分析大埋深高水压条件下泥水盾构始发关键技术

分析大埋深高水压条件下泥水盾构始发关键技术

陈章

广东华隧建设集团股份有限公司，广东广州，510000

摘要：大埋深高水压条件下的泥水盾构始发关键技术是指在地下埋深较大、水压较高的情况下，进行泥水盾构始发施工时所需要掌握的关键技术。在这种条件下，由于地下水压力的增大和土壤的变化，施工过程中会面临一系列的挑战和困难。针对大埋深条件下的泥水盾构始发，需要进行全面的前期调查和勘察工作。在施工过程中，可能会遇到各种问题，因此需要采取相应的措施进行控制，以确保始发井的稳定和安全。本文将通过对某水资源配置工程来分析大埋深高水压条件下泥水盾构始发关键技术。

关键词：大埋深高水压；泥水盾构始发；关键技术

一、工程概况

某水资源配置工程计划总投资约354亿元，是迄今为止广东省历史上投资额最大、输水线路最长、受水区域最广的水资源调配工程。该工程上各结构井均地下埋深大，井下空间较小且地下水水头压力较高。需针对性解决盾构始发、掘进过程中存在一系列设备布局困难和安全隐患。需根据项目上工作井空间特点和选型配置的盾构机、各设备参数、泥浆流体的特性进行井下设备优化布局。并根据密闭空间内水压、土仓、气压的相互平衡关系，对盾构机及后配套环流、辅助设备分项特点独立分析，从盾构整体系统到各分项子系统设备中针对性、适应性进行分体始发设备布局规划。再综合总结国内外泥水平衡盾构成功应用的案例，重新设计一套泥水盾构环流消能系统，并重新设计配置新型洞门密封装置、土仓快速泄压装置和优化始发反力支撑装置。增加盾构始发时的安全应急装置和提高始发反力架的安全系数。并在盾构机始发进入正常掘进状态后，结合配置的直排式泥水盾构机的构造特点，提出一种新型的气压辅助泥水盾构推进模式。同时针对大埋深软弱地层的情况，提出地面液氮冷冻+盾构机内盐水冷冻的开仓换刀方案。极大的丰富了盾构行业在同等条件下的施工。

二、在大埋深、高水压条件下盾构机装备应用管理的需求

现有技术中很少有针对高埋深、大水压、小空间条件下的泥水盾构分始发、掘进的相关问题针对性出具解决方案。随着中国盾构制造设备逐渐占领市场，盾构设备的应用领域也越来越广，盾构产业需往适应更高埋深、更高的开挖面平衡压力、更加苛刻的应用条件下发展，对盾构设备的制造和适用性应用提出更高端的技术要求和管理应用要求。亦对盾构的组成原理及相对应的后配套组成系统提出更高的要求。除对盾构装备厂家需不断升级盾构参数，基于现场应用条件下的应用改造亦是盾构设备掘进效率的关键因素，对盾构机整机自顶向下、由“面”到“点”进行适应性应用改造和管理分析，并再由“点”到“面”进行集成化创新的应用和总结，逐步分析对盾构设备在高埋深、大水压条件下的管理应用，精准解决设备管理上的需求势在必行。

三、盾构施工技术在大环境上攻坚、升级的需求

随着国内外地下工程的建设旺盛的发展需求及盾构装备产业的变化，除对装备制造产业的升级需求外，对盾构设备在管理应用下的技术含量和质量可靠性的要求也越来越高，盾构设备应用在往越高埋深、更复杂的地质条件下发展。同时，在高埋深、大水压、小空间条件下分体始发、掘进过程中，无论是盾构设备单元还是后配套设备单元，基本结构上大多相辅相成，集成化联系在一起。一量其中一个环节，一个分项系统出现问题，带来的是整个盾构设备系统、周边环境亦在存在安全风险，损失较其它常规、传统盾构生产方式下不可估量。因此，展开对高埋深、大水压、小空间条件下分体始发、掘进的关键性技术研究，及时排除始发、掘进过程中存在的各种设备隐患，改善和保障设备使用性能和运行状态，以保障现场生产的质量和生产效率的提高，是盾构施工技术在大环境上攻坚、升级的需求。

四、大埋深高水压条件下泥水盾构始发关键技术

4.1盾构机分体始发布局设置相关关键技术措施

根据分体始发过程中，在满足盾构机开挖、掘进、拼装功能完善的同时，将后配套的动力源及管片运输、换管功能等后配套台车上的设备放置到地面。并将注浆、注脂系统、环流泵单独拆解至井下，独立再集成至盾构机中。并根据工作井的特点，采用BIM建模技术、有限元多物理场耦合分析技术等对盾构机分体始发流程和设备布局进行模拟，分析、整理完善整个分体始发流程。

同时，考虑盾构机始发后的功能完善性，为减轻盾构始发后的掘进物料运输困难，减少液压、电缆、管路延长造成的能量损失和减少材料的采购成本。在充分利用井下空间条件下。分阶段接入后配套台车。

采用BIM机电技术分析分体始发流程

因工作井下高埋深条件较大，空间较小，对盾构机从构成原理上分体始发进行分阶段转接。在第一阶段需采用延长管线、电缆转接至盾体内，使盾构具备完整的掘进条件，并进行两次后配套台车转接，逐步实现盾构机掘进所需的功能，减少延长管线的使用量，提高井下物资的运输效率，加快分体始发转接的速度。

在第一阶段，将使用单盾构主机进行挖掘，安装切削系统和推进系统，并安装反力架。将环流泵、注浆泵和润滑泵等设备安装至井下，并延长管线将其连接至盾构主机。同时将动力源，如液压和空气，通过延长管线和电缆传输至盾构主机及中控室，以确保所需的动力、流体和润滑源能够传输到正确位置。在第二阶段，将拆除盾构主机、中控室与井上之间的延长管线，并恢复注浆和注脂功能。同时安装部分台车，使盾构机主机具备完整的中控系统、环流系统、管片运输和拼装功能。取消井壁上的延长管路和电缆，并恢复液压、高压电气系统的布局。

4.2环流消能系统关键技术的研究及应用

从流体的相关物理特性来看，泥浆的压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失。泥浆阻力损失与下列因表有关：存在相关管路越长，损失越大；管径越小，损失越大；流速越大，流体粘度越大，损失越大；管路内壁粗糙度越大，损失越大等条件。对于泥浆液体存在其中有在直、弯管中流动时因液体具有的粘性而产生的沿程压力损失，一般同等条件下弯管大于直管。局部压力损失主要为泥浆液体流经如阀口、弯管、通流截面变化等局部装置时形成死水区或涡旋造成局部阻力引起的压力损失。较为典型的是特斯阀装置及其衍生的水利工程、楼宇雨水消防消能装置。根据对泥水盾构原理分析，提出新型消能环流系统设计，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，减少盾构机深竖井始发时的水锤效应及冲垫效应，防止始发时爆仓破坏洞门止水密封。

4.3高承压始发洞门密封关键技术的研究及应用

针对盾构始发时存在的静止泥水仓水头压力高达7.2bar左右的情况。为保证盾构始发时安全，消除可能存在的盾构泥水仓建仓、破连续墙时的穿仓、涌水、涌砂事件。保护盾构机及后配套设备，考虑借鉴国内外（如穿黄工程）等相关高埋深、大水压等始发经验，存在重新设计洞门密封装置的研究需求。针对盾构始发时存在的静止泥水仓高水头压力的情况，重新研究并调整洞门密封结构。将洞门密封采用双特制洞门密封刷+短钢套筒+双帘布的方式设计，并辅以充足的注浆（9路）、注脂（9路）预埋管路。达到最佳的洞门密封效果。同时针对泥水仓建仓、刀盘破洞门连续墙时存在的瞬间压力提升对洞门密封造成爆仓、穿仓的安全隐患，利用预埋注浆管路再接一整套洞门密封自动泄压消能装置。

4.4高埋深、大水压条件下的冷冻开仓的研究和应用

为确保盾构机在大埋深软弱地质条件下顺利开仓换刀，需针对性研究盾构机在高埋深、大水压条件下的冷冻开仓关键技术的应用。通过对刀盘周边土体进行冻结地层加固，使掌子面达到支护效果。珠江三角洲水资源配置工程B2标中粤海32号盾构机开仓位置的埋深较深并处于上部是砂层的上软下硬地质，综合考虑采用地面液氮冷冻+盾构机内盐水冷冻的技术方案。

结束语：通过对大埋深、高水压下盾构机分体始发及掘进施工相关技术的研究，优化了整个分体始发的流程，减少了延长管线、电缆的使用量，并有效实现了各工作井间按工期对设备流转进行周转使用，减少了分体始发额外延长管线的使用、电缆的使用量。通过大埋深高水压条件下泥水盾构始发关键技术分析，保障了盾构施工的安全，使施工工期大为缩短，取得极大的经济效益。

参考文献：

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[3] 贺国生,张晋涛. 泥水盾构始发关键技术分析与处理[J]. 房地产导刊,2014(8):51-51.