泥水盾构掘进操作控制方法分析

摘要:本文根据泥水平衡式和“D模式”两种泥水盾构掘进模式，对盾构掘进操作控制方法进行详细分析。以便在不同的地质情况下熟练地驾驭盾构施工技术。

关键字:水泥盾构；操作方法；有效控制

Abstract: Based Slurry-type and "D model" two slurry shield tunneling mode, the shield operation control method for detailed analysis. Different geological conditions in order to skillfully control the shield under construction technology.

Keywords: cement shield; operation; control

泥水盾构分为泥水平衡式和“D模式”两种掘进模式。传统的泥水平衡模式：主要是靠往开挖仓中加入加压的泥水来稳定开挖面的，在盾构刀盘后面有一个密封的隔板与开挖面形成了一个具有一定压力的泥水室，在里面充满了泥浆和开挖出来渣石的混合物，通过加压作用和压力膜的形成可以使开挖面趋于稳定，而此混合物由泥浆泵输送到洞外，经泥水处理系统分离后的泥水可重复利用。“D模式”：又称间接控制模式；其工作原理是基于传统的泥水式盾构泥水掘进模式的，其开挖仓同样是利用回转的切削刀盘和搅拌臂来混合开挖的渣土和泥浆的。采用“D模式”掘进，可由空气和泥水双重系统来控制开挖面的支护压力，比泥水掘进模式可以更好地控制岩石的稳定性和开挖仓支撑力的精度。随着盾构技术的发展，气锁室的压力可以通过PLC系统和模／数转换及数／模转换进行动态的控制，基本实现了自动化。

谈及对盾构的控制，必须了解开挖隧道岩层的地质，硬岩，普通岩，软岩和断层中的夹层岩。对盾构的操作主要是对下面几项的控制：

1 排浆泵的参数选择及掌子面压力压力的控制

在操作过程中进、排浆泵的参数选择和掌子面压力的相互协调是泥水盾构的最大难点，也是保证盾构在不同地质条件下平稳盾构姿态的根本保证。各进、排浆泵的主要参数是进、排浆量、进、出口压力及泵的驱动电机的额定电流和额定电压。进浆量一般在320～370m3／h为最佳，排浆量选择在370～400m3／h但它们要受排浆泵的进、出口压力和电机的额定电流、额定电压的限制，要在额定范围内选择。对于进浆泵，因其竖直落差的原因，其电流、电压值很小，进出口压力值不足1bar，完全可以满足要求。对于排浆泵，根据不同的隧道布置位置设定不同的电压电流额定值。随泵位置的变化泵的参数也要随之相应调整，但始终要保证泥浆的平稳过渡，避免吸空和积压。在循环操作中，要先根据地质情况和盾构水压来选择开挖仓的泥水压力，避免超挖和强推。一般地，在硬岩层或一般岩层中掘进，泥水压力选择在0．5bar以下；在软岩层中掘进，泥水压力选择在0．5～0．8之间；在断层中掘进，泥水压力选择在0．8～1bar之间甚至更高。

2 掘进速度的有效控制

在硬岩下操作，要根据显示的刀盘压力来选择合适的推进压力和刀盘转速，值得注意的是刀盘压力不能超过刀盘的承载能力；在普通岩下操作，要根据自动导向系统显示的位置偏差来控制盾构姿态，可选择较大的推进力和较高刀盘转速来提高速度，前提是刀盘压力在额定值内和排渣能排的赢；在软岩下操作，要根据刀盘压力和排渣能力来选择推进压力，要特别注意盾构姿态和防止刀盘卡死，所以选用低转速转动刀盘，可避免盾构大位移的整体滑动和移位；在断层中操作，要适当减小速度，不断改变刀盘的转速来适应地层的变化，尽可能的让盾构姿态趋于稳定，要注意刀盘压力的突变。刀盘的驱动马达不能超负载表现在刀盘上是其扭矩不能超出额定值，若超额就会出现刀盘卡死现象而损坏刀具乃至刀盘。反映在参数上为刀盘压力，其最大值不能超过其最大工作压力240bar，一般选择160公斤以下为宜，在80～120bar之间为最佳。在掘进参数中，刀盘压力是最主要的参数，推进压力和刀盘转速要根据刀盘压力的变化而做相应调整从而达到最理想的掘进速度。总之，地质参数和掘进参数之间没有直接的联系，但操作手必须根据不同的地质选择不同的掘进参数来达到动态平衡，而此动态平衡能有效地控制盾构的掘进及其姿态。

3掘进方向的有效控制

盾构掘进方向的控制是掘进操作的难点，掘进方向的控制主要是通过对导向油缸行程的调整来实现的。此外，调整推力油缸的推力也可以实现盾构的上升和下降，而盾尾铰接油缸的行程又可以表明盾构主机的走向趋势。固此，掘进方向的控制也就是对导向油缸行程及压力、推力油缸的压力差(在操作面板上，推力油缸被分为两组．E面的六根为一组．下面的A根为一组，其两组的压力在主显示界面上足被测量并显示的)和盾尾铰接油缸的行程的控制。

导向油缸的分布、对应的操作按钮和行程及压力的显示如图1所示。导向油缸共有八个，分为四组。四组油缸的行程和压力都在主显示而板上反映T出米。对于本盾构，导向油缸的行程应该控制在40～60ram之问(即四组油缸的行程和在200mm左右为最佳，)，压力应该控制在l60bar以下，各组油缸之闻的行程羞应该小人于I0mm，造见为了避免油缸径向受力太大以毛于不方便调向甚至油缸受损。同Il盾尾铰接油缸的行榉应控制在20～30mm之问。前俩讲到：不问的地质情况，捌进的操作方浊不同．所“在不同的岩层中掘进．盾构的方向控制也不尽相同。

图1导向油缸的分布和显示图

3.1 常规地质条件

正常操作时．四组导向油缸的行程都在中间位置。特别指出，下面所提到的行程量都是根姑自动导向系统的参数显示而定的，一般州向趋势不直超过10mm．对城的导向油缸的一次惆枢量不宵超过2mm．若值太大，调向油缸和盾尾铰接油缸径向受力增大，盾尾密封刷易变形甚至被破坏，从而先去密封作用。

3.2 坚硬地质条件

在坚硬地质条件下，调整盾构主机的方向时只需单一的调整，比如：只要导向油缸I组和2组伸出所需的行程量，盾构就会向左运动；只要导向油缸1组伸出所需的行程量，盾构就会向左下方运动。此外，就是在硬质的岩层中掘进，需要更多的工作时间，需要更大的导向力，还需要借助推力油缸的推进力调向。

3.3 穿越断层

在断层中掘进，由于断层的岩层不稳，盾构的姿态极容易改变，所以尽量避免盾构主机方向的大幅度调整。只有在保证盾构的姿态比较稳定的同时可以略微调整，即只能做单一的运动，避免组合运动。

4 同步注浆量及压力的有效控制

在掘进过程中，控制好同步注浆量及注浆压力，及时填充掘进留下的空隙，保证管片的稳定性，提高隧道的防水性能，是控制地面沉降的必要手段。盾构机同步注浆系统有6根注浆管，圆周方向分布在盾构机尾盾上，注浆量根据开挖直径、管片外径计算出理论注入量。实际则需根据地层特点、盾构姿态等来控制，基本原则是注入量不小于理论注入量，确保顶部两根管路的注入量。注浆压力通常大于同等水平位置开挖舱泥水压力0.02 ～0．03 MPa ，压力低则注入量不够，过高会损坏盾尾密封刷或通过地层空隙进入开挖仓。因砂浆凝固会导致注浆管路堵塞，因此每掘进1环，在掘进的最后20 cm 就停止注浆。在盾构机完成掘进拼装管片时，每隔45～75 min 注一次，每次每根管注入0.01～ 0.02 m3。盾构掘进时也应留意注浆量，如遇到松散砂卵石地层或有地下空洞等导致注入量增加时应放慢掘进速度以保证填充密实。因盾构自重，砂浆会向下流，一般盾构上部注浆量要占到总注入量的一半以上，只有保证顶部注入量，才能最大限度地减少地表沉降。

5 结语

综上所述，不同隧道的地质状况决定选用不同的掘进模式，不同的掘进模式决定用不同的操作方法，但万变不离其中，只要通晓盾构的基本工作原理和各部件的基本性能，认真负责的操作，就可以达到人、机统一，就可以在不同的地质情况下完全熟练地驾驭盾构。

参考文献：

[1] 越江隧道工程大型泥水盾构进出洞施工关键技术.杨太华.现代隧道技术.2005

[2] 复杂条件下的大直径泥水盾构掘进参数控制.王百泉; 任勇.中国工程科学.2010

作者简历：

叶剑明（1972― ），男，本科，助理工程师，研究方向：市政工程