泥水平衡盾构掘进

泥水平衡盾构掘进

泥水平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，与刀盘之间形成泥水仓，开挖面的稳定是将泥浆送入泥水仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水泥膜，通过该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理器进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面，渣土被沉淀分离后直接装车运输到指定的弃土场。

泥水处理器主要包括泥水分离主体设备、分离机、弃渣场、沉淀池、调浆池、清水池、回浆池、泵坑、中转池及废浆池等。

泥水输送系统由送排浆泵、送排浆管等组成。

1、泥水建仓控制

1.1合理计算水土压力。

负环管片拼装完成后，盾构机推进至刀盘接触地连墙，此时洞门密封帘布搭接在前盾上，可以进行泥水建仓。

在开挖仓内注入泥浆使水位慢慢上升，通过预埋在钢环上的注浆管观测水位，当一个高度上的注浆管有泥浆外溢时则封闭此注浆管。

1.2建仓步骤

将泥浆场准备好的浆液注入开挖面中，保持开挖仓泥浆液面稳定在中线以上 1.5m。

对气压仓进行缓慢加压，每次加压不高于 0.1bar，将洞门密封环上的注浆孔打开排掉空气，同时盾构机内注意查看前后仓内的液位显示。当最上方的注浆孔开始喷出泥浆时，将该注浆孔的阀门关闭。这时，检查气泡仓内液位，若液位在中心-0.5～+0.5m 之间，不需调整，若在此范围之外，启动泥浆循环系统，微调液位至该范围，此时切口压力显示为 0。

提升气泡仓内气压至切口压力为 1bar，并保持 1bar 压力 15min。观察有无泄漏等异常，若有，采取堵漏措施；若无，缓慢降低气压，直至将切口压力缓慢调成 0bar。

进行以上三步时，观察洞门密封情况，及时堵漏。如发生小规模渗漏可采用棉布、棉纱、沙袋、聚氨酯、盾尾密封油脂等材料进行正面封堵，并适当增加泥浆和高分子堵漏浆液的粘度。如发生较大渗漏则应立即停止加注泥浆，查明原因并处理完毕后方可继续注入泥浆。

建仓前，提前在橡胶帘布间注入堵漏材料，泥水建仓过程中根据橡胶帘布漏水情况在渗漏点附近通过在密封环上的油脂注入孔（在第一道帘布与第二道帘布密封之间）加注添加堵漏剂的泥浆封堵帘布橡胶与盾体之间的空隙。

堵漏剂可采用活塞式注浆泵进行注入。

3、泥水系统控制

泥水综合管理系统安装在主控室内的计算机中，由 PLC 采集来的各种掘进数据通过主控计算机进行分析，再根据综合管理软件的原始设定自动调整盾构泥水系统的工作状态。在特定情况下也可改为手动控制。

加压和循环系统（送排浆输送设备）中央管理

控制内容

①送排浆泵的启动、停止。

②送排浆泵的流量、流速。

③旁通管路运转时进浆管内的水压。

3.1盾构机掘进时进浆水压控制

管内沉淀临界流速的维持是采取用电磁流量计测定实际流量，将它和预先计算的沉淀临界流量进行比较，从而改变泵的转速进行校正。此外对于最关键的开挖面泥水压力的控制，进排浆主泵采用变速泵，随着掘进、排浆及其它变化，通过改变其转速来控制其流量，进而控制泥水压力，达到开挖面稳定。

泥水加压式盾构法中，加在开挖面上的力，即用泥水使开挖面保持稳定的力，通常与作用在开挖面上的土压保持平衡。土压与开挖面上含水土体的垂直作用的重力和土的内摩擦角大小有关。泥水压力的设定一般要根据渗透系数、开挖面松弛状况、渗水量等进行设定。但压力过大会增大盾构推力，也会使开挖面的渗透加强。相反会带来塌方，产生对设备的影响和造成泥水窜入后方等危害。所以具体的压力取值必须根据实际情况具体分析选取。

为了保持开挖面泥水压力的准确性，系统所控制的阀组全部采用自动控制，由转换程序装置控制进行自动管理。即使在停机状态也可根据开挖面泥水压力仪反馈的数据自动控制阀和泵的自动运转联合装置，以稳定掌子面的水土压力。

3.2泥水处理系统管理

泥水处理系统就是确保输送给掌子面的泥水质量。泥水处理系统的管理就是对泥水分离处理设备的启动、停止、运转状况、泥水量、化学剂量等进行量测和监视。根据盾构机掘进状态中所采集的数据自动地对泥水处理系统进行监视和调整。可根据处理设备的运转状况和能力，改变运转速度、稀释或浓缩泥水，以适应开挖面的状态，并且在最适当的状况下进行掘进管理。

3.3掘削排土量检查

掘削出来的渣土是通过管路被排出的，由仪器测定进浆水和排浆水的密度差，通过计算求出实际的排渣量。把它和原设计根据地勘资料计算的量进行对比判断，了解异常情况，从而判断开挖面的稳定、塌方、超挖以及土质变化等情况。

3.4泥水性能管理

泥水性能应满足：浓度适当、能平衡掌子面的压力，粘度适当、塑变值和凝胶强度低，能形成薄而牢固（或渗透壁）的泥水膜，逸水量少，具有抑制土体塌方和泥水劣化的优越性能。

4、泥水主要参数管理

根据不同的土体，泥水管理的要求和方法也不同。根据需要调节比重、粘度、塑弯值、胶凝强度、泥壁形成性、润滑性，使其成为一种可塑流体，泥水平衡盾构使用泥水的目的也就是用泥水来谋求开挖面稳定，在防止塌方的同时，将切削下来的渣土形成泥水并被输送到地面。

4.1比重

泥水比重的范围为 10.5～13.0kN/m3。下限为 10.5kN/m3，上限根据施工的特殊要求而定，在保护地面建筑物、盾构穿越海底等时，可达 13.0kN/m3，具体参数根据现场实际情况而定。

4.2粘度

泥水的粘度是另一个主要控制指标。从土颗粒的悬浮性而言，要求泥水的粘度越高越好，考虑到泥水处理系统的自造浆能力，随着推进环数增加，泥浆越来越浓，比重也呈直线上升，而比重的增加并非说明泥浆的质量越来越高，若在砂性土中施工，粘度甚至会下降，因此，泥水粘度的范围应保持在 20～30s。

考虑到粘度的调整有一个过程，故在泥浆粘度为 22s 时（调整槽粘度），即可逐渐增加 CMC，添加量的多少视粘度下降的趋势而定。

4.3含砂量

泥水处理的目的是保留全部粘土颗粒，去除 30μm 以上的砂颗粒，并且 30μm以下的砂粒也必须控制在一定的范围内，工作泥浆中的含砂量同样是一个重要指标。

4.4析水量和 PH 值

析水量和 PH 值是泥水管理中的一项综合指标，它们在更大程度上与泥水的粘度有关，悬浮性好的泥浆就意味着析水量小，反之就大。

泥水的析水量应小于 5%，PH 值应呈碱性，降低含砂量、提高泥浆的粘度、在调整槽中添加石碱，是保证析水量合格的主要手段。

在砂性、粉砂性土中掘进时，由于工作泥浆不断地被劣化，就需要不断地调整泥水的各项参数，添加粘土、膨润土、CMC；在粘土、淤泥质粘土中掘进时，由于粘性颗粒不断增加，使排放的泥浆浓度越来越高，添加清水进行稀释则成为主要手段。

5、施工控制

施工前，必须根据隧道地质状况、埋深、地表环境、盾构姿态、施工监测结果制定当班盾构掘进施工指令与泥浆性能参数设置指令，并准备好壁后注浆工作、管片拼管工作。

施工中必须严格按照盾构设备操作规程、安全操作规程以及当班的掘进指令控制盾构掘进参数与盾构姿态。

施工中必须设专人对泥水性能进行监控，根据泥浆性能参数设置指令进行泥水参数管理。

应严格进行开挖面泥浆压力和开挖土量的管理，确保开挖面的稳定。

根据开挖面土质及水土压力，适当设定泥浆压力，按掘进施工状况，对泥浆压力进行调整和控制。

掘进时，使排土和开挖土量相平衡，保持开挖面稳定和开挖顺利进行。

可使用设置在隔板上的压力计确定压力仓内的泥水压力，以掌握开挖面的稳定状态。

在掘进过程中应确保泥膜厚度满足要求，确保泥膜的完整性。

施工过程中出现大粒径石块时，必须采用破碎机破碎、砾石分离装置分离。

泥水仓门附近若出现较多石块或大量泥沙拥堵现象，应采取反冲洗操作，并采取措施保证开挖面稳定性和维持泥水仓压力稳定。

施工过程中，严禁出现盾构姿态突变，用测量数据及时修正盾构状态，避免出现“蛇行”现象。

泥水管路延伸、更换，应在泥水管路完全卸压后进行。

应严格按经过批准的始发、接收方案实施。