三菱泥水环流系统堵管问题及解决改进方案
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【摘 要】文章介绍了三菱泥水环流系统在湛江湾跨海盾构工程中堵管事故及处理方法，分析了堵管的原因，并提出了根据不同地层改进采石箱内部构造、调整掘进参数等处理措施，取得了良好的效果，可供类似工程借鉴。
【关键词】三菱泥水盾构；环流堵管；采石箱改进
一、工程概况
湛江湾跨海盾构工程位于南山岛与东海岛之间，横穿湛江港航道，全长2750m，盾构隧道工程采用一台直径6.28米的泥水平衡盾构机，环流系统简易图如图1，由东海岛工作井向南山岛接收井掘进。
盾构隧道最大埋深位于水面以下约60米，最大水压力约6.8kg/cm ，隧道所穿越的主要地层包括：淤泥质粉质粘土、粉土、砂质粘土、粉砂、粉细砂、砾砂以及铁质胶结层。湛江湾两岸岛屿地表为大片海风混积沙地，透水性较强，地表径流很少，大气降雨直接渗入地下形成潜水，地下水补给主要是海水入渗，地下水位基本与海平面持平，地层中夹层砂主要呈中～～强透水性，粘土层呈弱透水性，水文地质情况比较复杂。
图1
二、环流系统堵管及分析解决过程
（一）始发阶段堵管
1、堵管过程
在始发掘进至+10环左右，环流系统报警，出现异常情况，排泥流量剧降，切口水压升高，偏差流量增大， 泵吸口压力降至负压，随即环流跳掉，掘进停止，初步判定排泥管堵塞。
2、堵管原因分析
在始发阶段，地层主要以中砂、中粗砂为主，环流用的泥浆，是根据地层的特性配制的性能参数较好的浆液，并且堵管前，盾构机没有存在长时间停机，环流各参数均正常，并没有出现荷载逐渐增大的现象，故初步可以排除砂子堵管的可能。
再次启动环流，旁通状态时正常而且稳定，尝试逆洗模式，上诉问题出现，在大旁通模式下依然处在此问题，由于排浆管从土仓至采石箱段为12寸管，出采石箱处通过一个变径弯管变为8寸（见图2），此处堵管的可能性最大，由于此段地层中没有岩层，并且排出了砂子造成堵管的可能，故初步判定是始发破洞门时留在土仓内的水泥块造成了堵管。
3、堵管处理措施
开启采石箱门，拆除采石箱处的变径，发现了堵管的水泥块，如图3。再次恢复掘进时，先进行长时间的土仓逆洗并配合刀盘的转动，使有可能沉积在排浆口处的水泥块冲开，之后盾构恢复正常掘进。此处单个小石块的堵管可以用逆洗的方式得到缓解，但是连续的硬质岩块只有拆除采石箱出口处的变径来取出堵管的石块。
图2
图3
（二）铁质胶结地层堵管
1、堵管过程
在掘进至+100环左右 ，类似的情况频繁出现，并伴随着采石箱和管路的震动，各个排浆泵参数变化波动大，频繁的环流停止、启动，造成了 泵的机械密封损坏。通过改进掘进技术、开启采石箱等措施无法彻底解决堵管的问题，而且频繁的堵管对管路和泥浆泵造成了严重的损坏，影响了正常施工，更换排浆泵机械密封需要大量的人力物力，耗时长，而且机械密封采购时间长价格昂贵。且数次开启采石箱造成大量的泥浆流入隧道，给隧道施工带来了严重的影响
2、堵管原因分析
掘进至+100左右，地层主要以淤质砾砂，淤泥质中砂为主，并有局部的铁质胶结层，通过提高了排泥流量，降低了掘进速度等措施增大了泥浆的携渣能力，并且提高了泥浆的粘度，堵管的现象依旧频繁出现，通过多次开采石箱发现，均发现是铁质胶结砂块造成的堵管，由于铁质胶结层存在于隧道断面内，根据地层勘探和竖井开挖时的情况，断面厚度约20cm～～100cm，长度约70m左右，此铁质胶结层密实度不高，随着刀盘切削掌子面容易成块破碎脱落，在吸口处进入排浆管，这是造成堵管最主要的原因。
3、堵管处理措施
三菱环流系统的采石箱对连续的硬质岩石块作用有限，原有的结构设计无法应对长达70多米的铁质胶结层， 采石箱内部结构（如图4）是一段连续局部有坡口和圆口的12寸钢管，沉积在土仓内的石块能沿着采石箱内的十二寸管直接到达采石箱出口的变径处，造成堵管。所以要防止堵管必须改进采石箱的内部结构。处理措施是，割除了采石箱内后半部分的十二寸管，在采石箱内后半部距离采石箱门20cm处增加了口径为180cm×180cm的竖向格栅（如图5）。目的是使进入到采石箱内的石块被格栅拦住，停留在采石箱内，防止堵塞采石箱的出口变径。
通过以上改进措施，有效的预防了铁质胶结层石块堵管的问题，确保了掘进的正常，保护了机械设备。
图4
图5
（三）全断面粘土层堵管
1、堵管过程
掘进至+600环左右时，进入全断面粘土层，掘进环流参数变得异常敏感，出现波动很大， 泵常出现负压现象，排泥流量降低，随着掘进时间的的延长，各个泥浆泵均出现过载现象，电流升高，吸口压力过大，随即中级泵过载跳掉，排浆管路与排浆泵连接的软接头容易被泥团堵塞，随着排泥泵吸口压力过大导致破裂漏浆（如图6），环流无法工作，掘进停止。
2、堵管原因分析
1）地层原因： 掘进至+600左右，地层进入全断面粘土、淤质粘土层，此地层的特点是密实度高、粘度大、易成团，大量泥团在环流过程中容易在排浆泵软接头处挤压堆积，造成软接头堵塞破裂。
2）泥浆原因： 由于场地的限制，储存的泥浆得不到及时的改良，往往泥浆没有达到合适的粘度，使得掘进过程中泥浆粘度上升很快。
3）掘进技术： 掘进的贯入度与环流系统的携渣能力不适合，只是靠直观的环流参数决定刀盘转速与掘进速度，忽略了贯入度与环流系统的配合能力。
4）采石箱改进后的构造不适应全断面粘土层的掘进，大量的泥团在格栅处堆积，最终造成采石箱堵塞。
3、堵管处理措施
1）泥浆方面：
配制适合在全断面粘土层中掘进的优质泥浆，调整地面泥浆的储存空间，降低了泥浆的粘度（18s以内），对泥浆的粘度进行实时监控，增设了清水泵，以便及时快速的降低泥浆粘度。
2）掘进技术方面：
降低掘进速度，加快刀盘转速来降低了刀盘的贯入度，加大了刀盘的注水量，提高了排泥流量，加大了环流的携渣能力，增强了环流系统操作和盾构机操作的配合，当出现环流参数异常，如泵吸口压力增高，渣浆泵转速电流逐渐升高时，立刻停止掘进，环流模式切换成旁通模式，直至把管内泥团充分环流干净，环流各参数恢复到正常状态，然后再开始掘进。
3）采石箱方面：
增大采石箱内格栅的开口率，割除局部的竖向钢筋，如图7，增强了泥团的通过率，防止了泥团在采石箱内不断堆积。
通过以上措施，有效的预防了在全断面粘土层中掘进的堵管问题。
图6
图7
7、结语
本工程数次堵管问题虽然造成的后果并不严重，但是在处理过程中影响了施工进度，扰乱了正常的施工生产秩序，值得认真总结。
环流堵管问题在泥水盾构掘进中始终是常见的问题，应特别注意，环流系统就好比人的血液循环系统，所以对泥水盾构来说十分的重要，泥浆的性质就好比人血液的性质，没有好的泥浆，环流设备就无法健康的运行，所有参与人员应该高度重视，力求稳定，不应过分强调进度，在泥浆参数不达标准的时候切不能盲目掘进，切忌切口水压频繁、较大幅度的波动，严格控制掘进参数，在不同的地层调配相适应的泥浆，确保环流的顺畅。三菱环流系统应对不同地层存在的不足应及时进行改进，预防因采石箱设计不合理造成的堵管问题，环流堵管的处理需要大量的人力和物力，而且对机械设备损害大，配件采购时间长，严重影响了盾构的正常施工，所以怎么预防和避免环流堵管问题，始终是泥水盾构施工中一个重要的课题。