超大直徑泥水盾構常壓刀盤防結泥餅措施的探討

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

隨著城市化建設進程加快和地下空間不斷開發，超大直徑泥水盾構施工在穿越江、河、湖、海等復雜水文地質條件的隧道工程得到廣泛應用。大直徑泥水盾構的隧道斷面一次成型，因能承受高水壓下掘進和在常壓下更換刀具而被廣泛地應用于穿越江、河、湖、海等復雜地質的隧道建設中。此類盾構配備的常壓刀盤一般開口偏小，在面對淤泥質土類、黏土類具有低承載力、高壓縮性的地質更容易引起刀盤結泥餅。刀盤結泥餅會阻礙排漿口，增大盾構刀盤扭矩，影響施工的安全和進度。本文結合工程實際，研究大直徑泥水盾構結泥餅的主要原因，找出防治刀盤結泥餅的一些措施。

1 工程概況

某海灣盾構隧道工程長約3 000m，采用直徑?15m 的泥水平衡盾構掘進，配置常壓刀盤。盾構掘進施工范圍內地層以淤泥、淤泥混砂、淤泥質土為主；局部地層中摻雜粉質黏土、中粗砂、粉細砂；在隧道進出口段隧道范圍的基巖中含微風化、中風化花崗巖。

2 泥餅形成的主要原因

泥餅是盾構刀盤切削的小顆粒、殘渣在土艙內與刀盤附近匯集而成半固結和固結的塊狀體。根據以往施工經驗分析，泥餅形成的主要原因一般分為以下幾點。

2.1 地質原因

在盾構施工過程中容易形成泥餅的地層主要有黏土類地層和母巖為花崗巖的殘積土層等。

一般而言，在花崗巖風化的過程中，只有微量元素會淋濾流失，如Ca、Na、K，而Si、A1類礦物多數得以保留。殘積的花崗巖及全風化、強風化地層中，雖然還存有長石類礦物晶體結構的表面，內部已風化成為黏土礦物，并且其總含量基本保持未變。這類花崗巖一旦遇水或者卸荷，礦物晶體結構的表面就被破壞，黏土礦物吸收水分后發生擴張，在不同含水量的情況下顯示出流動性和粘結性。泥餅形成的物質基礎是黏土礦物。

2.2 盾構選型

盾構施工是否形成泥餅的關鍵原因是選型，與泥餅形成相關的因素主要有盾構系統刀盤配置、渣土攪拌、泥漿沖刷等系統。

2.2.1 刀盤系統

開口率是造成盾構施工中結泥餅的重要因素，本工程盾構刀盤為常壓換刀刀盤，開口率僅為28%，刀盤厚度較大，刀孔為封閉狀，渣土的流動性較差。

刀盤中心部位采用6 組雙聯滾刀，造成刀盤中心區域幾乎無空隙，粘性顆粒在刀盤中心附近集聚容易形成板結泥餅。主梁與輔梁的中間焊有筋板相連，將輔梁分割成為4 個獨立的小格，渣土流動不暢時極易將小格填滿形成泥餅。刀具配置為6 個主梁面板上安裝常壓可更換滾刀和常壓可更換刮刀以及帶壓刮刀，6 個輔梁上全部為帶壓刮刀，其中常壓滾刀突出刀盤面板225mm，常壓刮刀突出刀盤面板185mm，刀的高差為40mm。在黏土地層掘進時，黏土極易粘結于滾刀刀筒附近造成滾刀無法轉動使滾刀出現旋磨，導致滾刀和刮刀的高差進一步變小，最后使刀盤行成大面積泥餅。刀盤結構形式圖如圖1 所示。

圖1 刀盤結構圖

2.2.2 渣土攪拌系統

在盾構土艙內對渣土起攪拌作用的裝置主要有3 類。一種是刀盤支持梁，它隨著刀盤的轉動攪拌艙內的渣土；二是活動式攪拌棒，它固定在刀盤的背后面板和刀盤的側面；三是固定式攪拌棒，它大多安裝在盾體前艙艙壁上。攪拌臂的長度及其可靠性影響著泥水艙底部的渣土流動，如果對渣土的攪拌松動不足，渣土容易集聚阻礙吸漿口進而增加刀盤行成泥餅的概率。

2.2.3 沖刷系統

在施工過程中，對刀盤和艙內的沖刷流量不足或沖刷管路設計角度不當等都會使刀盤結泥餅概率增加。

2.3 掘進參數的控制

施工過程中盾構的參數控制也是造成刀盤結泥餅的一個重大因素。若是不能根據地層變化的情況調節參數；對刀盤結泥餅后導致的參數變化缺少理解，將造成掘進困難、泥餅進一步形成。

3 防結泥餅措施

3.1 盾構設計制造

為解決刀盤中心區域大面積無泄渣口、渣土停留，刀盤中心面板區域和主梁面板設置有沖洗口，最大流量可達1 500m3/h，沖刷方向為刀盤徑向方向，用于沖掉尚未形成的泥餅，即不會損傷掌子面泥膜，又能有效解決刀盤面板區域渣土滯留問題，降低刀盤面板泥餅的形成概率。刀盤面板沖刷如圖2 所示。在刀盤開口夾角位置，為了防止由于開口不暢堵塞而形成泥餅，在主梁側面預留沖刷噴口。

圖2 刀盤沖刷示意圖

3.2 控制盾構掘進參數

加強對盾構施工過程中參數的觀察分析，及時地調整推進的速度和刀盤旋轉的速度，時刻注意刀盤扭矩和總推力的變化。掘進施工過程中推進速度不應過快，如果刀盤扭矩不大，可以考慮適當加快刀盤轉速，減少大塊粘土生成幾率。此外，要經常改換刀盤的正反向，不宜讓刀盤長時間在同一方向工作。

掘進至容易結泥餅的地質時要加大對泥漿環流系統的控制力度。加大進出泥漿流量，保證渣土及時排走，時刻注意出渣量的變化，當出渣的量反常時，停止推進并對土倉和刀盤進行清倉。

根據本工程地質勘探資料，在掘進至不良地層時為了防止刀盤結泥餅，開始降低并控制泥漿比重，在每掘進50cm 時停機循環清艙1 次，每次清艙時間不少于10min。從表1 部分掘進參數統計表可以看出，經采取上述程序后，總的推力和刀盤扭矩等參數出現縮小趨勢，表明刀盤結泥餅現象得到改善。

表1 部分掘進參數統計表

3.3 嚴格控制泥漿質量

泥水盾構在粘土和中、強風化巖地層施工時，需要用低比重泥漿更換土倉內的高粘性土，以阻止土塊在刀盤和土倉附近集聚。因此要嚴格控制泥漿的質量。

1）施工過程中，嚴控泥漿的各種數值。根據粘土地層和中、強風化巖巖土特點，通過對施工土層的取樣進行實驗，選用適合工程實際的泥漿。

2）根據實驗結果，控制的主要值應為：黏稠度18～20s；密度1.05～1.15g/cm3。在掘進初期，可以往泥漿內添加藥劑，減少刀盤上形成泥餅的幾率。

3）施工過程中，泥漿會因為渣土的溶解，引起泥漿參數的升高，使泥漿對渣土的攜帶力下降，容易造成粘土在刀盤倉內滯留。因此，在盾構施工過程中，要及時對泥漿的指標進行檢測，特殊情況下每5min 檢測一次。如果泥漿指標超高，通過排漿設備抽走超標漿液或添加清水，稀釋高濃度泥漿。

3.4 增加水刀沖刷設備

在施工中項目部根據盾構具體情況訂制一套鉆桿式高壓沖刷設備，安裝于盾體內適宜位置，在工序停機期間將沖刷鉆桿從艙壁隔板預留孔伸入刀盤開口內進行旋轉式沖刷。該套沖刷設備由鉆進系統和高壓水系統組成，在鉆頭部位安裝高壓噴頭，鉆桿內部為高壓水通道，后部拖車安裝兩套高壓水泵，通過變頻器控制水泵水壓大小。根據本工程使用經驗，沖刷水壓力控制在300bar時對刀盤開口的沖刷效果較好，較好地預防了刀盤開口處結泥餅的現象。沖刷裝置原理如圖3 所示。

圖3 沖刷裝置示意圖

4 結語

盾構的選型和掘進過程中各參數的控制對于泥餅的預防和治理十分重要。雖然目前我國的盾構施工技術已日趨成熟，但盾構刀盤結泥餅現象這一問題仍未得到徹底解決，仍然屬于一個長期性的研究課題。