20世纪80年代日本城镇化过程中, 随着城市建筑物越发密集及道路网格密度的增加, 盾构施工难度越来越大, 在城市管网 (直径6m以下) 建设中遇到用普通土压工法、泥水工法难以解决的一些问题, 主要有:①线形方面 小半径曲线施工, 始发井、接收井少, 竖井尺寸小, 始发基地及接收基地面积小;②纵断面方面 各种复杂地层, 特别是设计上不得不小覆土的情况;③操作方面 希望操作简便、土压管理容易、排土输送快捷、坑道内整洁清新、整个施工过程安全环保。

为解决上述问题, 催生了把土压式和泥水式优点融合为一体的工法, 该工法在日本被称为“泥浓工法”。在掘进方面, 泥浓工法似泥水工法加入泥浆提高适应性和掌子面稳定性;在排渣方面, 泥浓工法似土压工法可大尺寸排土, 同时也似泥水工法可封闭式管送。目前, 泥浓工法在日本已成熟, 在韩国、中国台湾中小盾构工程也被视为首选工法。

泥浓工法施工工艺主要由3部分组成, 即送泥、排泥、泥浆处理, 整个工艺流程如图1所示。

盾构机刀盘外侧具有喷泥口, 泥浆发生系统通过送泥管与刀盘连接, 并将在泥浆发生系统中调制的浓泥浆送至刀盘端面由喷泥口喷出。切削时泥浆混合土砂充满土舱以及盾尾空隙, 在盾体周围形成浓泥浆渗透层 (泥膜) 。

通过在刀盘前端喷注泥浓水, 泥浓水与开挖土搅拌形成泥浓浆, 充满土舱。根据地层需要添加相应的添加剂, 使其保持可塑流体状态, 可以防止切削面土体松动, 形成塑性流动平衡掘进面, 即使遇到切削面压力难保持的土质也能很好地保证切削面稳定 (见图2) ;也可起到润滑刀盘刀具、减小磨损、降低刀盘扭矩和减少土体扰动作用;加压浓泥水使设备整体和隧道整体悬浮, 不仅有对刀盘的润滑作用, 而且可降低整机推力;同时, 泥浓浆在压力作用下填充盾体、土体及管片之间的环形间隙, 能有效防止浅覆土层区间的沉降;此外, 泥膜在盾尾还可起到止水密封作用。

出渣排泥系统如图3所示。刀盘舱的后侧设置有唇式真空阀, 唇式真空阀的尾部连接机内中转箱。真空阀关闭时, 阀体前方土舱保持压力;真空阀打开, 土舱压力会将混有土渣、石块的浓泥浆挤至机内中转箱。真空阀砾石的最大排出直径为400mm。机内中转箱设置有泥石分离结构, 将大的石块与泥浆分离, 大的石块通过小车运出坑外, 泥浆则通过管道由真空泵产生的负压先水平运输到井内中转箱, 泥浆中较大的砾石经过井内中转箱的储泥箱进一步沉淀后, 其他泥浆最终全部垂直吸引至泥浆池中。机内中转箱、储泥箱分离出来的大石块在工作井内由门架吊至地表后直接外运到弃渣场 (见图4) 。

为降低泥浆对环境的污染, 真正实现泥浆零排放, 本工程泥浆处理采用筛滤、压滤结合的泥浆处理方案。根据2.3节所述, 泥浆处理采用黑旋风泥浆处理系统。隧道内排出的泥浆首先通过筛滤机二级过滤, 大颗粒过滤至弃渣池, 然后统一运输到弃渣场处理;通过筛滤后的泥浆使用压滤机进一步处理, 其中的微小土颗粒被压成泥饼后同样传到弃渣池处理。经过双重过滤, 泥浆实现水土分离, 水分离后收集到储水池重复利用。

采用压滤处理分离产生的滤液水可回收再利用, 降低材料成本^[1], 泥浓盾构所产生的弃浆可采用分离技术进行级配分离或进行再生砖生产。

本工程为城市污水主干管进出水管线工程, 穿越河流段采用盾构法施工, 成型管道内径仅2.1m、外径2.6m。盾构段全长约690m, 隧道整体呈S形曲线布置, 最小转弯半径180m (见图5) 。盾构段覆土主要为填土 (杂填土、素填土) 、淤泥质粉质黏土、粉细砂、含卵砾石粉细砂、粉质黏土、含卵砾石粉质黏土、风化粉砂质泥岩, 盾构隧道顶高程约 -3.100m, 主要穿越粉质黏土、含卵砾石粉质黏土、风化粉砂质泥岩地层, 最小覆土高度约2.6m。陆地地面高程为7.970～13.750m, 河底地面高程为 1.160～5.240m, 河流水深为1.20～5.30m。

本工程最终选用国内某公司制造的泥浓式盾构机, 盾构机盾体外径为2.75m, 刀盘外径为2.8m, 盾体长为8.35m, 盾体纵向可拆分成刀盘、前盾、前铰接、中盾、后铰接、尾盾, 管片采用常规的盾尾拼装工艺, 盾构机结构如图6所示。

盾构机由主机及配套辅助系统构成。主机包括盾体、刀盘、刀具、驱动系统、推进系统、铰接系统、管片拼装机及单吊梁^[2]、密封系统, 配套辅助系统包括制浆送浆系统、真空排泥系统、泥水处理系统、导向系统、注浆系统、供电系统。

根据一定的配合比, 在泥浆发生器中调制浓泥浆, 泥浆发生器通过送泥管与刀盘连接, 并将浓泥浆送至刀盘端面由喷泥口喷出。

本工程选用的泥浓盾构机真空排泥系统分为3部分, 分别为土舱至机内中转箱、机内中转箱至井内中转箱、井内中转箱至地面泥浆池。

操作人员根据土舱压力大小及时开闭唇式橡胶阀控制土舱压力和排渣, 将泥渣排至机内中转箱;机内中转箱中泥渣通过地面真空泵抽排井内中转箱;井内中转箱内泥渣同样通过地面真空泵吸至地面泥浆池, 实现泥渣垂直运输。

本工程采用黑旋风泥浆处理系统, 设备安装于泥浆池旁, 盾构机掘进排出的泥浆运至泥浆池, 再经过泵抽送至泥浆处理装置, 通过筛滤和压滤将泥浆中的泥土和砾石分离出来, 泥土和砾石堆放至渣土临时堆放处, 等待运输车运离现场, 纯泥浆则分离至泥浆池备用, 通过压滤装置变为清水用以泥浆配合比, 注入至刀盘面循环利用。

各盾构施工工法比较如表1所示^[3,4,5]。

土压工法常用的螺旋机及输送带形式, 排土效率低下, 运输过程复杂。泥水工法常用的泥水处理分离系统设备费用高昂, 环境影响大及占用场地多, 整体成本高。在泥浓工法中, 掘进产生的小的砂砾随泥浆通过真空管排至地面, 经二次分离后, 小的砂砾外运, 余下的清水再循环利用;大的粒石、石块储存于中转箱、储泥箱, 经台车运至工作井内, 再由门架吊至地表后外运。综合分析, 相比于其他盾构工法, 泥浓工法具有如下特点和技术优势。

1) 有较好的地层适应性。土压平衡盾构主要适用于普通土、黏性土、硬质土等地质情况;泥水盾构主要适用于普通土、砂质土、硬质土等地质情况;而泥浓盾构几乎适用于全地质情况, 可有效保持切削面稳定, 对周围土体扰动小, 不易发生地表隆起、下沉塌陷。

2) 在排泥端泥水分离, 可循环利用, 节约能源。真空排泥不受隧道长度限制, 带动坑内空气流动无需送风设备, 气流通畅, 一般情况下无需专门通风设备, 大大提高施工效率。

3) 设备占地面积小, 对周边环境影响小, 施工内部空间需求小, 设备噪声小, 安全、环保, 综合使用成本低。

盾构机刀盘采用复合式结构, 是针对河底的富水软弱黏土、全～强风化粉砂质泥岩和中风化粉砂质泥岩的复合地层, 以保证切削面稳定。①开口率为37%, 有利于提高开挖效率、避免刀盘结泥饼;②设置8组×3把外周刮刀, 并配合29把刮刀, 适用于粒径<400mm的砂、卵石、泥土等松散软土地层切削;③1把中心鱼尾刀作为中心刀使用, 最先切入土体, 掌子面破出中心槽, 以增加开挖仓的流动性^[6];④ 41把单楔圆弧形贝壳刀和3把可更换保径滚刀适用于较松散的大粒径砂卵石地层以及较硬岩体地层;⑤1把仿形刀控制超欠开挖, 适用于小半径曲线转弯的隧道开挖。

河流底距盾构顶端距离较短, 在3～6m, 最小覆土仅有2.6m。水位约为6.44m, 水深为1.20～5.30m, 淤泥厚度0.2～0.4m。最高水位为10.74m (1991年) , 最低水位为4.58m (2010年) , 最大变幅6.16m。①盾构有足够的推进力和刀盘扭矩储备, 可灵活调节开挖面压力;②驱动和铰接处分别采用3道×2处NRB唇口式密封, 保证密封系统可靠;③盾尾采用3道钢丝刷密封, 配合盾尾油脂, 保证盾尾密封可靠^[7];④刀盘、刀头处喷出高浓度泥浆, 切削时泥浆混合土砂充满土舱以及盾尾空隙, 在盾体周围形成浓泥浆渗透层 (泥膜) 加压浓泥水使设备整体和隧道整体悬浮, 不仅有对刀盘的润滑作用同时可降低整机推力;泥膜在盾尾还可进行止水密封。

采用前、后双主动铰接, 通过调整铰接千斤顶的行程来控制盾构机姿态, 通过安装在铰接千斤顶上的行程、压力传感器与自动导向系统实时反馈盾构与设计轴线的水平、垂直偏差以及趋向偏差, 可实现最小半径30m的转弯, 对于本工程的最小转弯半径180m有足够的储备;刀盘上仿形刀可有效控制转弯时的超挖量。

真空排泥系统既能排渣, 同时也能将隧道内浑浊空气抽空, 新鲜空气源源不断送至隧道内, 在小断面盾构隧道施工中有其独特优势;排出泥浆经处理后可循环利用;可进行分体始发, 始发井占地面积 (2～3) D (D指盾构机直径) , 始发井、接收井占地面积相对较小, 对城市交通影响较小;井上设备占地空间小, 可沿城市道路排列, 地面基地面积小, 对城市施工井周围交通和环境影响小;设备噪声低, 无灰尘, 对周边生态、人文环境影响小, 排出渣土如坍落度20mm的混凝土, 无须另行处理。

微型泥浓盾构相比于土压盾构、泥水盾构具有地层适用性好、占地空间小等优点, 泥浓式盾构机能够满足工程有关稳定地层开挖面、控制地面变形、空间需求、姿态控制等方面的要求, 并对未知情况具有一定储备。但现场实际施工情况复杂, 施工中发现原有设计并不能解决所有问题。因此, 在后续施工中对微型泥浓盾构工艺做出几点改进。