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摘要：泥水平衡盾构适合多种恶劣环境施工，尤其是穿江越海。本文以南水北调穿黄隧道为实例，简述泥水盾构掘进在不同地质层中的风险和操作控制。
关键字：泥水盾构机；地质层；操作
中图分类号： F407 文献标识码： A 文章编号：
工程简介
1、工程概况：南水北调中线穿黄隧洞包括3450m过黄河隧洞和800m邙山隧洞，采用一台泥水平衡式盾构机自北向南推进，埋深45m隧道施工。隧道直径9m，采用预制混凝土管片拼装支护方式。
2、工程地质：根据勘探资料，隧道大约由以下地质层构成：1）全土层：由黄土状粉质壤土、古土壤、淤泥、粉质粘土、淤泥质粘土、粉质壤土、淤泥质粉质粘土、砂壤土中的一种或几种组成，所占隧洞总长度的13.2% ；2）全砂层：由粉砂、细砂、中砂、粗砂、含砾砂中的一种或几种组成，所占隧洞总长度的25.6%；3）复合层：由全土层和全砂层中的任何两种或以上组成，所占隧洞总长度的15.0%；4）砂砾石层：只要含有砂砾石层就作为单独的一层，所占隧洞总长度的34.5%；5）钙质结核土层：层中只要含有钙质结构就作为单独的一层，所占隧洞总长度的11.7%；地质结构复杂多变。
盾构机的选择
1、盾构机的分类与区别
隧道掘进机（Tunnel Boring Machine简称TBM）大体分为硬岩掘进机、土压平横盾构机、泥水平衡盾构机和顶管机四类。硬岩掘进机用于地质稳定性较好的隧道工程，比如岩石层，一般用于山体隧道；顶管机一般用于距离短、直径小，地质疏松的小型直线隧道；土压平衡盾构（EPB）一般用于沙、水含量较少的地质，它是通过螺旋输送机出渣同时控制出渣量来保持压力平衡；泥水平衡盾构（slurry）用于地质变化大、条件比较恶劣的环境下，通过进、排泥浆管道出渣同时保持泥浆在气垫仓的液位保持盾构平衡，并且地面配备泥水分离设备。他们的区别主要在于出渣方式不同。本工程可使用加泥式土压平衡盾构和泥水平衡盾构。但土压平衡盾构一般只适应0.3MPa以下的水压，本工程水压高达0.45MPa，因此选用泥水平衡盾构。
2、加压式泥水平衡盾构工作原理
泥水平衡盾构是通过对泥浆压力进行调节和控制建立平衡、保证掘进的，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料。泥浆有两个作用：1）、在隧道开挖仓形成泥膜，支撑掌子面，防止隧道上方坍塌；2）、将掘进开挖出的渣土通过进、排泥浆将渣土悬浮于膨润土浆液中，通过管道泵出至配套的泥水处理设备进行分离。泥浆再通过沉淀调制，重复使用。泥水盾构适用的地质范围较大，从软弱砂质土层到砂砾层都可以使用。
泥水盾构的掘进模式采用气压模式，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾
构的泥水仓内插装一道半隔板（如图[8]），在半隔板前(即开挖舱，如图[4])充以压力泥浆，顶部掌子面压力等于埋深的压力。在半隔板后面（即气垫仓，如图[3])盾构轴心线以上部分充以压缩空气（如图[7]），形成空气缓冲层，气压作用在隔板后面与泥浆接触面上，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。当盾构掘进时，有时由于泥浆的流失，或推进速度的变化，进、排泥浆量将会失去平衡（如图[3、6、9、10]均为进浆管，[11]为排浆管），气液接触面就会出现上下波动现象。通过液位传感器，根据液位的高低变化来操纵供泥浆泵转速，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护液压的稳定。也就是说，供泥浆泵输出量随液位下降而增加，随液位上升而减小，另外在液位最高和最低处设有限位器，当液位达到最高位时，停止供泥浆泵，当液位降低到最低位时，则停止排泥浆泵。由于空气缓冲层的弹性作用，当液位波动时，对支护泥浆压力变化无明显影响。
3、基本配置要求
泥水加压平衡盾构由掘进系统、同步注浆系统、泥水输送系统、综合管理系统、泥水分离系统等五大系统组成；具有泥水压力平衡功能、泥水输送及管路延伸功能、自动控制及故障显示功能、方向控制功能、数据采集处理和分析功能、管片安装功能、同步注浆功能、泥水分离等基本功能。
三、不同地质层掘进的风险问题与操作控制
1、盾构机在砂层掘进的风险和操作控制
由于砂子颗粒的流动性和不稳定性，在砂层掘进时特点为推力小、刀盘扭矩小、掘进速度快，泥水仓液位和压力较容易控制，盾构姿态容易“掉头”；砂层掌子面不稳定，容易造成超挖，操作不当泥水仓液位会迅速的升降，导致掌子面塌方，地面沦陷。同时由于砂子的不连续性且易沉淀，出渣时砂子在管道中沉淀，废渣不易悬浮在泥浆中排出；泥水分离系统分离效果差，使得泥浆质量下降；在掘进时由于与刀具、刀盘的摩擦很容易造成刀具、刀盘磨损；泥浆管路、进、排浆泵等部件亦磨损严重。
根据穿黄盾构经验，在操作掘进时必须控制掘进速度到40-50mm/min，减小刀盘转速（一般控制在1-1.2rps)以增大扭矩，减小刀盘、刀具磨损；适当开启颚式破碎机；盾构机仰俯角保持在1.2—2.0mm/m，保证盾构不“掉头”；增大进、排浆流量，减小对泥浆管道和进、排浆泵的磨损；同时，精细控制气垫仓内泥浆液位，进而使得掌子面压力波动小，防止气垫仓和开挖舱窜通，导致地面隆起或者河面冒泡；精确控制出渣量，避免超挖多排，防止掌子面塌方，地面沦陷。另根据计算，要求膨润土泥浆进浆黏度在22s—25s之间，调高泥浆比重，保证泥浆质量。这样也有利于保护砂子与刀盘刀具、泥浆管道之间的摩擦。若刀盘、刀具磨损严重，在砂层带压换刀比较危险。一般采用冷冻掌子面等办法。
2、在土层掘进的问题和操作控制
在土层中掘进尤其有壤土、古土壤时刀盘刀具最容易形成泥饼包裹刀具，无法达到切削效果；掘进速度较慢，贯入度较小，扭矩较小，掌子面较为稳定；泥土溶解于泥浆中，地面泥浆分离设备分离效果最差。
在土層掘进时，由于刀具形成泥饼，贯入度小，掘进速度一般为20-30mm/min，刀盘转速设定为1.3-1.5rps，破碎机适当破碎与摆动结合；仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可；增大进、排浆流量，增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力，进行“大循环、大冲洗”，减小刀盘刀具上附着的泥饼；精细控制气垫仓内泥浆液位，使掌子面压力波动小，防止气垫仓和开挖舱窜通，精确控制出渣量，避免超挖多排。由于泥土易溶解于泥浆难以分离，故要求膨润土泥浆进浆黏度在18s—20s之间，降低泥浆比重，弃浆加水，保证泥浆质量。
3、在砂砾石层掘进中的问题与操作控制
在砂砾石层中掘进尤其有大石时，刮刀切削效果差，仅先行刀与滚刀切割石块，刀具磨损较为严重，石块较大时排浆泵涡轮等位置偶尔堵塞；掘进速度适中，扭矩较大，掌子面一般较为稳定，有时会有空洞；地面泥浆分离设备分离效果良好。
在砂砾石层掘进时，由于刀具配置问题，穿黄盾构机仅有6把滚刀，切削效果不好，掘进速度一般控制在20-40mm/min，刀盘转速设定为1.4-1.6rps，破碎机一直处于颚式破碎状态，偶尔摆动；仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可；增大进、排浆流量，增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力，进行“大循环、大冲洗”；精细控制气垫仓内泥浆液位，使掌子面压力波动小，防止气垫仓和开挖舱窜通，使气垫仓空气压力直接进入掌子面空洞造成地面隆起，精确控制出渣量，避免超挖多排。泥水分离效果良好，泥浆黏度控制在20s-22s。若排浆泵被堵塞，提高排浆泵功率一般可以通过，或者拆开排浆泵挡板清除。
4、在钙质结核层掘进中的问题与操作控制
钙质结核层中大多数为姜结石状或者扁于椭圆状，有很强的胶性且不易破碎，容易形成泥饼包裹刀具影响切削；盾构出渣时很容易胶结成团，堵塞出浆口、管道弯管、排浆泵、泥浆分离设备。使得进、出浆不平衡，气垫仓液位易控制，进浆管压力过高等诸多问题。掘进速度慢，贯入度较小，扭矩大小，掌子面较为稳定；地面泥浆分离设备分离效果良好。
在钙质结核层掘进时，切削、出渣、泥水循环效果不好，掘进速度一般为10-15mm/min，刀盘转速设定为1.4-1.6rps，破碎机一直处于摆动状态，偶尔使用颚式破碎模式，以防颚式使得钙质结核胶结更为严重；仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可；掘进时增大进、排浆流量，增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力，进行“大循环、大冲洗”；精细控制气垫仓内泥浆液位，使之低于气垫仓中线，避免出浆堵塞瞬间气垫仓泥浆液位迅速上升，从排气孔喷出。泥水分离效果良好，但分离设备分配阀容易堵塞。泥浆黏度控制在18s-20s。若排浆泵被堵塞，停止掘进，提高排浆泵功率，如果气垫仓液位迅速上升，泥浆循环系统马上切换到旁通模式，紧急情况时在旁通模式下关闭气垫仓排气阀；同时调整气垫仓液位和压力，等胶结的堵塞物完全循环出排浆管再行掘进。若出渣口堵塞，可以采用高压反冲洗法慢慢疏通。
5、盾构机在复合层掘进中的问题与操作控制
在复合层中有上砂下土段，有上土下砂段，也有上砂中土下砂砾，期间混杂钙质结核段，综合上述四类掘进中的问题和操作控制要领，根据实际情况应变解决。期间注意盾构姿态控制，下软上硬时盾构会上浮，仰俯角应保持较小甚至为负；下硬上软时盾构会上浮，应保持较打的仰俯角。
6、其他注意问题
在掘进还应注意每环同步注浆量一定满足计算设计，壁后注浆饱满，稳定隧道不易变形；同时盾尾油脂密封应充足，管片质量合格，拼装精细，避免涌水涌砂，如果涌水涌砂严重隧道将会被淹，出现重大事故。
四、结束语
在实际掘进中，穿黄隧道大多为复合型地质，条件复杂，掘进困难，机电故障频出。要求操作人员必须熟悉盾构性能，掌握工作原理，能够熟练、准确、迅速的做出正确操作，避免工程事故。
关键字：泥水盾构机；地质层；操作
中图分类号： F407 文献标识码： A 文章编号：
工程简介
1、工程概况：南水北调中线穿黄隧洞包括3450m过黄河隧洞和800m邙山隧洞，采用一台泥水平衡式盾构机自北向南推进，埋深45m隧道施工。隧道直径9m，采用预制混凝土管片拼装支护方式。
2、工程地质：根据勘探资料，隧道大约由以下地质层构成：1）全土层：由黄土状粉质壤土、古土壤、淤泥、粉质粘土、淤泥质粘土、粉质壤土、淤泥质粉质粘土、砂壤土中的一种或几种组成，所占隧洞总长度的13.2% ；2）全砂层：由粉砂、细砂、中砂、粗砂、含砾砂中的一种或几种组成，所占隧洞总长度的25.6%；3）复合层：由全土层和全砂层中的任何两种或以上组成，所占隧洞总长度的15.0%；4）砂砾石层：只要含有砂砾石层就作为单独的一层，所占隧洞总长度的34.5%；5）钙质结核土层：层中只要含有钙质结构就作为单独的一层，所占隧洞总长度的11.7%；地质结构复杂多变。
盾构机的选择
1、盾构机的分类与区别
隧道掘进机（Tunnel Boring Machine简称TBM）大体分为硬岩掘进机、土压平横盾构机、泥水平衡盾构机和顶管机四类。硬岩掘进机用于地质稳定性较好的隧道工程，比如岩石层，一般用于山体隧道；顶管机一般用于距离短、直径小，地质疏松的小型直线隧道；土压平衡盾构（EPB）一般用于沙、水含量较少的地质，它是通过螺旋输送机出渣同时控制出渣量来保持压力平衡；泥水平衡盾构（slurry）用于地质变化大、条件比较恶劣的环境下，通过进、排泥浆管道出渣同时保持泥浆在气垫仓的液位保持盾构平衡，并且地面配备泥水分离设备。他们的区别主要在于出渣方式不同。本工程可使用加泥式土压平衡盾构和泥水平衡盾构。但土压平衡盾构一般只适应0.3MPa以下的水压，本工程水压高达0.45MPa，因此选用泥水平衡盾构。
2、加压式泥水平衡盾构工作原理
泥水平衡盾构是通过对泥浆压力进行调节和控制建立平衡、保证掘进的，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料。泥浆有两个作用：1）、在隧道开挖仓形成泥膜，支撑掌子面，防止隧道上方坍塌；2）、将掘进开挖出的渣土通过进、排泥浆将渣土悬浮于膨润土浆液中，通过管道泵出至配套的泥水处理设备进行分离。泥浆再通过沉淀调制，重复使用。泥水盾构适用的地质范围较大，从软弱砂质土层到砂砾层都可以使用。
泥水盾构的掘进模式采用气压模式，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾
构的泥水仓内插装一道半隔板（如图[8]），在半隔板前(即开挖舱，如图[4])充以压力泥浆，顶部掌子面压力等于埋深的压力。在半隔板后面（即气垫仓，如图[3])盾构轴心线以上部分充以压缩空气（如图[7]），形成空气缓冲层，气压作用在隔板后面与泥浆接触面上，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。当盾构掘进时，有时由于泥浆的流失，或推进速度的变化，进、排泥浆量将会失去平衡（如图[3、6、9、10]均为进浆管，[11]为排浆管），气液接触面就会出现上下波动现象。通过液位传感器，根据液位的高低变化来操纵供泥浆泵转速，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护液压的稳定。也就是说，供泥浆泵输出量随液位下降而增加，随液位上升而减小，另外在液位最高和最低处设有限位器，当液位达到最高位时，停止供泥浆泵，当液位降低到最低位时，则停止排泥浆泵。由于空气缓冲层的弹性作用，当液位波动时，对支护泥浆压力变化无明显影响。
3、基本配置要求
泥水加压平衡盾构由掘进系统、同步注浆系统、泥水输送系统、综合管理系统、泥水分离系统等五大系统组成；具有泥水压力平衡功能、泥水输送及管路延伸功能、自动控制及故障显示功能、方向控制功能、数据采集处理和分析功能、管片安装功能、同步注浆功能、泥水分离等基本功能。
三、不同地质层掘进的风险问题与操作控制
1、盾构机在砂层掘进的风险和操作控制
由于砂子颗粒的流动性和不稳定性，在砂层掘进时特点为推力小、刀盘扭矩小、掘进速度快，泥水仓液位和压力较容易控制，盾构姿态容易“掉头”；砂层掌子面不稳定，容易造成超挖，操作不当泥水仓液位会迅速的升降，导致掌子面塌方，地面沦陷。同时由于砂子的不连续性且易沉淀，出渣时砂子在管道中沉淀，废渣不易悬浮在泥浆中排出；泥水分离系统分离效果差，使得泥浆质量下降；在掘进时由于与刀具、刀盘的摩擦很容易造成刀具、刀盘磨损；泥浆管路、进、排浆泵等部件亦磨损严重。
根据穿黄盾构经验，在操作掘进时必须控制掘进速度到40-50mm/min，减小刀盘转速（一般控制在1-1.2rps)以增大扭矩，减小刀盘、刀具磨损；适当开启颚式破碎机；盾构机仰俯角保持在1.2—2.0mm/m，保证盾构不“掉头”；增大进、排浆流量，减小对泥浆管道和进、排浆泵的磨损；同时，精细控制气垫仓内泥浆液位，进而使得掌子面压力波动小，防止气垫仓和开挖舱窜通，导致地面隆起或者河面冒泡；精确控制出渣量，避免超挖多排，防止掌子面塌方，地面沦陷。另根据计算，要求膨润土泥浆进浆黏度在22s—25s之间，调高泥浆比重，保证泥浆质量。这样也有利于保护砂子与刀盘刀具、泥浆管道之间的摩擦。若刀盘、刀具磨损严重，在砂层带压换刀比较危险。一般采用冷冻掌子面等办法。
2、在土层掘进的问题和操作控制
在土层中掘进尤其有壤土、古土壤时刀盘刀具最容易形成泥饼包裹刀具，无法达到切削效果；掘进速度较慢，贯入度较小，扭矩较小，掌子面较为稳定；泥土溶解于泥浆中，地面泥浆分离设备分离效果最差。
在土層掘进时，由于刀具形成泥饼，贯入度小，掘进速度一般为20-30mm/min，刀盘转速设定为1.3-1.5rps，破碎机适当破碎与摆动结合；仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可；增大进、排浆流量，增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力，进行“大循环、大冲洗”，减小刀盘刀具上附着的泥饼；精细控制气垫仓内泥浆液位，使掌子面压力波动小，防止气垫仓和开挖舱窜通，精确控制出渣量，避免超挖多排。由于泥土易溶解于泥浆难以分离，故要求膨润土泥浆进浆黏度在18s—20s之间，降低泥浆比重，弃浆加水，保证泥浆质量。
3、在砂砾石层掘进中的问题与操作控制
在砂砾石层中掘进尤其有大石时，刮刀切削效果差，仅先行刀与滚刀切割石块，刀具磨损较为严重，石块较大时排浆泵涡轮等位置偶尔堵塞；掘进速度适中，扭矩较大，掌子面一般较为稳定，有时会有空洞；地面泥浆分离设备分离效果良好。
在砂砾石层掘进时，由于刀具配置问题，穿黄盾构机仅有6把滚刀，切削效果不好，掘进速度一般控制在20-40mm/min，刀盘转速设定为1.4-1.6rps，破碎机一直处于颚式破碎状态，偶尔摆动；仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可；增大进、排浆流量，增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力，进行“大循环、大冲洗”；精细控制气垫仓内泥浆液位，使掌子面压力波动小，防止气垫仓和开挖舱窜通，使气垫仓空气压力直接进入掌子面空洞造成地面隆起，精确控制出渣量，避免超挖多排。泥水分离效果良好，泥浆黏度控制在20s-22s。若排浆泵被堵塞，提高排浆泵功率一般可以通过，或者拆开排浆泵挡板清除。
4、在钙质结核层掘进中的问题与操作控制
钙质结核层中大多数为姜结石状或者扁于椭圆状，有很强的胶性且不易破碎，容易形成泥饼包裹刀具影响切削；盾构出渣时很容易胶结成团，堵塞出浆口、管道弯管、排浆泵、泥浆分离设备。使得进、出浆不平衡，气垫仓液位易控制，进浆管压力过高等诸多问题。掘进速度慢，贯入度较小，扭矩大小，掌子面较为稳定；地面泥浆分离设备分离效果良好。
在钙质结核层掘进时，切削、出渣、泥水循环效果不好，掘进速度一般为10-15mm/min，刀盘转速设定为1.4-1.6rps，破碎机一直处于摆动状态，偶尔使用颚式破碎模式，以防颚式使得钙质结核胶结更为严重；仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可；掘进时增大进、排浆流量，增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力，进行“大循环、大冲洗”；精细控制气垫仓内泥浆液位，使之低于气垫仓中线，避免出浆堵塞瞬间气垫仓泥浆液位迅速上升，从排气孔喷出。泥水分离效果良好，但分离设备分配阀容易堵塞。泥浆黏度控制在18s-20s。若排浆泵被堵塞，停止掘进，提高排浆泵功率，如果气垫仓液位迅速上升，泥浆循环系统马上切换到旁通模式，紧急情况时在旁通模式下关闭气垫仓排气阀；同时调整气垫仓液位和压力，等胶结的堵塞物完全循环出排浆管再行掘进。若出渣口堵塞，可以采用高压反冲洗法慢慢疏通。
5、盾构机在复合层掘进中的问题与操作控制
在复合层中有上砂下土段，有上土下砂段，也有上砂中土下砂砾，期间混杂钙质结核段，综合上述四类掘进中的问题和操作控制要领，根据实际情况应变解决。期间注意盾构姿态控制，下软上硬时盾构会上浮，仰俯角应保持较小甚至为负；下硬上软时盾构会上浮，应保持较打的仰俯角。
6、其他注意问题
在掘进还应注意每环同步注浆量一定满足计算设计，壁后注浆饱满，稳定隧道不易变形；同时盾尾油脂密封应充足，管片质量合格，拼装精细，避免涌水涌砂，如果涌水涌砂严重隧道将会被淹，出现重大事故。
四、结束语
在实际掘进中，穿黄隧道大多为复合型地质，条件复杂，掘进困难，机电故障频出。要求操作人员必须熟悉盾构性能，掌握工作原理，能够熟练、准确、迅速的做出正确操作，避免工程事故。