泥巖復合地層刀盤泥餅成因及防治技術

焦寶珊

一、工程概況

某某工程穿越江隧道長2.65km，隧道外徑6.2m，采用2臺氣墊平衡式泥水平衡盾構機施工，開挖直徑6480mm，是該城市首臺泥水盾構穿越湘江地鐵隧道。區間線路依次下穿湘江中路、湘江東岸防洪大堤、湘江東河汊、橘子洲（景區）、湘江西河汊、湘江西岸防洪大堤、瀟湘中路、岳麓教科新村等諸多風險源，且存在溶洞發育區、巖層斷裂碎裂帶等不良地質，施工難度極大、風險極高。區間最大水土壓力為3.2Bar，最大覆土深度28.5m，最大水深15.2m。

區間隧道主要穿越地層為:＜7-3-2＞強風化礫巖、＜7-3-3＞中風化礫巖、＜7-2-2＞強風化泥質粉砂巖、＜7-2-3＞中風化泥質粉砂巖、＜11-1-2＞強風化砂巖、＜11-1-3＞中風化砂巖、＜11-3-3＞中風化灰巖、＜11-3-4＞微風化灰巖。其中，中風化礫巖夾雜泥質粉砂巖復合地層，具有富含粘土礦物質顆粒、泥鈣質膠結、遇水軟化的特點，該地層粘粒含量較高，大部分為粉質粘土，特別容易導致刀盤結泥餅。

自盾構機進入泥巖復合地層以來，盾構機刀盤中心體多次出現結泥餅現象，最直接的表現為：推進油缸推力大為增加，刀盤驅動力矩維持在臨界高位，泥水環流預篩分出渣減少，刀盤慣入度大為減少，掘進速度降低，嚴重制約了生產工期。另外，單環推進泥漿指標過高，泥漿粘稠，產生較多廢漿，增加了廢漿處理成本。

二、刀盤結泥餅成因分析

1.地層原因

區間隧道穿越的主要地層為泥質粉砂巖、中風化礫巖及強風化礫巖，此巖層成分膠結物成分含量很高，泥質鈣結，具有富含粘土礦物質顆粒（粒徑在2μm以下的細顆粒，即粘泥）、遇水軟化的特點，在該地層掘進時刀盤切削巖塊遇水極易形成粘泥，粘泥的附著力極強，極易附著在金屬結構表面，裹結在刀盤上形成泥餅，此外通過刀盤擠壓可形成較多泥團，粒徑20cm～30cm不等。盾構機掘進至該地層時，從泥水分離設備預篩分出渣可判斷地層為泥巖復合地層，出渣碎石塊減少，泥團量逐漸增多，同時掘進參數出現突變，扭矩、推力增大，推進速度降低，數據參數嚴重不匹配，表明刀盤已形成泥餅。

2.刀盤面板稍大

刀盤開口率較小（38%）且面板較大，面板上及中心區域無沖刷口。粘泥附著力較強，在泥水的浸泡下軟化，更容易粘附在刀盤面板及開口的結構表面，而又無較強的流體及時沖刷掉，粘泥越積越多將刀盤開口處堵塞，在刀盤的擠壓力下附著的粘泥壓實成密實的塊狀體，進一步阻止切削的渣土進入開挖倉，最后在刀盤前面形成密實的餅狀泥塊，當泥塊厚度超過刀具切削的高度，刀具無法對掌子面形成有效的切削，此時推力驟然增大，而推進速度很小，無法正常推進，造成了結泥餅現象。

3.沖刷系統能力不足

沖刷系統的動力為一臺90kW的泥漿泵，流量300m3/h，揚程80m。沖刷口主要為中心沖刷（中心滾刀后面）和輻條滾刀沖刷，4個輻條上每條布置3個沖刷口對著滾刀沖刷。中心沖刷口口徑為50mm，輻條上沖刷口較多，加上中心沖刷口，估算每個輻條沖刷口沖刷流量僅為20m3/h。到刀盤上的沖刷管彎道較多，沿程損失較大，泥漿流體到達沖刷口時壓力大大減小，沖刷效果不佳。而刀盤沖刷口位置布置也不合理，極易形成泥餅的面板上沒有一個沖刷口，因此此沖刷系統對刀盤泥餅產生的防止作用很有限。

三、應對措施及改造方案

1.人工進倉，清理刀盤泥餅

根據地質特征分析，該地層自穩性較好，裂隙不發育，且盾構機正處于陸地段，上部覆土較厚，通過觀察掌子面非常穩定，水量較小可控，故采用常壓進倉清除刀盤泥餅。

常壓人工進入開挖艙分別利用高壓水切割、液壓鎬鑿除、手動鋼釬鑿除等方式，徹底清除已板結的厚泥餅，恢復原有的光界面及流通通道，保證了切削下來的渣土進入開倉的暢通，最后利用泥水環流系統排出倉底堆積渣土。此外，需及時掌握包含總推力、貫入度在內的各項掘進參數的實際情況，采取常態化預防機制，定期進倉清餅，實現對泥餅厚度的有效控制，以免泥餅過厚。

2.改造刀盤沖刷系統

（1）結合地質特點和刀盤構造，在刀盤面板增加沖刷點，提高沖刷能力（范圍和流量），及時沖掉粘結在面板泥塊，降低刀盤面板結泥餅機率。

（2）刀盤沖刷管路V11，改造格柵沖刷管路V3、V4：改變原有沖刷嘴的形狀和角度，沖刷口由圓形改為鴨嘴性，挺高沖刷動能。延伸V11長度，通過沖刷刀盤的方式清理該處殘留的泥餅，適當加大內循環流量，將切削所得的粘土清理干凈。通過泵入泥漿的作用可提高切削所得土體的流塑性，同時輔以適量的高壓水，有助于降低泥漿粘度，由此提高盾構機的排泥能力，有效避免刀盤面出現泥餅現象。增設攪拌棒并將其安裝在開挖艙中隔板處，此舉有助于提高渣土的流動性，阻止泥餅的形成。

（3）拆除排漿口格柵，提高泥團通過率，保證泥水環流出渣順暢，避免積倉。

3.調整掘進模式及參數

（1）加強對盾構掘進參數的觀察，及時監測刀盤扭矩推力的實際值，明確其是否存在異常變化。掘進過程中持續運行循環泵和防泥餅裝置，從而不斷沖洗刀盤，此過程中刀盤中心注水系統協同運行，解決泥漿結餅問題。結束掘進作業后依然要維持泥漿循環狀態，其目的在于深度清理刀盤和開挖艙內的渣土，以免發生渣土大量聚集的現象。

（2）提高送排泥漿流量。經切削處理后所得的渣土應得到及時的清理，不宜采用逆循環推進的模式，否則易增加刀盤的渣土堆積量。

（3）盾構機運行期間，應保證掘進速度穩定在20mm/min以內，若刀盤扭矩處于相對較小的狀態可適當加快刀盤的轉速，從而減少大塊粘土的數量。刀盤旋轉切削過程中需要時常執行正反向切換操作，避免長時間維持相同方向旋轉的情況。掘進期間及時觀察出渣量，若異常減少則表明開挖艙和刀盤已發生渣土堆積現象，此時應及時清理。定期清洗開挖艙，非特殊情況下每掘進30cm執行一次，及時檢測開挖艙隔板的溫度，以便掌握開挖艙的整體工作狀況。

（4）調整盾構掘進模式，由“滿倉模式”調整為“半倉欠壓模式”推進，該模式適用于自穩性較好、水流量較小和隔氣性相對較好的地層，可解決刀盤結泥餅問題，既降低了刀盤扭矩及總推力，又提高了推進速度。

（5）泥水盾構機在復合地層的掘進過程中，必須及時用低比重優質泥漿置換開挖艙內高指標泥漿，防止土塊在刀盤和開挖艙附近堆積，保證刀盤開口處通暢。因此要選擇適合泥漿指標并嚴格控制。

由于該地層自造漿能力強，渣土發生溶解后將促使泥漿粘度和比重大幅提高，嚴重制約循環泥漿的作用，降低攜帶渣土的能力，若此問題未得到及時處理將明顯增多刀盤和開挖艙的粘土團。對此，盾構掘進時應檢測泥漿指標，條件允許時每環監測三次。以泥漿實際情況為出發點合理調整排漿方式，適時加注清水，保證泥漿濃度維持在合理的范圍內。

四、結語

綜上所述，本區間泥水盾構在泥巖復合地層中的掘進施工順利完成，經總結得出如下結論：

1.針對可塑、硬塑狀地層的掘進作業，伴隨施工時間的延長容易形成泥餅，此現象在富含粘土礦物顆粒的條件下更為明顯，刀具和刀盤將提供切削作用，由此產生大量的粉末狀粘土顆粒并大量聚集，隨之形成泥餅。

2.盾構機設計制造過程中應從結構特點出發，采取合適的改進措施，如加大刀盤中心開口率、優化開挖艙內循環運行機制等，由此避免泥餅現象。

3.結合該地層特點（自造漿能力強），必須選擇合適的泥漿參數，采用低指標泥漿推進，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。