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摘要：介绍在泥水盾构施工中泥水循环系统的主要作用及工作原理；并结合现场施工经验，就泥水盾构在施工过程中泥水循环的操作、安全注意事项做一探讨。
关键词：泥水循环；泥水操作技巧；泥水盾构
引言
泥水加压盾构对于不稳定的软弱地层或地下水位高，含水砂层，粘土、冲积层以及洪积层等流动性高的土质，有很好的使用效果[1]；并具有土体适应性强、对周围土体影响小、施工机械化程度高等优点。所以被广泛的应用于现在的隧道施工中。而对于泥水加压盾构来说，渣土运输和开挖面支护压力都是通过泥水循环系统来提供的。因此，泥水循环系统是泥水加压盾构的重要特征[2]；同时泥水循环系统的操作也是泥水加压盾构施工过程中的重点和难点。
1.泥水加压式盾构工作原理
根据泥水加压盾构中对泥水系统压力控制方式的不同，泥水加压盾构可划分为直接控制型和间接控制型两种 [3]。
1.1 直接控制型
直接控制型泥水系统流程是进浆泥浆泵从地面泥水调整池将有压力的泥水输入盾构泥水室，在泥水室与开挖的泥砂混合后形成比重较高的泥浆，再由出浆泥浆泵输送至配套的泥水处理场地。排出的泥水通常要经过振动筛、旋流器和压滤机或离心机等三级分离处理，将渣土排除，清泥水再回到泥水调整池重复循环使用。
控制泥水室的泥水压力，通常有俩种方法：若进浆泥浆泵是变速泵，则通过调节进浆泥浆泵的转速来实现压力控制；若进浆泥浆泵是恒速泵，则通过调节进浆节流阀的开口比值来实现压力控制。
1.2 间接控制型
间接控制型泥水系统的工作特征，是由空气和泥水双重系统的组成的。在盾构泥水室内，装有一道半隔板，将泥水室分隔成俩部分，在半隔板的前面充满压力泥浆，半隔板后面在盾构曲线以上部分加入压缩空气，形成气压缓冲层，气压作用在隔板后面的泥浆接触面上。由于在接触面上的气、液具有相同的压力，因此只要调节空气压力，就可以确定开挖面上相应的支护压力。当盾构掘进时，由于泥浆的流失或盾构推进速度的变化，进出泥浆量将会失去平衡，空气和泥浆接触面位置就会出现上下波动现象。通过液位传感器，可以根据液位的变化控制进、出浆泥浆泵的转速，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护夜里的稳定。
空气室的压力是根据开挖面需要的支护泥浆压力而确定的，空气压力可以通过专门的气体保压系统来设定，通过气体保压系统的自动进、排气来达到压力的恒定。由于空气缓冲层的弹性作用，使液位波动时对支护液无明显影响。
因此，间接控制型泥水盾构与直接控制型盾构相比，控制系统更为简化，对开挖面土层支护更为稳定，对地表沉陷的控制更为方便。下面就间接控制型泥水盾构的操作技术进行探讨。
图1间接控制型盾构
2.泥水循环系统的组成
以武汉地铁二号线越江隧道项目工程，海瑞克泥水混合式盾构机S-508的泥水循环系统为例，循环系统主要包括2台进浆泵（P1.1泵、P1,.2泵）、3台出浆泵（P2.1泵、P2.2泵、P2.3泵）、DN300泥浆管以及液压、气动阀组成。该泥水循环系统分为俩种循环模式：
2.1旁通循环模式
当V031、V050、V051阀打开，V030、V032阀关闭时为旁通循环模式。旁通循环模式时，泥浆不经过开挖面仅在进、出浆泥浆管内循环。这种循环模式主要用于循环系统启动初期泥浆流量的建立，以及在掘过程中或掘进结束后降低管路中泥浆比重。
图2旁通循环模式
2.2开挖循环模式
当V050、V051、V030、V032以及3路以上进浆阀打开，V031阀关闭时为开挖循环模式。在开挖循环模式时，泥浆会进由进浆管进入开挖仓，再从开挖仓进入出浆管，形成一个完整的循环，所以开挖循环也称为大循环。这种循环模式主要用于盾构机掘进。
图3开挖循环模式
3.泥水循环系统的操作技术
在盾构掘进过程中，泥水循环系统的主要有俩方面的作用，一个是随时补充开挖仓和作业仓的浆液以保证掌子面和气仓液位（压力）的稳定，另一个是与刀盘切削掉下来的土块碎石等混合后，携渣的泥浆经出浆管路将渣输送到地面的泥水处理设备。其操作技巧主要包括一下几方面：
3.1保证进、出浆流量的稳定
在掘进过程中，泥浆流量的波动会直接造成循环管路已经开挖仓压力的波动，因此，在操作中要尽量保持泥浆流量的稳定。
3.1.1在操作时应尽量避免因管路压力分布不均匀而照成的泥浆流量波动较大的情况发生。当多台泥浆泵接力使用时，还需要考虑各泵使用效率的分布。其主要原则是，尽量确保接力泵的出口压力相等或相差较少，以及各泵吸口压力需预留2bar左右压力（预防流量波动时出现吸口吸空情况）。
3.1.2阀门要平稳操作，在泥浆循环时，几个阀门要间隔的打开和关闭，避免同时打开和关闭时的流量迅速波动而形成的压力快速上升现象[4]。
3.1.3泥浆循环回路要畅通，在泥浆循环管路阀门动作前，要确保新形成的回路是畅通的，比如在关闭旁通回路前，要确保工作仓回路是畅通的。
3.1.4当我们通过旁通循环泥浆流量达到掘进条件，准备切换至大循环时，因为一些阀的切换，导致循环环境的变化，很容易造成流量的波动。可以在旁通循环时，通过对各个泵转速的调节，尽量使P2.1泵的吸口压力与气仓压力保持相同或相差不大，这样在切换至大循环后，流量的的波动就会很小。而且这样操作还有一个好处就是，切换至大循环后，因为P2.1泵的吸口压力不会改变，所以出浆流量也不会波动很大，避免了一切换至大循环就得再进行泵转速调节的情况。
3.2控制泥浆流量在合理的范围
在掘进过程中，为确保渣土不在管道内沉淀，进、出浆流速必须大于临界流速，但太大的流速又会造成能源的浪费和分离设备的能力不够，所以泥浆的流量需控制在一个合理的范围内。在掘进过程中，根據掘进速度的不同出浆流量一般要比进浆的流量多出50～100m3/h。所以根据武汉越江隧道的管径情况以及泥水分离设备的工作能力情况，一般的进浆流量选择在670～750 m3/h。
3.3保证开挖仓压力的稳定
挖掘仓内隧道面的支撑压力主要来自于泥水仓内的气垫压力（即气仓压力），而气仓的压力主要是通过保压系统的进气排气来控制。因为气仓的体积是固定的，所以当气仓内液位上升时气仓压力会升高，液位下降时气仓压力降低，虽然保压系统会及时把压力调节到设定值，但在调节的过程中不可避免的会出现压力波动，直接造成隧道面支撑压力的波动。因此在盾构操作中我们需要随时注意液位、气仓压力的现实，并且注意观察液位的升降趋势，发现液位的升降趋势较大时，要及时通过调节进浆流量、出浆流量、掘进速度等参数，是液位升降趋势趋于稳定。
在掘进过程中出现堵仓门，堵泵、堵管、跳泵、爆管等情况，都会造气仓内液位较大波动，在遇到这些情况时，千万不能紧张，要认真观察各关键部位的参数，做出合理判断后再进行操作。如果不能及时做出判断，就先停止推进，再将循环切换到旁通模式，再来分析参数做以便于做出正确的判断。
4.结语
泥水循环系统的操作是泥水盾构操作人员的重点和难点，需要操作人员注意管路内压力的分布、流量稳定的控制、开挖仓压力的稳定等方面的操控。力求降低能耗、减少泥浆循环事故。
参考文献：
[1] 王梦恕.不同地层条件下的盾构与TBM选型(J).隧道建设,2006,26(2):1-3,8.
[2][4] 曾垂刚.泥水盾构泥浆技术的探讨(J).隧道建设,2009,29(2):162-165,193.
[3] 刘仁鹏,刘方京.泥水加压盾构技术综述(J).世界隧道,2000,6:1-5.
作者简介:
赵生荣(1982-)，男，内蒙古呼和浩特人，2007年毕业于华东交通大学机械设计制造及其自动化专业，助理工程师，现主要从事于盾构施工和设备管理工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：泥水循环；泥水操作技巧；泥水盾构
引言
泥水加压盾构对于不稳定的软弱地层或地下水位高，含水砂层，粘土、冲积层以及洪积层等流动性高的土质，有很好的使用效果[1]；并具有土体适应性强、对周围土体影响小、施工机械化程度高等优点。所以被广泛的应用于现在的隧道施工中。而对于泥水加压盾构来说，渣土运输和开挖面支护压力都是通过泥水循环系统来提供的。因此，泥水循环系统是泥水加压盾构的重要特征[2]；同时泥水循环系统的操作也是泥水加压盾构施工过程中的重点和难点。
1.泥水加压式盾构工作原理
根据泥水加压盾构中对泥水系统压力控制方式的不同，泥水加压盾构可划分为直接控制型和间接控制型两种 [3]。
1.1 直接控制型
直接控制型泥水系统流程是进浆泥浆泵从地面泥水调整池将有压力的泥水输入盾构泥水室，在泥水室与开挖的泥砂混合后形成比重较高的泥浆，再由出浆泥浆泵输送至配套的泥水处理场地。排出的泥水通常要经过振动筛、旋流器和压滤机或离心机等三级分离处理，将渣土排除，清泥水再回到泥水调整池重复循环使用。
控制泥水室的泥水压力，通常有俩种方法：若进浆泥浆泵是变速泵，则通过调节进浆泥浆泵的转速来实现压力控制；若进浆泥浆泵是恒速泵，则通过调节进浆节流阀的开口比值来实现压力控制。
1.2 间接控制型
间接控制型泥水系统的工作特征，是由空气和泥水双重系统的组成的。在盾构泥水室内，装有一道半隔板，将泥水室分隔成俩部分，在半隔板的前面充满压力泥浆，半隔板后面在盾构曲线以上部分加入压缩空气，形成气压缓冲层，气压作用在隔板后面的泥浆接触面上。由于在接触面上的气、液具有相同的压力，因此只要调节空气压力，就可以确定开挖面上相应的支护压力。当盾构掘进时，由于泥浆的流失或盾构推进速度的变化，进出泥浆量将会失去平衡，空气和泥浆接触面位置就会出现上下波动现象。通过液位传感器，可以根据液位的变化控制进、出浆泥浆泵的转速，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护夜里的稳定。
空气室的压力是根据开挖面需要的支护泥浆压力而确定的，空气压力可以通过专门的气体保压系统来设定，通过气体保压系统的自动进、排气来达到压力的恒定。由于空气缓冲层的弹性作用，使液位波动时对支护液无明显影响。
因此，间接控制型泥水盾构与直接控制型盾构相比，控制系统更为简化，对开挖面土层支护更为稳定，对地表沉陷的控制更为方便。下面就间接控制型泥水盾构的操作技术进行探讨。
图1间接控制型盾构
2.泥水循环系统的组成
以武汉地铁二号线越江隧道项目工程，海瑞克泥水混合式盾构机S-508的泥水循环系统为例，循环系统主要包括2台进浆泵（P1.1泵、P1,.2泵）、3台出浆泵（P2.1泵、P2.2泵、P2.3泵）、DN300泥浆管以及液压、气动阀组成。该泥水循环系统分为俩种循环模式：
2.1旁通循环模式
当V031、V050、V051阀打开，V030、V032阀关闭时为旁通循环模式。旁通循环模式时，泥浆不经过开挖面仅在进、出浆泥浆管内循环。这种循环模式主要用于循环系统启动初期泥浆流量的建立，以及在掘过程中或掘进结束后降低管路中泥浆比重。
图2旁通循环模式
2.2开挖循环模式
当V050、V051、V030、V032以及3路以上进浆阀打开，V031阀关闭时为开挖循环模式。在开挖循环模式时，泥浆会进由进浆管进入开挖仓，再从开挖仓进入出浆管，形成一个完整的循环，所以开挖循环也称为大循环。这种循环模式主要用于盾构机掘进。
图3开挖循环模式
3.泥水循环系统的操作技术
在盾构掘进过程中，泥水循环系统的主要有俩方面的作用，一个是随时补充开挖仓和作业仓的浆液以保证掌子面和气仓液位（压力）的稳定，另一个是与刀盘切削掉下来的土块碎石等混合后，携渣的泥浆经出浆管路将渣输送到地面的泥水处理设备。其操作技巧主要包括一下几方面：
3.1保证进、出浆流量的稳定
在掘进过程中，泥浆流量的波动会直接造成循环管路已经开挖仓压力的波动，因此，在操作中要尽量保持泥浆流量的稳定。
3.1.1在操作时应尽量避免因管路压力分布不均匀而照成的泥浆流量波动较大的情况发生。当多台泥浆泵接力使用时，还需要考虑各泵使用效率的分布。其主要原则是，尽量确保接力泵的出口压力相等或相差较少，以及各泵吸口压力需预留2bar左右压力（预防流量波动时出现吸口吸空情况）。
3.1.2阀门要平稳操作，在泥浆循环时，几个阀门要间隔的打开和关闭，避免同时打开和关闭时的流量迅速波动而形成的压力快速上升现象[4]。
3.1.3泥浆循环回路要畅通，在泥浆循环管路阀门动作前，要确保新形成的回路是畅通的，比如在关闭旁通回路前，要确保工作仓回路是畅通的。
3.1.4当我们通过旁通循环泥浆流量达到掘进条件，准备切换至大循环时，因为一些阀的切换，导致循环环境的变化，很容易造成流量的波动。可以在旁通循环时，通过对各个泵转速的调节，尽量使P2.1泵的吸口压力与气仓压力保持相同或相差不大，这样在切换至大循环后，流量的的波动就会很小。而且这样操作还有一个好处就是，切换至大循环后，因为P2.1泵的吸口压力不会改变，所以出浆流量也不会波动很大，避免了一切换至大循环就得再进行泵转速调节的情况。
3.2控制泥浆流量在合理的范围
在掘进过程中，为确保渣土不在管道内沉淀，进、出浆流速必须大于临界流速，但太大的流速又会造成能源的浪费和分离设备的能力不够，所以泥浆的流量需控制在一个合理的范围内。在掘进过程中，根據掘进速度的不同出浆流量一般要比进浆的流量多出50～100m3/h。所以根据武汉越江隧道的管径情况以及泥水分离设备的工作能力情况，一般的进浆流量选择在670～750 m3/h。
3.3保证开挖仓压力的稳定
挖掘仓内隧道面的支撑压力主要来自于泥水仓内的气垫压力（即气仓压力），而气仓的压力主要是通过保压系统的进气排气来控制。因为气仓的体积是固定的，所以当气仓内液位上升时气仓压力会升高，液位下降时气仓压力降低，虽然保压系统会及时把压力调节到设定值，但在调节的过程中不可避免的会出现压力波动，直接造成隧道面支撑压力的波动。因此在盾构操作中我们需要随时注意液位、气仓压力的现实，并且注意观察液位的升降趋势，发现液位的升降趋势较大时，要及时通过调节进浆流量、出浆流量、掘进速度等参数，是液位升降趋势趋于稳定。
在掘进过程中出现堵仓门，堵泵、堵管、跳泵、爆管等情况，都会造气仓内液位较大波动，在遇到这些情况时，千万不能紧张，要认真观察各关键部位的参数，做出合理判断后再进行操作。如果不能及时做出判断，就先停止推进，再将循环切换到旁通模式，再来分析参数做以便于做出正确的判断。
4.结语
泥水循环系统的操作是泥水盾构操作人员的重点和难点，需要操作人员注意管路内压力的分布、流量稳定的控制、开挖仓压力的稳定等方面的操控。力求降低能耗、减少泥浆循环事故。
参考文献：
[1] 王梦恕.不同地层条件下的盾构与TBM选型(J).隧道建设,2006,26(2):1-3,8.
[2][4] 曾垂刚.泥水盾构泥浆技术的探讨(J).隧道建设,2009,29(2):162-165,193.
[3] 刘仁鹏,刘方京.泥水加压盾构技术综述(J).世界隧道,2000,6:1-5.
作者简介:
赵生荣(1982-)，男，内蒙古呼和浩特人，2007年毕业于华东交通大学机械设计制造及其自动化专业，助理工程师，现主要从事于盾构施工和设备管理工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。