气垫式泥水盾构的改进

1 泥水盾构的使用情况和现存问题分析

泥水盾构自1964年开始被用在不同项目上，在设备本身和施工工艺上不断改进，基本上形成了间接控制（欧洲模式）和直接控制（日本模式）两大类比较典型的泥水盾构。两种典型的泥水盾构区别主要如下：

（1）直接型泥水盾构没有气垫舱，而间接型泥水盾构设有泥水舱和气垫舱。

（2）在开挖量相同的情况下，间接型泥水盾构较直接控制性泥水管路和泥水量较大。

（3）间接型泥水盾构在地质探测不明或地质变化较大的地层适应性更强。

（4）间接型泥水盾构由于设有气垫舱，压力控制较日本型泥水盾构好。

泥水盾构现在多被用在沉降比较高或地下水位渗透系数大的场合。对于沉降要求比较高或要求接近零沉降的工程，目前的泥水盾构就不能很好地适应。另外，如需要适应更为多变的地质，需要对其组成进行优化或改进。

2 高精度压力控制系统

2.1 直接型泥水平衡模式

直接型的泥水盾构没有气垫舱，称为直接控制模式或日本模式，见图1。泥水舱中泥浆压力通过调节送、排泥泵转速或调节送、排管路上的控制阀开度来进行，特别是在泵的启动和停止时压力波动比较大，这种压力波动引起掌子面的不稳定，造成地表的沉降或隆起，对附件的建筑物或管线造成一定的损坏。当泥浆泵控制距离长而产生延迟效益时，很难准确控制泥浆压力，只能通过调节阀的开度来调节泥浆压力。

图1 直接型泥水平衡模式

实际上，泥水盾构工作成功的关键是能把开挖出的碴土输到洞外，在进、排泥浆关路上分别安装流量计和密度仪，通过检测泥浆的流量和密度计算出盾构的排土量、比较排土量与理论土量，并将实际排土量控制在一定范围内，从而减少或避免地面变形，保证隧道施工安全。

2.2 欧洲泥水平衡模式

欧洲模式的泥水盾构设有泥水舱和气垫舱，掌子面的压力大小靠气垫舱气压的大小和泥浆高度压力来调节，这种称为间接模式或欧洲模式，见图2。在这种模式下，一旦地质压力确定，则气体压力将被设定成一个固定压力值，不管液面高度如何变化，气体压力将一直保持在设定值左右，当液面降低时，则掌子面的压力降低；当液面升高，掌子面压力升高。降低值和升高值的大小与液面升高或降低有关系，压力随着盾构直径的增大而增大。泥水盾构掘进时，由于泥浆的流失、长距离控制、开关阀门的延迟效益或推进速度的变化，进、排泥浆将会失去平衡，气液接触面会出现上下波动现象。

图2 欧洲泥水平衡模式

间接控制模式建立在直接控制模式的基础上，通过调节气垫舱压力对掘进时泥水舱内压力的波动进行补偿或缓解，使泥水舱压力更趋于所需的稳定数值（理论设定值）。

这种压力控制是这样实现的：当泥水盾构在某一地质掘进时，当前地质压力根据地质情况提前计算出来，确定一个气压值，需要的气压值在压力调节器上进行设置，由气垫舱压力检测仪检测气垫舱压力，由压力检测仪把检测结果反馈给压力调节器，压力调节器根据压力检测仪的反馈压力和设定压力及基准压力进行运算，输出一个气体压力给进气阀和出气阀，控制进气阀和出气阀的开关，使气垫舱的压力接近设定值，达到平衡掌子面的作用。

3 两种模式的对比

3.1 绘制压力曲线

根据相同压力设定的地质的使用情况，绘制出不同控制方式的压力曲线，见图3。通过图3可看出，直接型的压力波动较大，间接型的控制压力更加平稳，这是因为气垫仓的气囊形成一个缓冲器，在液面波动时缓解和延迟压力的波动，但也存在压力波动。

图3 压力曲线

3.2 欧洲模式存在压力波动的原因分析

欧洲模式泥水盾构设置有气垫舱，开挖面压力控制相对日本模式较高。掌子面的压力平衡靠作用在气垫舱泥水面上的压力和泥浆的液位高度确定。

泥水盾构的工作模式靠泥水在开挖面形成泥膜，靠泥水的压力来平衡水土压力，实现开挖面的压力平衡，减少开挖面的沉降。实际上，液面A的高度是靠进浆泵和排浆泵的流量控制实现的，所以液面A的液面在不停地变化。

由于气垫式泥水盾构气垫舱气体的压力是一个设定值，这个设定值在压力调节器上实现。在地质条件不变的情况下设定值是一个定值。

当液面的高度h变化时，气体的压力是定值，造成作用在底部的压力Z的变化，造成开挖面压力波动，影响开挖面的稳定，并造成一定的地表沉降。

为了避免液面变化引起压力波动，气体压力需要液面高度及时调整。液面的高度检测是通过液位传感器实现的，当液面改变时，液位传感器把液位信息反馈到控制器，由控制器把对应的电信号传送到电、气双控压力变送器，由压力变送器根据对应关系调整气垫舱压力，达到底部压力Z保持基本不变，实现开挖面的稳定。

4 泥水盾构新型的泥浆输送模式

为了扩大泥水盾构的使用范围，最有效的办法就是对目前使用的泥水盾构的一些优点进行融合，既能实现目前泥水的优势，又能弥补自身的一些不足。

为了进一步提高压力调节的精度，保留气垫舱，使用新的压力控制模式，将能有效地提高压力的稳定性。

欧洲模式泥水盾构由于设置有气垫舱，破碎机设置在气垫舱内，致使泥水舱和气垫舱底部存在空间大、输送距离长等缺陷，造成泥浆流速低、碴土容易沉淀、堵塞底部，严重影响工程进度；在砂卵石地层，破碎机的故障率很高，不得不停机带压关闭泥舱门来维修碎石机。这种情况盾构适合砂层掘进。

为加快底部泥浆的流动速度，把气垫舱底部取掉，只保留上半部分，碎石机部分做成一个独立的块，在需要时进行安装，不需要时进行拆除，这样既能实现碎石机的功能，又能缩短碴土底部的距离，有利于提高掘进效率，也能在需要时进行更换。

日本模式的泥水盾构由于没有气垫舱，这样泥浆流量相对较快，为了实现这一功能，通过增加主机段循环来提高泥水舱泥水流速和携碴能力，同时增加底部冲刷功能，把较大粒径的碴土托浮起来，在快速流动泥水作用下带入泥水管路。

通过增加主机泥水循环管路可以降低进浆管尺寸的大小，在增加主机泥水循环流速的前提下不影响进排浆管路的流速。并且，泥水管路的直径可以变小，这样就可以降低装机功率和能耗。这种输送模式的泥水盾构泥水输送系统的元件为模块化设计，可以根据不同地质选择安装，特点是适应性强、容易更换，对不可预见的地质有极大的意义，扩大了泥水盾构的适应范围。目前，局部的改进在现有的泥水盾构中已有体现，但整机融合在一起的还没有出现，本文认为这种整体融合的泥水盾构将是未来的一个发展方向。

5 结语

综上所述，通过以上对泥水盾构的改进使泥水盾构会有一个更加宽广的使用范围，尽管目前泥水盾构存在一些问题，但从其自身的特点来看，泥水盾构应该有光明的前景，因为泥水盾构施工环境好，自动化程度较高，控制地表沉降的能力更高，对地质的适应性更强。