盾构机加水系统改造探讨

摘要：为了解决成都复合地层采用土压平衡盾构机掘进刀盘容易结泥饼的问题，通过对原有泡沫系统和膨润土系统的改造，新增一套加水系统并入原有的管路，解决了推进过程中加水不足的问题，目前该系统广泛运用于盾构施工。

关键词：土压平衡盾构机；泡沫系统；膨润土系统；加水系统；盾构施工；系统改造 文献标识码：A

中图分类号：U455 文章编号：1009-2374（2017）05-0026-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.05.012

随着我国越来越多的城市进行地铁、隧道、综合管廊施工，盾构机的使用也越来越广泛，其中土压平衡盾构机使用较多。为了适应复合地层的推进，盾构机都配备了渣良系统，主要是泡沫系统和膨润土系统，泡沫剂和膨润土作为土壤改良介质，在盾构机掘进过程与土体混合在一起，提高了流动性和塑性以及防水渗透性，可以降低刀盘扭矩，减少刀具磨损，防止土仓泥土黏附压实。

目前海瑞克土压平衡盾构机标配的泡沫系统由测量控制系统、6个泡沫发生器、1个1.5kW水泵（流量为133L/min）、1个0.37kW泡沫泵（流量为5L/min）、刀盘上的8个注入点、土仓面板上的4个注入点、螺旋机上的8个注入点等组成；膨润土系统由1个5.5kW电机（流量为166L/min）、连接桥上并入泡沫系统的6条管路组成，该泡沫系统可通过混合水、空气和发泡剂，并设定发泡率FER和注入率FIR，自动在推进过程中向土仓加入泡沫剂。原液配比一般选用2%～5%之间，发泡倍率FER一般选择在8～20之间，泡沫注入率FIR一般选择20%～70%之间，但是由于泡沫系统应用范围有限，特殊地层容易发生结泥饼和喷涌现象。

1 问题现状

笔者所在某项目部为成都一号线某项目部，隧道地层为中风化泥岩、砂岩复合地层地层，据地质报告显示：中等风化泥岩（⑤13）：紫红色，岩质较软，含少量砂质，风化裂隙较发育，裂隙面充填灰绿色黏土矿物，锤击声半哑～较脆。岩芯多呈短柱状，少量长柱状或碎块状，饱和抗压强度值Rc=2.0～4.4MPa，中等风化砂岩（⑤23）：紫红色，砂质结构，岩质较软，节理裂隙发育，裂隙面充填灰绿色黏土矿物，锤击声半哑～较脆。岩芯多呈短柱状，少量长柱状或碎块状，饱和抗压强度值Rc=5.87～8.92MPa，两者均属于软岩，弱透水层，富水性差，黏性强，根据成都地区经验，其渗透系数k综合取值为0.50m/d。项目部采用海瑞克土压平衡盾构机进行掘进，盾构机自始发掘进至44环，通过不断调整土仓压力（实际1.2Bar）、泡沫参数（实际FER=12，FIR=200）和刀盘转速（实际1.5rpm/min），盾构机掘进平均推力仍然达到16000kN以上；掘进平均扭矩3.2kN・m以上；推进平均速度只有20mm左右，盾构机掘进效率极低。

项目部在23环及44环分别进行了开仓检查，渣样检查为泥岩，渣样含水率较小，虽然已经选择了发泡倍率较小的普通气泡（FER=12）和较大的泡沫注入率（FIR=200%），但是刀盘面板仍然结泥饼严重，泡沫系统面板显示各路流量实际只有20～30L/mim，其中中心部位完全固结，泡沫2号喷头已经堵死，渣良效果差是导致各掘进参数不正常的主要原因。

根据海瑞克盾构机渣良系统相关技术资料显示，该盾构机泡沫系统共6路，每路由单独1套1.5kW螺杆泵控制，刀盘面板有8个泡沫喷口，说明其中有两路泡沫采用一拖二形式，即一条管路对应2个泡沫喷头，每个泡沫发生器向外供应的泡沫的压力是一个定值，由于其中两条管路设有同直径的分支管路，则这两条管路的压力将比其他4条管路压力小，在这种黏性高的地层中掘进时，其中1个喷头很容易被堵塞，所有流量全部集中到另一个喷头，该堵塞喷头更加没有泡沫压力冲掉堵塞物，如此循环下去最终整条管路将全部堵死。

土仓承压墙有预留管路接口6个，但刀盘无中心加水管路。该地层掘进中渣良中对加水有较高要求，该盾构机原有的泡沫系统和膨润土系统已经无法满足加水的要求，为增加注水控制，提高渣良效果，实现加水恒压恒流量调节控制，因此对加水系统进行改造。

2 改造措施

为加大水量注入，拟定增设3套管路，由于在盾构机上增加设备，需要满足以下三个方面要求：（1）经济实用，元器件通用性好，互换性强，消耗配件易购买；（2）结构简单、耐高温耐潮湿工作可靠、安b方便；（3）提高压力，减少堵管几率，保证加水量的稳定，预期系统流量：0～300L/min（稳定范围90～300L/min），系统压力0～10Bar；选用普通三相异步电机电机功率：15kW/h，电机绝缘等级为F级，最高允许温度为155℃，参考工作温度为120℃。限定电机可调频率范围为15～50Hz，调速范围为879～2930转（因风扇为非独立风扇，与电机转速同步，不能长时间低速运行，实际使用转速采用较高转速），配套水泵为增压泵15kW，配套变频器18.5kW，要求调节旋钮电位计实现供水流量的可调节，供水流量的实时显示，此外在可能情况下还需要实现累计供水量和单次供水量的显示。

2.1 泵出口流量控制

通过三台18.5kW变频器实现对三台15kW增压泵电机进行控制，变频器通过检测输入端的旋钮的位置，从而对变频器的输出频率进行改变，这样做到对电机进行无极调速，进而得到不同的流量，每一个泵管路的出口加装流量计及压力传感器，这样可以对每路的流量及压力进行实时检测并进行统计，该数值直接传递到显示

屏上。

2.2 对刀盘及旋转节的改造

刀盘原有泡沫管路8路保留5路，1路改为膨润土辅助注入，另外2路接入加水系统管路，在旋转节中心钻孔，增加1路接入加水系统管路，承压墙上增加2路膨润土辅助注入。

2.3 系统的操作

变频器调节旋钮、压力传感器显示屏、流量计显示频做在一个面板上，放置于控制室内，通过PLC总线控制，这样可以远程操作和检测每路的压力及流量，根据需要对每路的输出流量进行控制。

2.4 盾构机加水系统改造内容

触摸显示器1件，变频器3套，电机及泵3套，压力变送器3套，流量计3套，流量计二次表3套，线缆及安装柜1套，PLC控制器1套，其他（如法兰等）1套，软件编程及现场施工1套。

3 改造效果

通过对加水系统进行改造，推进时的加水量得到增加和控制，平均每环（推进45分钟）增加注水15000～18000L，折合每根管路120L/min，出渣口排出的渣样显示渣样中含水量增加，渣良效果较好，该盾构机推进基本正常：土仓压力降到0.8Bar，盾构机掘进平均推力降到10000kN左右；掘进扭矩3.2kN・m左右；推进速度40mm左右，盾构机掘进效率大大提高。

4 结语

通过加水系统的改造，在后来的掘进中刀盘再也没有结泥饼，出渣效果较好，掘进效率也得到了提高，该系统目前已经广泛加装在笔者项目部盾构机上，其中新造盾构机也要求厂家在出厂时进行加装。

参考文献

[1] 张成.EPB盾构泡沫系统缺陷与改进[J].铁道建筑技术，2009，（1）.

[2] 张宇，王大江，王小军，张志勇.土压平衡式盾构泡沫控制系统的研究与设计[J].工程机械，2014，（11）.

作者简介：杨磊（1983-），四川人，中铁二局工程有限公司城通分公司机械工程师，研究方向：地铁盾构设备管理。