盾构机泥水循环系统改造分析

盾构机泥水循环系统改造分析

李筱

中铁七局集团第三工程有限公司

摘要：在碎石夹黏土层、粉质黏土层推进过程中出现严重的滞排情况。通过破碎机、格栅在气垫仓排渣的方式滞排情况非常严重，已影响盾构机正常掘进，将排渣方式切换为直排时，滞排问题能够缓解，但不能彻底解决滞排问题。同时直排法在实际施工存在缺点。

关键词：泥水盾构机；泥水循环系统改造

引言

目前，大盾构施工技术已经广泛应用于各个隧道的施工建设中。这种施工方式优点众多，不但破坏性小，还不易对周围环境造成影响，应对其施工控制要点进行科学合理的分析，使大盾构隧道工程施工更加顺利。

1泥水循环系统原理及设计参数

根据本标段盾构区间地质情况、区间长度等参数，泥水循环系统配置1台进浆泵、2台排浆泵。泥浆泵采用重型渣浆泵，充分考虑泵的耐磨等性能。进浆泵和所有中继泥浆泵均可实现本地和主控室分别单独控制。

（1）大流量泥水循环系统

①进浆泵和所有中继泥浆泵均可实现本地和主控室分别单独控制。

②主进/排浆泵电机采用水冷变频电机。

中继泵图

（2）刀盘底部搅拌棒可对泥水仓底部渣土进行搅拌，避免渣土沉积导致滞排问题。

（3）泥水仓和气垫仓底部设置多道冲刷喷口，可根据地层情况增压冲刷（降低底部滞排概率）。

①五道冲刷：泥浆门前冲刷、泥浆门后冲刷、破碎机冲刷、格栅前冲刷、格栅后冲刷。

②泥浆门前冲刷（P0.2泵增压冲刷）、泥浆门后冲刷（P0.1泵增压冲刷）。

P0.2增压泵取浆可来自排浆管路，增加主机段循环冲刷流量900m³/h，增加后的进仓流量为3000m³/h、主机排浆流量为3400m³/h，对增加冲刷效果降低泥饼概率，减小渣土滞排都有较好效果。

2泥水循环系统改造原因

（1）在碎石夹黏土层、粉质黏土层推进过程中出现严重的滞排情况。通过破碎机、格栅在气垫仓排渣的方式滞排情况非常严重，已影响盾构机正常掘进。将排渣方式切换为直排模式时，滞排问题有所缓解，但不能彻底解决问题。同时直排法在实际施工存在两方面缺点：一是频繁堵泵，平均一环一次，拆装2-4小时不等；二是直排管吸口布置位置在刀盘右下角距离土仓底部1米以上，刀盘反转掘进时能够将土仓内渣料带至吸口位置排出，但刀盘正转时基本无排渣，且在底部形成较厚的积渣。

（2）出现滞排情况后，刀盘结泥饼情况严重。盾构机刀盘冲刷系统在刀盘结泥饼后起到的效果不明显，需要频繁开仓冲洗刀盘，更换因滞排导致异常磨损的滚刀。开仓清理刀盘泥饼后掘进较短距离盾构机推进速度仍会掉速，还是因滞排问题导致的。经过分析和咨询专家发现主要问题为冲刷系统流量过小，进浆流量分配给冲刷系统；刀盘开口率小（刀盘环梁密集）影响排渣情况。

3泥水循环系统改造方法

（1）新增盾体左侧直排管

①盾体左侧增加另外一路直排管，新增直排管在泥水仓的排浆口位置尽量降低，且在排浆口前部增加限径环板。同时在P2.1排浆泵吸口前增加一台采石箱，避免大体积石块、黏土快堵泵。气垫仓排浆功能保留，在管片拼装期间进行气垫仓洗仓，防止气垫仓淤积后堵塞气垫仓连通管

②施工方案：

根据设计方案，在确保常压安全的情况下，拆除与新增管路干涉的物件，降低泥水仓和气垫仓液位；然后根据隔板开孔图，隔板支座焊接图等要求，安排专业人员作业。根据组装图，完成新增直排管的组装；在组装过程中，需要配焊泥浆管路。组装完成后，再复原原有管线。完成液动刀型闸阀的油管连接和控制线的连接，在上位机上可以完成正常操作。

③注意事项：

a.在确保安全的情况下才可以进行相关操作。

b.新增直排管占用空间大，安装难度大，在安装过程中要保护好其他元器件。

c.在焊接过程中，要保护好其他元件。

d.穿仓管焊接注意顺序，先焊接后隔板支座、预紧管道螺栓、再焊接前隔板支座，注意顺序。

e.原格栅冲刷管路干涉，拆除后重新安装新的管路。

（2）泥水仓增加2路DN200进浆管路

①为实现进浆支管流通面积总和达到进浆主管通流面积的90%以上，在泥水仓增加2路DN200进浆管路，喷口一路朝中心扭腿区域、一路朝向刀盘背部，增加刀盘冲刷的覆盖面，有效减缓刀盘结泥饼的情况。泥水仓中部位置增加两路冲刷管路，要求喷口尽量贴近刀盘牛腿且朝向中心区域；同时要求在冲刷管路焊接过程中注意保护主驱动密封；P0.1泵和0.2泵取浆全部由排浆管提供。

②施工方案：

根据设计方案，在确保常压安全的情况下，拆除与新增管路干涉的管线，根据隔板开孔图和管路组装图，完成新增管路的焊接及组装任务。组装完成后，做保压测试，测试合格后恢复原有管线。对气动刀型闸阀连接气源和控制线，调试开关动作，实现上位机控制。

③注意事项：

a.新增管路与仓内备用的液位管干涉，将备用液位管拆除；装有拉绳传感器的液位管保持不变。

b.在焊接过程中，要保护好其他元件。

c.穿仓管焊接注意顺序，先焊接后隔板支座、预紧管道螺栓、再焊接前隔板支座，注意顺序。

（3）气垫仓现有连通管割短

①粘土团的量及大小超出预期，尤其在粘土团比较大的情况下，一旦在仓内堆积的比较高，存在堵管的可能，割除联通管后，可以降低堵管的概率。

②施工方案：

根据图纸，对连通管底部多余管道进行割除。割除作业前，实地查看现场情况，在确保安全的情况下，降低气垫仓液位至合适位置后割除管管路，要确保仓内无较大杂物，浆液流动顺畅。

③注意事项：割除的废料及多余的支架需拆除，废料及支架不能存放在仓内。

（4）割除刀盘环形限径格栅三道中的两道，提高渣土流通性。

在满足刀盘强度的前提下，将刀盘最外侧和最内侧肋板割除掉（常压状态割除），割除后刀盘小开口变大开口，渣土不容易堆积不易结泥饼，导渣顺畅。

4泥水循环系统改造后效果验证

（1）参数控制

推进过程中严格控制泥浆比重，保证在软土地层推进过程中刀盘不结泥饼，稳定推进。

刀盘转速(r/min):1-1.2

贯入度（mm）5-10

同步注浆量(m³):36（根据地面监测情况及时调整）

推进前进浆比重(T/m3):不大于1.20

推进前泥浆粘度（s）:19以上

（2）改造前后推进参数对比

改造前

改造后

在高度相似地层中，同一台盾构机在改造前和改在后的推进参数有极大的差距，如刀盘总推力、刀盘扭矩、贯入度、推进速度等差异极大。改造后使用直排模式推进土仓内渣土直接抽排，未形成积渣，刀盘结泥饼等情况。

（3）推进效率等情况描述

改造后推进参数控制的情况下，推进速度、刀具磨损、刀盘结泥饼情况都有明显改观，前后推进参数变化特别明显，推进时间由改造前的7小时缩短到2-3小时完成一环的推进。从设备损耗、刀具消耗、能源消耗等多方面降低了施工成本，为项目创造经济效益、降低施工成本起到了关键作用。

结束语

大盾构隧道施工有效加强了我国对地下空间的利用，满足了新时代下城市化进程的发展需求。大盾构隧道施工中包含许多控制要点，相关人员应根据控制要点进行处理措施的分析与研究，使大盾构隧道施工顺利进行。

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