泥水平衡盾構機刀盤泥餅形成機理及防治技術*

陳喬松，劉德智，楊軍寧，雷金山

(1．廣州市地下鐵道總公司建設總部，廣東廣州510380;2．中南大學土木工程學院，湖南長沙410075)

泥水平衡盾構機刀盤泥餅形成機理及防治技術*

陳喬松1，劉德智1，楊軍寧2，雷金山2

(1．廣州市地下鐵道總公司建設總部，廣東廣州510380;2．中南大學土木工程學院，湖南長沙410075)

盾構機在中、強風化巖和粘土地層的掘進過程中，挖掘面的粘性土體受到刀盤的碾壓，極易自刀盤中心位置向四周逐步在刀盤面和土倉內壁上形成附著的泥餅，堅硬的泥餅將會把刀盤開口堵塞，嚴重降低了盾構機掘進能力;泥餅的存在加重盾了構機刀盤和刀具的負荷，常常使掘進參數出現突變，大大降低施工效率;此外，當刀盤泥餅與土倉中隔板的長時間摩擦，會導致中隔板等位置的溫度快速升高，從而引起回轉中心橡膠密封件性能的下降，威脅盾構施工的安全，本文根據廣州軌道交通六號線某標段的盾構施工情況，開展對泥水平衡盾構機泥餅形成機理和處治技術進行研究，取得明顯的效果。

地鐵施工;盾構區間;泥水平衡盾構機;粘土地層;刀盤泥餅;形成機理;防治技術技術

隨著城市高速的發展，地下軌道交通建設也飛速發展，盾構施工技術在城市軌道交通建設中的應用也越來越廣泛，給地下工程施工帶來了極大便利。但盾構機在中、強風化巖和粘土地層的掘進過程中，挖掘面的粘性土體受到刀盤的碾壓，極易自刀盤中心位置向四周逐步在刀盤面和土倉內壁上形成附著的泥餅，堅硬的泥餅將會把刀盤開口堵塞，嚴重降低了盾構機掘進能力。但在盾構施工中，往往受場地和地質條件的制約，不能采取人工開倉清除泥餅的處理措施。但是，土倉內一旦形成嚴重泥餅，將引起泥水盾構機土倉壓力的頻繁波動，不利于地面沉降的控制。在富水地層中，容易誘發土壓平衡盾構機噴涌現象，甚至發生地面塌方和盾構機損壞。此外，刀盤泥餅與土倉中隔板的長時間摩擦，會導致中隔板等位置的溫度快速升高，從而引起回轉中心橡膠密封件性能的下降，威脅盾構施工的安全。因此盾構施工的泥餅問題是盾構法施工領域內的一大難題所在，因此研究盾構防泥餅的技術具有深遠的意義。

泥餅是盾構刀盤切削下來的細小砂土顆粒、碎屑在土倉內重新聚集而成的半固結和固結狀的塊狀體，泥餅的存在加重盾了構機刀盤和刀具的負荷，常常使掘進參數出現突變，大大降低施工效率。早在半個世紀以前，日本和歐洲很早就就提出過這樣的問題，并在生產實踐中不斷探索解決的方法。

一、泥餅形成原因

在盾構掘進中容易形成泥餅的地層有可塑、硬塑狀的地層、粘土質砂土地層、泥巖、泥質粉砂巖、母巖為花崗巖的殘積土層、全風化巖層和強分化巖層，這幾類巖層富含粘土礦物顆粒，在刀具的切削和刀盤的沖擊作用下，巖塊變成碎屑和粉末狀，這些碎屑粉末狀的粘土顆粒是形成泥餅的基礎材料和前提條件。

盾構刀盤和刀具設計制造的缺陷誘導施工掘進中“泥餅”的產生，如刀盤中心區開口率小、刀具線速度低是泥巖和砂巖地層盾構掘進中結泥餅的重要因素;刀盤內的攪拌棒及幅條型式、數量是泥餅產生的另一因素。同時，刀具布置不合理會導致切削砂土的塊度不均、滾刀磨損，進而降低掘進和排土效率，導致泥餅產生。

除地層地質和刀盤刀具設計制造缺陷外，施工過程中的操作行為也是刀盤結泥餅的一個不可忽視的因素，如未能正確判斷復合地層下的盾構掘進模式，盾構掘進各種參數設置不合理;掘進施工中，渣土改良不到位(土壓平衡盾構)，或泥漿性能參數不合理(泥水平衡盾構);盾構機械維護保養存在問題，部分設備功能不能充分有效利用。

二、泥水平衡盾構結泥餅的防治技術

本文根據廣州軌道交通六號線某標段的盾構施工情況，僅對泥水平衡盾構機泥餅形成和處理進行分析和研究。

(一)泥水平衡盾構機的工作原理

基本工作原理是通過支撐環前面裝置隔板的泥水艙中注入適當壓力的泥漿使其在開挖面形成泥膜，支承正面土體，并由安裝在正面的大刀盤切削土體表層泥膜，即泥水對掘削面上的土體作用有一定的壓力(與推進力對應)，該壓力稱為泥水壓力。切削土體與泥水混合后，形成高密度泥漿，然后由泥漿泵及管道把泥漿輸送到地面處理。在泥水艙內和掌子面間建立泥水平衡是泥水盾構機掘進的根本要求，另外由于盾構掘進過程中，采用管片背填同步注漿(雙液漿或單液漿)方式來填充管片與圍巖的間隙，從而達到減小地層沉降，限制管片位移和變形，提高結構穩定性，加強隧道防水性能的目的。如此不斷循環完成掘削、排土、推進，因為是泥水壓力使掘削面穩定平衡，故稱為泥水平衡盾構。在該盾構區間施工中，采用2臺日本三菱泥水平衡盾構機進行施工，管片背填同步注漿采用雙液漿。

(二)工程概況

此盾構區間穿過的全風化帶、強風化帶、殘積土層、沖洪積土層所占比例接近21%，其中全風化帶、強風化帶巖性大部分為泥質粉砂巖，泥鈣質膠結，具遇水軟化特點，殘積土層亦具有遇水軟化特點，該地層粘粒含量較高，大部分為粉質粘土，特別是殘積土層、強風化帶泥質粉砂巖地層，易結泥餅。其中左線盾構機因提前進入了上述地層，未能及時采取增強土倉內循環等相關措施，風化泥質粉砂巖地層遇水軟化和刀盤掘進擠壓形成泥團堆積固結后將刀盤及刀盤牛腿包裹，致使刀盤出現空轉掘進效率低下，掘進速度由原來8～10環/d下降到2環/d，但因隧道上方覆土為淤泥質粉細砂等軟弱地層，且含水相當豐富、透水性極強，不具備開倉和化學處理條件。最終在盾構機前方從地面預先施做了加固體，在盾構機進入加固體后進行了開倉處理。

(三)防治措施

雖然盾構法施工的應用時間已經較長，刀盤發生結泥餅問題一直都是盾構法施工中的一大難題。但至今，也沒有一種能夠徹底消除盾構泥餅發生的技術方法。在施工技術上更多的是各個施工單位結合自己積累的施工經驗進行分析研究，主要集中在對泥水性能的控制和盾構掘進參數的控制選擇上。在對已形成的泥餅處理方面，主要還是采取人工開倉清除等方式。

1．盾構機設備改造

泥餅是在掘進過程中，泥質粉砂巖地層遇水軟化和刀盤掘進擠壓形成泥團堆積附著在刀盤及刀盤牛腿上，不斷碾壓后形成的。因而增強土倉內循環的能力，降低粘土的附著，對減輕盾構泥餅的形成有非常重要的作用。結合泥水盾構機環流系統的特點，設計了一套土倉內循環裝置，該裝置能同時進行刀盤注水和對刀盤中心開口處送入循環泥漿(見圖1)。

圖1 土倉循環示意圖

該裝置的旋轉管前端與刀盤連接，中部孔與刀盤注水通道相通，固定支座安裝在盾構機中隔板上，后端與循環泵的送泥管相連。在旋轉管內設置的隔板將管內分成兩個隔離的內腔。

循環泵將循環泥漿泵送至后腔，經過Y型管注入刀盤中心兩側。從而直接沖刷刀盤和增大循環流量。通過調節泵的轉速來獲得合適的泥漿流量。而另一路高壓自來水通過注水管及回轉接頭和水管進入旋轉管前腔，再到達中心開口。

通過刀盤中心位置注入大流量的循環泥漿，直接沖刷刀盤，沖掉尚未形成的泥餅，增大內循環流量，及時把切削下來的粘土帶走，阻止土團的相互粘結和研磨，從而不易結泥餅。不但所泵入的循環泥漿可以增加切削土體流塑性，而且注入的高壓自來水可以進一步稀釋泥漿粘度，提高盾構機排泥的輸送能力。有效防止盾構機刀盤面泥餅的形成。

同時，在盾構機土倉中隔板中部適當位置增加布設攪拌棒，以增加渣土流動性。也可以在一定程度上降低泥餅形成的速度。

調整刀具配置，增加刀具高度差，拉開各類切削刀具的高度差等方式，如采用的貝殼刮刀高出刀盤140mm，外圈滾刀高出刀盤140mm，為開挖面破除下來的碴土留出足夠的出碴空間，可有效減少渣土在刀盤中心滯留的時間，減小盾構機掘進時擠壓粘土形成泥餅的速度。

2．嚴格控制環流泥水性能參數

這是非常關鍵的因素，泥水盾構機在中、強風化巖和粘土地層的掘進過程中，必須及時用低比重優質泥漿置換土倉內高粘性土，防止土塊在刀盤和土倉附近堆積，保證刀盤開口處通暢。因此要選擇適合泥漿指標，并進行嚴格控制。

(1)掘進過程中，嚴格控制泥漿的各種性能指標，包括粘度、密度和析水率等。根據中、強風化巖和粘土地層巖土特性，通過對隧道洞身地層的抽芯土樣進行實驗，選取使用參數適合的低粘度、低密度、低失水性的泥漿。

(2)根據實驗結果，泥漿指標應控制為:密度1．05－1.15g/cm3;粘度18－20s。在掘進初期，往泥漿內添加潤滑劑(如工業洗滌劑)，可以有效減少巖石粉末和土層中的粘土附著在刀盤或已經形成的泥餅上的幾率，并且可以化解初步形成的泥餅。

(3)掘進過程中，泥漿會因渣土的溶解，引起泥漿粘度和比重的快速上升，導致循環泥漿渣土攜帶能力的嚴重下降，容易造成粘土團滯留在刀盤及土倉內。因此，在盾構掘進的過程中，要及時進行泥漿指標的實驗，必要時每5min就需監測一次。根據泥漿情況，通過泥漿處理設備排漿和連續加注清水的方式，稀釋粘稠的高濃度泥漿。

3．控制盾構掘進參數和環流系統的配置及操作

加強對盾構掘進參數的觀察，注意刀盤扭矩推力的異常變化。在掘進期間，保持循環泵和刀盤防泥餅裝置對刀盤不間斷的泥漿循環和對刀盤不間斷的沖洗，同時結合刀盤中心注水系統的使用。掘進完成后繼續進行泥漿循環，盡量排空刀盤及土倉內的渣土，防止其大量的附著。

加大送排泥漿流量。掘進過程中，避免采用逆循環推進模式，確保切削下的渣土及時得到排出，盡量避免刀盤進土口和土倉內渣土的粘結。

盾構機掘進速度不宜超過20mm/min，在刀盤扭矩不大的情況下，可以適當加快刀盤的轉速，減少大塊粘土產生的數量。此外，刀盤旋轉切削時，要經常進行正反向切換，不要長時間在同一方向旋轉。

掘進時要密切注意出渣量的變化，當發現出渣量異常減少時，要及時采取對土倉和刀盤實施循環清洗。在掘進過程中每掘30cm清洗一次土倉，防止土倉內結成泥餅。對土倉隔板的溫度也進行人工隨時探測。

調整環流中繼泵的設置距離，根據掘進地層的地質情況及可能出現的泥漿流體性狀及環流中繼泵的性能，隨著隧道線路的延長，調整環流中繼泵的布置距離，從而獲得最佳流體輸送效率。

4．刀盤泥餅在不開倉情況下的消除

對于輕微的泥餅現象，可以用泥漿或高壓水清洗刀盤。同時高速空轉刀盤，借助泥餅自身的離心力脫離出刀盤的表面。使用工業除垢劑或者漂白劑破壞粘土土質性狀，通過刀盤注水或清洗系統將注入工業除垢劑或者漂白劑注入刀盤處。在經過一段時間浸泡后，轉動刀盤攪拌，經過攪拌。可顯著瓦解刀盤表面泥餅的結塊情況。

5．開倉清除刀盤泥餅

在地質條件好的地方比較容易實現氣壓或者常壓開倉，人工進入采取高壓水切割或者其它機械方式實施清除。由于泥餅是經過長時間擠壓受熱后形成，硬度極大，需要較長的清除時間。而在地質較軟，或者富水地層中進行人工開倉清除泥餅，安全風險就比較大，而且準備的工作多，時間長。必要時，還必須在地面加固配合的條件下才能進行，費用也高。因而人工開倉清除泥餅具有局限性和較大的安全風險。

三、結論

1．在有可塑、硬塑狀的地層進行盾構掘進中容易形成泥餅，當富含粘土礦物顆粒，在刀具的切削和刀盤的沖擊作用下，巖土碎屑粉末狀的粘土顆粒是形成泥餅的基礎材料和前提條件。

2．在盾構機設計制造階段對盾構機結構和系統進行改進，如加大刀盤中心開口率，改進泥水盾構機環流系統配置，改善土倉內循環的效果，可有效防止泥餅的形成。

3．根據實驗結果，選擇合適的泥漿參數，甚至可在泥漿中添加工業洗滌劑等物質作為潤滑劑，以極大降低粘土間相互結合的能力。

4．加強盾構掘進施工管理，嚴格控制掘進參數，做好環流系統的配置，根據盾構掘進地層的不同地質情況，及時調整操作方式。

［1］周文波．盾構法隧道施工技術及應用［M］．北京:中國建筑工業出版社，2004．

［2］程曉．盾構施工技術［M］．上海:上海科學技術文獻出版社，1990．

［3］竺維彬，鞠世健．盾構施工泥餅(次生巖塊)成因及對策［J］．地鐵科技，2002．

［4］劉德智，雷金山．廣州地鐵淤砂層明挖區間圍護工程涌水涌砂分析與處治技術［J］．長沙鐵道學院學報(社會科學版)，2009，(2):199－201．

2011－04－21

陳喬松(1969－)，男，高級工程師，碩士。