合理的防尘、防噪声和防震措施，减少施工对空气、水质和土壤的污染，合理利用和处理施工产生的废弃物和污水，确保环境卫生和资源的合理利用。[6]。

在盾构掘进施工中，需要保持土压平衡，控制土体的变形和沉降，以确保施工的稳定性和安全性，通过合理的刀盘推进力和注浆压力的控制，实现刀盘与土体之间的平衡；按照地质条件和盾构机的性能特点，合理调整泥浆注入量和泥浆压力，控制土体的松动和塌方。质量控制和监测是确保施工质量的重要手段，通过定期的质量检查和监测，对施工过程中的各个环节进行控制和评估，包括对刀盘推进力、刀盘转速、注浆压力、土体松动与沉降等参数进行实时监测和记录，能够及时发现和解决施工过程中的质量问题，确保隧道的稳定性和质量符合设计要求。

结语：

综上所述，盾构机是新时代伟大的发明，在现代技术的支持下不断发展、不断创新，这些备受重视。在不断地发展中，盾构技术逐渐成熟。文章结合A项目展开讨论，论述该技术的使用运用，结合对应的参数、技术措施，确保了隧道施工的顺利完成。

参考文献：

[1]范伟.小曲线大坡度岩溶区S型盾构隧道掘进技术研究[J].建筑机械化,2023,44(04):20-23.

[2]王银坤.全断面硬岩及上软下硬复杂地层盾构掘进技术应用[J].中国市政工程,2023(01):75-77+82+97.

[3]宋长兵.超大直径泥水盾构机上软下硬地层掘进技术研究[J].建材发展导向,2023,21(04):82-84.

[4]杨松勇.地铁隧道双曲线盾构始发掘进技术研究[J].市政技术,2023,41(01):78-82.

[5]孙海东,张晓勇,陈国相,吴双.泥水平衡盾构大坡度分体始发掘进关键技术研究[J].施工技术(中英文),2022,51(21):40-43.

[6]张楠.浅埋复合地层小净距大盾构隧道始发掘进技术研究[J].公路,2022,67(01):383-387.