韓奉昌

摘要：為了解決海瑞克S-679盾構(gòu)機(jī)武漢復(fù)合地層采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)刀盤容易結(jié)泥餅的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)原有泡沫系統(tǒng)和膨潤(rùn)土系統(tǒng)進(jìn)行改造，解決了推進(jìn)過(guò)程中由于渣土含水量不足、渣土流動(dòng)性差，渣土溫升快，土艙溫度高，導(dǎo)致易結(jié)泥餅、推進(jìn)效率低下的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu)機(jī);泡沫系統(tǒng);膨潤(rùn)土系統(tǒng)

0引言

在我國(guó)由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，各種運(yùn)輸量增加很快，特別是市內(nèi)客運(yùn)量成倍或成幾十倍的增長(zhǎng)，加上城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后，導(dǎo)致公共交通問(wèn)題越來(lái)越突出，嚴(yán)重的影響了經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)程。另外，由于城市內(nèi)部建筑物密度大，特別是老城區(qū)，各種建筑物、構(gòu)造物比比皆是，城市里的剩余空間越來(lái)越小，舊城改建十分困難。因此，發(fā)展地下鐵道及輕軌交通越來(lái)越受到政府的重視。

隨著我國(guó)越來(lái)越多的城市進(jìn)行地鐵、隧道、綜合管廊施工，盾構(gòu)機(jī)的使用也越來(lái)越廣泛，盾構(gòu)機(jī)根據(jù)工作方式和出渣方法分為：泥水氣壓平衡，土壓平衡，敞開是硬巖掘進(jìn)，土壓平衡和敞開硬巖雙模式以及超大直徑環(huán)形管預(yù)挖盾構(gòu)，前三種目前在隧道開挖中用的很普及，其中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)使用較多。為了適應(yīng)復(fù)合地層的推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)均配備了渣土改良系統(tǒng)，主要由泡沫系統(tǒng)和膨潤(rùn)土系統(tǒng)構(gòu)成，泡沫劑和膨潤(rùn)土作為渣土改良介質(zhì)，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程與渣土混合在一起，提高了渣土流動(dòng)性和塑性，可以降低刀盤扭矩，減少刀具磨損，冷卻渣溫，防止渣土黏附壓實(shí)。

目前海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)標(biāo)配的渣土改良系統(tǒng)由泡沫系統(tǒng)和膨潤(rùn)土系統(tǒng)組成，泡沫系統(tǒng)由泡沫罐、泡沫泵、6條泡沫管路、流量計(jì)、泡沫發(fā)生器、控制面板組成，其中5條泡沫管路直接連接到刀盤上的F1、F2、F3、F4、F5號(hào)泡沫噴頭，1條泡沫管路連接在螺旋機(jī)上，分別采用6個(gè)1.5kW泡沫泵（流量為180L/min）供混合液，共同采用1個(gè)0.37kW泡沫泵（流量為5L/min）供應(yīng)泡沫;膨潤(rùn)土系統(tǒng)由膨潤(rùn)土罐、膨潤(rùn)土泵、6條膨潤(rùn)土管路組成，由1個(gè)5.5kW膨潤(rùn)土泵（流量為10m3/h）供應(yīng)膨潤(rùn)土，膨潤(rùn)土管路在連接橋上與泡沫管路混合，泡沫系統(tǒng)與膨潤(rùn)土系統(tǒng)可單獨(dú)使用也可同時(shí)使用。

該渣土改良系統(tǒng)可通過(guò)混合水、空氣、發(fā)泡劑和膨潤(rùn)土，并設(shè)定發(fā)泡率FER和注入率FIR，自動(dòng)在推進(jìn)過(guò)程中向土倉(cāng)加入泡沫劑和膨潤(rùn)土。原液配比一般選用2%～5%，發(fā)泡倍率FER一般選擇8～20，泡沫注入率FIR一般選擇20%～70%，該系統(tǒng)適應(yīng)大多數(shù)復(fù)合地層。

1 問(wèn)題現(xiàn)狀

武漢地鐵6號(hào)線二期工程01標(biāo)地層主要為：粉質(zhì)粘土、粘土、粉細(xì)沙混粉質(zhì)粘土，透水性差，使用過(guò)程中易出現(xiàn)管路堵塞及發(fā)泡效果不好的現(xiàn)象，為了提高整個(gè)泡沫系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，對(duì)泡沫系統(tǒng)進(jìn)行單管單泵的改造。

1.1原泡沫系統(tǒng)組成

泡沫系統(tǒng)由泡沫原液箱、泡沫原液泵、水泵、流量計(jì)、壓力傳感器、安全閥、減壓閥、單向閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力表、泡沫發(fā)射器及連接管路等組成。

1.2原泡沫系統(tǒng)原理

泡沫原液泵將泡沫劑從泡沫原液箱中泵出，并與水按照設(shè)置參數(shù)的比例混合成溶液?；旌先芤罕环殖晌迓罚謩e通過(guò)電磁調(diào)節(jié)閥與流量計(jì)后到達(dá)泡沫發(fā)生器，在泡沫發(fā)生器中與壓縮空氣混合產(chǎn)生泡沫，泡沫溶液和壓縮空氣的混合比例也按照設(shè)置參數(shù)進(jìn)行混合。發(fā)泡好的泡沫分別輸送到刀盤、土倉(cāng)、螺旋機(jī)。

1.3原泡沫系統(tǒng)存在的弊處

（1）因泡沫原液與水只是在交匯管路處混合，混合不充分，會(huì)導(dǎo)致泡沫系統(tǒng)發(fā)泡效果不佳，影響渣土改良效果。

（2）因1臺(tái)水泵與1臺(tái)泡沫泵同時(shí)供給5路泡沫進(jìn)行使用，當(dāng)某條管路阻力較大時(shí)，泡沫將分流至阻力較小的管路，這就容易造成阻力大的管路加劇阻塞，最終影響渣土改良效果。

2.泡沫系統(tǒng)單管單泵改造原理

2.1將原盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)5路泡沫共用泵的注入方式改造成5路單管單泵注入方式。（螺旋機(jī)管路由第五路過(guò)來(lái)），每一路泡沫混合液均配備單獨(dú)的泵，且每臺(tái)泵的輸送能力相同、流量通過(guò)變頻器可調(diào)節(jié)，每路單管單泵泡沫均可獨(dú)立工作，不受土倉(cāng)壓力，管道阻力的影響，較大程度的避免泡沫管路發(fā)生堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2泡沫系統(tǒng)中原液和水的混合方式由原來(lái)的管路中混合變?yōu)樵诨旌弦合渲谢旌?。在不增加泡沫原液消耗的條件下，發(fā)泡效果更好。同時(shí)經(jīng)過(guò)充分混合后的混合液酸堿度得以稀釋，可以延長(zhǎng)泡沫泵的使用壽命。

3.泡沫單管單泵改造方案

3.1 流體部分

◆原泡沫系統(tǒng)原液泵、流量計(jì)，水流量計(jì)可繼續(xù)使用，增加進(jìn)水電磁閥等部件。增加1立方混合液罐，配液位傳感器、液位顯示管、放水閥等部件。

◆五路泡沫每路增加一個(gè)混合液螺桿泵、安全閥、壓力表等部件。每臺(tái)螺桿泵通過(guò)單獨(dú)的管路連接至橋架的泡沫發(fā)生器。

◆泡沫發(fā)生器站。氣體部分保持不變，包括進(jìn)氣減壓閥，五路氣體流量計(jì)、電動(dòng)球閥、單向閥等。液體部分保持每路液體流量計(jì)、泡沫發(fā)生器、壓力傳感器、單向閥等不變，取消電動(dòng)調(diào)節(jié)閥?？刂品绞接稍瓉?lái)通過(guò)調(diào)節(jié)每一路的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制泡沫混合液流量改變?yōu)橥ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)每一路螺桿泵頻率控制混合液的流量。膨潤(rùn)土系統(tǒng)依然保持在此位置接入泡沫系統(tǒng)。

◆經(jīng)泡沫發(fā)生器發(fā)泡后的泡沫，管路可連接至回轉(zhuǎn)接頭，土艙壁，盾體外壁，螺旋機(jī)等不同區(qū)域。

3.2 結(jié)構(gòu)部分

◆泡沫混合液站。保留原泡沫桶支架，在附近臺(tái)車空余位置增加1個(gè)1立方的混合液罐以及螺桿泵支架。

◆盾體部分。如保持5路泡沫管路不變，則回轉(zhuǎn)接頭等結(jié)構(gòu)無(wú)需變動(dòng)。

◆刀盤部分。如保持刀盤上1分2，8個(gè)泡沫噴嘴不變，則無(wú)需變動(dòng)。

◆螺旋機(jī)部分。5路單管單泵其中1路直接供給螺旋機(jī)

3.3.電氣部分

◆直接破解plc程序，導(dǎo)入單管單泵程序，在原有PDV電腦上顯示包括遠(yuǎn)程/本地控制切換按鈕、模式按鈕、每路泡沫的選擇、每路泡沫流量、壓力顯示，泵運(yùn)行狀態(tài)，故障顯示，泡沫系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等。

◆增加一個(gè)電柜，用于安裝開關(guān)，變壓器，繼電器，PLC模塊，混合液螺桿泵變頻器等部件。電柜面板增加原液泵及混合液螺桿泵啟動(dòng)/停止按鈕及電位計(jì)，在調(diào)試或者故障檢修時(shí)，可直接在本地進(jìn)行操作。在操作室電腦上可進(jìn)行遠(yuǎn)程/本地控制切換。

◆在原配電柜增加一個(gè)保護(hù)斷路器，做為整個(gè)系統(tǒng)供電開關(guān)，與其他系統(tǒng)獨(dú)立。

4.泡沫系統(tǒng)改造后運(yùn)行效果

泡沫原液與水在混合箱中充分混合，泡沫混合液泵只針對(duì)單個(gè)管路，能夠有效的防止主入口因壓力不均而產(chǎn)生的堵塞現(xiàn)象，同時(shí)每個(gè)管路上均安裝有流量計(jì)、壓力傳感器，由PLC、變頻器、工控機(jī)協(xié)調(diào)控制，能夠?qū)ψ⑷肱菽瓑毫土髁窟M(jìn)行準(zhǔn)確的、實(shí)時(shí)的控制和顯示，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中渣土改良，控制土壓平衡和防止刀盤結(jié)泥餅起到良好的輔助作用。改造后的泡沫系統(tǒng)通過(guò)5路螺桿泵實(shí)現(xiàn)“單管單泵”泡沫注入，每臺(tái)排量為30L/min。

5.結(jié)論

1） 通過(guò)對(duì)泡沫系統(tǒng)的改造，渣土改良良好，利于開挖面的穩(wěn)定，控制地表沉降。提高了渣土的不透水性，使渣土具有較好的止水性，控制了地下水的流失。降低了刀盤扭矩和螺旋輸送機(jī)的扭矩，同時(shí)減少對(duì)刀具和螺旋輸送機(jī)的磨損，提高了推進(jìn)速度，盾構(gòu)在粘性土層長(zhǎng)距離掘進(jìn)而不結(jié)泥餅，確保了施工安全，從而提高了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率。

2）通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用，證明本泡沫系統(tǒng)的管路配置、泡沫發(fā)生器參數(shù)的選定、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理可行的，通過(guò)本次使用、總結(jié)、改進(jìn)，為后續(xù)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)改造積累了經(jīng)驗(yàn)。

本系統(tǒng)僅對(duì)注入系統(tǒng)，控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，后續(xù)控制部件的選用還有待比較。

參考文獻(xiàn)

1、王軍;侯著釗;;土壓平衡盾構(gòu)泡沫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J];建筑機(jī)械化;2012年05期

2、鄭楊銳;林世友;;土壓平衡盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)的研制[J];隧道建設(shè);2012年04期

3、張成.EPB盾構(gòu)泡沫系統(tǒng)缺陷與改進(jìn)[J].鐵道建筑技術(shù)，2016，（1）.

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