姜久闯
沈阳工业大学辽阳分校 111000
摘要：随着城市化建设的不断发展，隧道盾构法凭借自身优势逐渐成为城市地下轨道交通施工的重要设备。且被广范应用于江河湖海隧道、铁路隧道、公路隧道和城市地下工程建设中。本论文将通过对泥水平衡盾构的工作原理和性能进行分析介绍，继而论述其工作状态下的多种工作模式，从而对盾构的运行有更明确的认识，并对实际工程中工作模式的对应选择做出指导。
关键词： 盾构机 泥水盾构 隧道 工作模式
0 引言
随着我国经济技术的高速发展和城市化进程的快速推进，城市交通的发展也探寻出新的道路。目前，城市交通的发展不仅局限于地面交通的铺建，也逐步向地下延伸建立更为全面的交通枢纽。因此，我国各大城市应用以盾构技术为主体修建的城际地铁来缓解城市内部交通压力。而采用更为高效安全的盾构施工机械来进行掘进，可以在经济性、环保性、技术性等方面都的得以保证。盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，目前是其发展的最好时期。全断面隧道掘进机是集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型地下工程建设装备，是大规模开发利用地下空间的前提条件。泥水环流系统对整个地下施工也具有重要的影响。因此，了解盾构技术的工作原理及模式对于城市地铁、地下排管工程的发展有着重要意义。其中，通过泥水压力使切削面保持稳定平衡的盾构称为泥水加压平衡盾构，简称泥水盾构，它是具备开挖、排渣、衬砌支护等综合施工能力的全断面隧道掘进设备。
本文将通过对泥水平衡盾构的工作原理进行介绍，并对其多种工作模式进行分析论述，充分体现出盾构为目前交通建设的发展所提供的便利。
1 泥水平衡盾构介绍
泥水盾构是指在盾构开挖面的密封隔仓内注入泥水，通过泥水加压和外部压力平衡，以保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的泥土进入盾构前部的泥水室，经搅拌装置搅拌，而搅拌后的高浓度泥水通过泥浆泵运到地面，泥水在地面经过分离，然后进入地下盾构的泥水室，不断地排渣净化使用。
2 泥水加压平衡盾构的性能特点
泥水加压平衡盾构的特点之一在于将泥水送往开挖面，通过开挖面的加压从而使其达到稳定，并且用流体输送砂土。此外，泥水盾构施工的特点有以下几点：
（1）在易于发生流沙的地层中能维持开挖面的稳定，在正常大气压下就可以保证施工的正常进行；
（2）泥水传递速度快且均匀，开挖面平衡土压力的控制精度高，对于开挖面周围的土体干扰较小，地表沉降量控制精度高；
（3）刀盘，刀具磨损较小，适合长距离运输；
（4）适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层等地层，也适用于地层含水量大，上方有水体的越江隧道和海底隧道。
总之，泥水平衡盾构具有控制泥水压力，保持工作面稳定，沉降较小；排土采用泥浆管来输送，水压较高地段也不会出现喷涌现象；使用泥水，需扭矩较小，刀具不易磨损；使用流体运输弃土输送效率高，适合长距离输送的优势。
3 泥水平衡盾构机工作原理
泥水平衡盾构是指在机械式盾构刀盘的后侧，设置一道封闭隔板，隔板与刀盘之间的空间称为泥水仓。将水，粘土及添加剂混合成的泥水，经输送管注入泥水仓，待泥浆注满泥水仓后，形成泥水压力仓。通过泥水的加压作用和压力保持机构来维持开挖面的稳定，用于支撑土体。盾构推进时，刀盘旋转用于切削泥膜，即当泥水的压力与开挖面土体推力相同，通过泥浆泵和管道将所形成的高密度泥浆送至地表泥水分离装置进行再处理。泥水盾构机掘进过程中需在泥水仓和掌子面形成平衡。
4 泥水环流系统结构
泥水环流系统是泥水平衡盾构的重要组成部分。泥浆环流系统为提高地表渗透性，夯实土层，需将泥土浆用泵送至掌子面，在掌子面使泥浆与土粒形成“泥膜”。刀盘切削的渣浆在开掘室内混在一起，从排浆管道内进行排放，送至处理站，实现渣浆的有效分离，可回收二次利用。
而泥浆环流系统由泥浆输送管路及其控制设备、管路延伸装置以及泥水处理站等重要设备组成。而其中，泥浆环流系统的泥水处理站具有渣土处理和浆液调制的作用。
泥浆泵可向钻孔中注入冲洗液。在钻探正循环中，将水、泥浆或聚合物冲洗液用一定压力经水龙头和高压管送到钻头底部，冷却钻头，取出岩屑，输送到地面。常用的泥浆泵为柱塞式或火塞式。
渣浆泵主要由联轴器、轴承箱等组成。其工作原理为：叶轮通过电机的带动高速旋转，产生较大的离心力，在离心力的作用下液体被抛入泵壳内，使液体获得动能。由于叶轮外围的泵壳容积不断加大，从而将液体排出。当液体向四周甩出时，叶轮的进口处形成低压带，外部的液体在大气压力的作用下，通过进口管进入泵内，叶轮不停地旋转，流体连续的排出、吸入，形成连续的工作。
泥水处理站由泥水处理系统、制调浆系统等组成；泥水分离系统是将盾构排出的污浆进行处理，将不符合标准的颗粒筛选出来形成弃浆，合格浆液输送至制调浆系统进行处理；弃浆压滤系统是将筛选出的弃浆处理形成泥饼存放，待运渣车运走；制调浆系统是将每次筛选合格的浆液，加入膨润土等，经过一系列处理后，形成一定比重及粘度的浆液。
5 泥浆循环模式
泥浆循环方式有五大模式，具体包括旁通模式、开挖模式、反循环模式、隔离模式以及长时间停机模式。
旁通模式，用于盾构不进行开挖时执行其他功能，该模式也可用于当盾构运行过程中模式间的转换。泥水盾构在砾石层和软粘土层中掘进时在通过石头和泥土的过程中，掘削出的土砂可能堵塞排泥管道，若此时泥水送入的浆液过多，泥水仓压力过大，可能出现管道爆裂、掘削面坍塌的危险。因此，有必要设置一个可使浆液不再进入掘削面的旁路运转系统。该模式称为待机模式，即在盾构未开始挖掘时，可以操作其它的工作命令。
开挖模式用于盾构开挖过程。在使用过程中，开启进浆管路及排浆管路上所有的阀门及泵，调整进排浆泵的转速，构成相对平衡的状态，以保证盾构正常掘进。在工作过程中要时刻关注泥浆/气垫界面液位，及时调整泵的转速，校正排渣流量，保证开挖模式的正常运行。
反循环模式使开挖室里的泥浆逆向流动，一般用于一些特别的情况，特别是在开挖室内发生阻塞，或用于清理盾构内的排渣管道时。为了不让泥浆充满开挖室，同时保证气垫仓压力与泥浆 / 气垫界面液位处于一个相对安全的状态，需密切关注进排浆泵的排量，及时调整进排浆泵的转速。此模式只会在短时间以内，不会持续太长的时间。
隔离模式一般应用于隧道开挖过程中泥浆管路需要延伸时，这种模式下，隧道里的各渣浆泵停止工作，并且隧道里的泥浆管道系统与地面系统处于完全隔离的状态，但此时设在地面的分离厂和制备厂之间保持连通，主要为了确保制备厂与分离厂两者之间的回路能够循环运行。
长时间停机模式是自动控制的。此时所有泵都停止运转，开挖面压力由气体压缩回路来控制平衡。当气垫室泥浆液位低于预定的低限时，便进行校正。
6 总结
随着隧道盾构法在城市化建设中的广泛应用，一方面为缓解城市化交通问题作出了巨大的贡献，合理的利用地层空间的建设和开发；另一方面也为隧道施工的安全性和技术性得到充分的保障。而通过本文对于泥水平衡盾构工作原理以及工作模式的基本介绍，可以使得在应用盾构技术的基础上，合理的选择其工作模式，从而保证盾构施工的正常运作，并为实际工程情况的模式选择做出指引和方向。
参考文献
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