泥水盾构操作及常见问题处理方法

中铁隧道集团二处有限公司二〇一五年十月·郑州二、泥水盾构的结构原理五、泥水盾构操作技术三、泥水盾构各系统的组成一、泥水盾构简介六、泥水盾构常见问题处理方法四、泥水盾构地质适应范围泥水加压平衡盾构（slurrypressurebalanceshield），简称SPB盾构或泥水盾构。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的泥膜，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，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。泥水盾构根据泥水舱构造形式和对泥浆压力的控制方式的不同，泥水盾构可分为:直接控制型和间接控制型泥水直接控制直接控制型泥水盾构工作原理为：送泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆输入盾构泥水舱，与开挖泥土进行混合，形成稠泥浆，然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向调浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新输入盾构循环使用。泥水间接控制地层刀盘进泥管排泥管泥浆压缩空气连通管压缩空气泥模形成区间接控制型泥水盾构的控制原理为：其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水舱内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上，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。间接控制型泥水盾构（+/-0.05bar）与直接控制型泥水盾构(+/-1.0bar)相比，因间接控制型泥水盾构采用气压控制泥浆压力，气压具有缓冲作用，所以泥水压力的波动小,对开挖面土层支护更为稳定，对地表变形控制也更为有利。本文主要讨论间接控制型泥水盾构的操作及常见问题处理方法。两种控制体系的比较刀盘刀盘结构：六主梁+六副梁；开口率：40%刀盘的开口位置分散均布，使盘面没有大面积的面板；扭矩传递：刀盘依靠四牛腿及两道环形圈梁传递扭矩；刀盘开口形状设计利于碴土径向流动。刀盘正面图2.1刀盘主体结构：碴土流动方向根据已经成功的案例，除了在隔板上设计有中心冲刷装置外，在外环隔板上也配有冲刷装置，保证刀盘背部所有开口都有喷口能够覆盖到。冲刷装置为由扬程70m高压冲刷泵提供高压泥浆（泵出口压力可调）。泥岩地段连续使用，在其他地段间断使用。根据已有施工以验，只要进浆压力大于泥水仓压力3bar，即可将冲洗浆液送到刀盘背部，防泥饼效果较好。冲刷覆盖所有滚刀轨迹防泥饼措施—刀盘全断面冲刷系统采用液压驱动，2.6m进口轴承（德国RotheErde），驱动功率630kW，额定扭矩4500KNm，脱困扭矩5500KNm。扭矩系数18，扭矩储备较大。既可以在全断面风化岩地层提供高转速（最高4.5rpm），也可以在砂砾地层提供较大扭矩。630kW扭矩曲线主驱动总成2.2主驱动2.3铰接装置和密封中盾和尾质铰接处采用两道双唇密封，密封性能可靠由于盾构直径小长度长，则必然灵敏度差，所以必须设置铰接油缸，以提高盾构动作的灵敏度，满足本工程的最小曲线半径的掘进要求。主动铰接力1200T泥水盾构盾尾设置4道密封刷，提高了盾尾密封性能。2.4盾尾密封气垫仓下部通道易为输送盲区，在破碎机及闸门位置容易堆积渣,在破碎机左右两侧增加冲刷管路。2.5气垫仓底部冲刷装置管片拼装机具有6个自由度，回转速度0~2rpm，并可实现微调。所有动作可遥控，便于与拼装机配合操作。轴向油缸行程2000mm，可实现洞内更换两排尾刷。管片拼装机各动作采用比例阀控制，对于管片拼装的控制精度高，速度快，且拼装管片质量好。2.6管片拼装机2.7推进油缸与管片适应情况推进油缸采用20组单、双缸规则布置，满足管片10个点位拼装要求，总推力达到3991T。吊机布置形式为双梁式，行走形式为链轮链条式，能够满足运行坡度50‰以及更大坡度的需求。起吊葫芦有快速和慢速两个选择档位，用于空载和重载两种工况；行走部分包括运行小车和驱动部分，运行速度约10m/min。2.8管片吊机2.9液压泵站液压站采用力士乐远程动态恒压变量泵，位于二号拖车上，控制阀采用电液换向阀进行方向的切换，每组控制阀组配有电比例流量、压力阀，可以对推进方向进行精确调整。破碎机设计独立的液压泵站。2.10盾尾油脂系统盾尾密封采用4道尾刷，形成三个空腔，配置有18路油脂管路，每腔6个注入点,且注入系统主管路为DN50，分管管径为DN25,管路不易堵塞。系统由主司机在主控制室操作，有自动（行程控制模式）和手动两种模式。2.11电控系统在重要系统（如推进系统等）设置安全继电器保护回路，采用紧急按钮、安全继电器双接点保护、复位按钮等一系列装置，实现对重要系统的保护。人行闸配有在压缩空气下操作所必需的电路和标准装置，包括：压缩空气阀连通气闸室、调节器、压力计、时钟、电话、温度计、绝缘凳、照明（包括紧急照明）、记录仪表、加热器等。人行闸及承压隔板上有1个直径为600mm圆形闸门以进入开挖室。2.12人行闸1）油脂集中润滑的目的是为刀盘驱动密封和中心回转接头装置提供润滑脂。2）稀油集中润滑系统稀油集中润滑的目的是为刀盘驱动大轴承和小齿轮供给润滑油。由1台稀油润滑泵将润滑油从齿轮箱通过分布网络输送到润滑点处。2.13集中润滑系统2个双活塞注浆泵共有4个独立压力出口，安装在后配套右侧，每个压力出口直接接在注浆管上并由压力传感器监视。注浆泵的注浆量可以根据所需来设定。这是由带有流量计的液压泵来实现的。注浆泵的砂浆通过由工地提供的砂浆车来供给。注浆系统图2.14同步注浆系统22SEPARATIONDRYINGPREPARATIONBENTONITICMUDTANKPUMPP1PUMPP3PUMPP2BACKUP进浆泵破碎机排浆泵泥浆管延伸机构泥水处理系统2.15泥浆循环系统泥水循环系统界面泥水循环系统循环模式简介旁通模式掘进模式换管模式保压模式维修保压模式停机保压模式旁路模式所有模式的基础，转到其他模式均需通过旁通模式旁通模式时，用于盾构不进行开挖时执行其它功能。这个模式也用于当盾构从一种功能切换到另一种功能时。特别是，旁通主功能是用于安装管片的情况。掘进模式开挖时使用此模式。根据气垫室里泥浆的液位以及所要求的排渣流量，对P1.1和P2.1的转速分别进行调整。调整P1.1泵的转速用以校正泥浆\气垫界面液位达到所要求的值。1.维修保压模式（泥浆门处于关闭状态）、2.停机保压模式保压模式：逆冲洗模式冲洗前需要降低气垫仓液位，可能重复多次冲洗换管模式泥浆泵选型及管路设计排泥泵、进泥泵拟采用德国WARMANSlurryPump，盾体排浆口管路需考虑耐磨，泵出口弯头位置、弯头半径需重点考虑减少弯头、加大半径、加大抗磨性等。拉线式液位传感器气垫仓、泥水仓连通管路超声波传感器泥水循环系统-元器件3.1泥水系统的作用（1）及时向开挖面密闭舱提供掘进施工需求的泥浆，用优质膨润土配制的泥浆的比重、粘度等技术指标必须满足在高透水砂层中形成泥膜和稳定开挖面的要求；（2）及时把切削土砂形成的混合泥浆输送到地面进行分离和处理，再将回收的泥浆调整利用。（3）泥水系统与盾构机的选型、掘进速度、地质条件等紧密联系在一起的，不同的地质工况条件取决了不同的泥水系统模式。3.1.1支护泥水的作用支护泥水在泥水盾构掘进中起着重要作用：(1)在开挖面土体表面形成泥膜，泥膜厚度随渗透时间增加而增加，从而有效提高渗透抵抗力。(2)支承、稳定正面开挖面土体。(3)盾构借助泥水压力与正面土压产生泥水平衡效果，有效支承正面土体。(4)对刀盘和刀头等切削设备有冷却和润滑作用。3.1.2泥水配比设计主要由膨润土、CMS、纯碱和水组成，膨润土的作用提高泥水粘度、比重、悬浮性、触变性CMS（缩甲基淀粉）的作用降低失水率、增加粘度纯碱（碳酸钠）调节PH值、分散泥水颗粒3.1.3泥水的技术指标（1）泥水比重为保证开挖面的稳定，须将开挖面的变形，要控制在最低限度以内，所以泥水盾构施工的泥水比重控制尤为重要。比重高的泥水会使送泥泵处于超负荷状态，将招致泥水处理上的困难，同时容易引起刀盘结泥饼、堵舱等现象；而比重低的泥水虽具有减低泵的负荷等优点，但却产生了逸泥量的增加、推迟泥膜的形成，容易引起地面沉降、坍塌等现象。一般的泥水比重γd在1.05~1.3范围内较适宜。（2）泥水的粘度可通过将泥水从漏斗形容器流出的时间来判定泥水的粘性，表示出外观的粘性(在清水中500cc漏斗形粘性是19秒)。通常是采用25~40秒/500cc左右值的泥水。3.1.4泥膜形成机理类型1：几乎不让泥水渗透过，仅形成泥膜。类型2：地层土的间隙较大，仅让泥水渗透过去，没有形成泥膜。类型3：是上述两种类型的中间状态，边让泥水渗透过，边形成泥膜。3.1.5控制泥水成本途径新浆控制膨润土掺入比控制CMS掺入比控制纯碱掺入比调整浆新浆+回收浆新浆+回收浆+CMS（缩甲基淀粉）回收浆+CMS回收浆+膨润土+碱3．2泥水系统的组成泥水盾构的泥水系统由四大部分组成⑴造浆系统⑵输送系统⑶处理系统⑷泥水监控系统3.2.1造浆系统包括泥水拌制系统和浆液调整系统(1)盾构在掘进过程中，需要进行新旧泥浆交替补充到盾构开挖面，形成一定厚度的泥膜便于刀盘切削。(2)当旧浆液浆量不足，需要及时补充新鲜浆液，造浆系统根据浆液的粘度、比重等技术指标进行调整。以便及时向盾构泥水舱补充浆液，使开挖面快速形成泥膜，便于开挖面稳定和盾构顺利掘进。(3)拌制泥浆的主要材料是膨润土、CMS等1、泥水拌制系统（1）泥水拌制系统由新浆槽、新浆泵、新浆搅拌器、新浆贮备槽、CMS搅拌槽、CMS搅拌器、CMS泵、分配阀和加水设备组成。（2）CMS搅拌槽贮存化学浆糊、新浆槽贮存膨润土等材料，将搅拌后的CMS化学浆糊送入新浆槽进行混合搅拌制成新鲜浆液。2、浆液调整系统浆液调整系统由调整槽、剩余槽、调整槽搅拌器、剩余槽搅拌器、调整泵、剩余泵、密度泵、进浆泵和加水设备等组成，调整槽对新旧浆液进行调整、剩余槽贮存新旧浆液，分别由搅拌器进行搅拌，由密度泵进行密度检测，而后由进浆泵将调整好的浆液送往盾构泥水舱。3.2.2泥水输送系统(1)泥水输送系统将调整浆通过进浆泵与进浆管道输送至盾构泥水舱(2)刀盘切削下来的土砂和泥水舱中的泥水合成的泥浆，通过排浆与排浆管道送往地面的泥水处理系统进行分离。(3)泥水输送系统主要由进排浆泵、阀、进排浆管道及配套部件等组成，通过泥水监控系统进行自动化操作。HMT6,65FDPPPPPPPPPPVersusinedetraitementdeboueToslurrytreatmentplantDepuisl'usinedeproductiondeboueFromthebentoniteplantLFMP.3MMPFDPPMPPMP.2.iP.1.1P.2.1P.1.iV01V03V02V04V05V06V07V09V11V12V08V10V13V17V15V16V14V20V19V18V21V24V23V223.2.3泥水分离系统泥水处理分系统的作用是将刀盘切削土砂形成的泥水进行颗粒分离。选择泥水处理设备时，必须考虑两个方面：①必须能有效地分离所排泥浆中的泥土和水分；②必须具有与推进速度相适应的处理能力。采用振动筛作为首道初级分离，振动筛的作用是对泥水作预处理，去除团状和块状等粗大颗粒。粗颗粒的分离一般采用双层或三层振动筛。根据计算所得：进浆流量约858m3/h，排浆流量约970m3/h。选择泥水处理系统时必须考虑：①必须能有效地分离排泥浆中的泥土和水分；②必须具有与推进速度相适应的处理能力。泥水分离设备总成自主研发钢制筛网图VS-2139粗筛粗筛：筛面面积35.28㎡，盾构排浆比重在1.2～1.3时，最大通过量2200m³/h,平均通过量2000m³/h,因此得出：粗筛完全可以满足两台盾构总的1940m³/h的最大排浆量。经粗筛分离后把2～4mm以上的颗粒分离出去堆放在渣场，其含水率小于25%，可