分散劑在大直徑泥水盾構粉質黏土層掘進中的應用

閻向林

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司）

泥水盾構在黏性土地層施工中刀盤易結泥餅導致施工效率低下，常規辦法只能采取通過停機帶壓進倉人工清理的方式進行處理，而人工清理不僅工作效率低、風險大，還占用直線工期，不能從根本上解決問題。有學者指出，當地層中的黏土礦物＞25%時，刀盤將發生結泥餅現象[1]；當渣土的塑性指數＞20%時，盾構中發生“堵塞”的風險大大提高[2]。豫機城鐵項目一標與天津深諾科技有限公司聯合研發的高分子材料SN-203 型分散劑可以通過直接作用在刀盤泥餅表面，在短時間內促使黏土顆粒分離，有效克服泥水盾構在黏土地層掘進結泥餅，極大提高了掘進效率。

1 概況

1.1 工程概況

豫機城際鐵路一標自鄭機城際鐵路設計終點DK39+403.418 引出，至鄭州南站城際場DK50+200，隧道全長3.8km，為單洞雙線隧道。盾構隧道采用圓形斷面，斷面內徑11.3m，管片厚度550mm。

1.2 地質概況

地層情況從上至下依次為粉砂、粉土、粉質黏土、細砂層，具體地層情況如圖1 所示，盾構隧道洞身大部分處于粉質黏土層中，局部地段穿越粉砂、細砂，地質情況統計如表1 所示。隧道拱頂埋深10.26m～31.07m，洞身基本處于潛水～承壓水中。

2 理論試驗

圖1 地質縱斷面圖（單位：m）

表1 盾構隧道地質情況統計

相同含水率時，加入分散劑后土樣的抗剪強度降低，土樣的液限和塑限也逐漸減小；當分散劑添加量較大時，黏土顆粒的邊角帶正電處被分散劑中的陰離子占滿，分散劑作用效果減弱[3]，因此為達到最佳分散效果，有必對分散劑配比進行試驗。

取預篩出渣的黏土塊，分割成0.05m3大小渣樣分別放入100ml 不同配比的分散劑水溶液靜置如表2 所示，在相同作用時間后對效果進行對比分析，如圖2、圖3、圖4 所示。

表2 實驗數據

圖2 黏土試塊

圖3 不同配比分散劑

圖4 試驗效果圖

由以上試驗對比可以得出，當分散劑濃度達到4%以上時，黏土塊溶有明顯溶解；當溶液濃度達到10%靜置30min 后，黏土快速分解，有形成泥漿的趨勢，如圖5所示。

3 工程應用

豫機城際項目一標所使用的DZ268 盾構機，開挖輪廓12.81m，前盾直徑12.77m，經估算開挖倉及氣墊倉可分別容納漿液約200m3；本次工程實驗共分5 次進行：

⑴試驗一：在停機后在開挖倉內注入1m3分散劑，在氣墊倉注入0.5m3分散劑。刀盤10min 轉動一次，停機24h 后恢復掘進，刀盤扭矩由約14000kN·m 減小到約8000kN·m，推力由約70000kN 減小到約58000kN，速度由10mm/min 增加到20mm/min。恢復掘進后可持續2～3環，第3 環參數開始逐漸惡化。

⑵試驗二：盾構機檢修時，在停機后在開挖倉內注入1m3分散劑，在氣墊倉注入0.5m3分散劑。刀盤10min轉動一次，停機1h 后恢復掘進，刀盤扭矩由約14000kN·m 減小到約8000kN·m，推力由約70000kN 減小到約58000kN，速度由10mm/min 增加到20mm/min。參數可持續約2 環，第2 環參數開始惡化。

⑶試驗三：盾構機檢修時，在停機后在開挖倉內注入1m3分散劑。刀盤10min 轉動一次，停機1h 后恢復掘進，刀盤扭矩由約14000kN·m 減小到約8000kN·m，推力由約70000kN 減小到約58000kN，速度由10mm/min 增加到20mm/min。參數可持續約2 環，第2 環后半段參數開始惡化。

⑷試驗四：盾構機檢修時，在停機后在開挖倉內注入0.5m3分散劑。刀盤10min 轉動一次，停機1h 后恢復掘進，刀盤扭矩由約14000kN·m 減小到約9000kN·m，推力由約70000kN 減小到約65000kN，速度由10mm/min增加到20mm/min。參數可持續約2 環，第2 環后半段參數開始惡化。

⑸試驗五：在1091 環帶壓進倉作業期間進行了一次分散劑實驗：開倉檢查發現刀盤只剩余2 個大開口，其余開口全部死刀，箱內全部堵塞，牛腿堵塞，人工清理進度緩慢，一倉僅可完成一個刀箱清理及一把刀具更換工作（以往開倉工作效率約為一倉清理更換兩把刀）。第十一倉進倉結束后利用修復泥膜時間，開挖倉能充滿泥漿，氣墊倉內保持半倉（液位約0），開挖倉內注入1m3分散劑，在氣墊倉注入0.5m3分散劑。刀盤10min 轉動一次，分散劑浸泡時間約10h 后，修復泥膜，保壓試驗再次進倉。進倉后人員發現刀盤大開口基本泡開，小開口及刀箱內堵塞粘土已掉落10～20cm。

結論：分散劑可以有效分解刀盤開口堵塞、刀盤背面牛腿淤塞。

4 工程實施措施

⑴預防泥餅：在接泥漿管時停機的大約1h 時間內，向前倉注入0.5m3分散劑，10min 轉動一次刀盤。

⑵分散泥餅：在設備檢修或倒班或其他原因長時間停機時，向前倉注入0.5m3分散劑，氣墊倉注入0.5m3分散劑。

5 使用效果分析

盾構機泥漿管頻率為4 環/次，通過采用接泥漿管時注入分散劑并浸泡約1h，可有效降低接管后的兩環的推力、扭矩，提高掘進效率，避免參數持續惡化，預防刀盤結泥餅。在長時間停機時用分散劑浸泡，可有效消除刀盤開口及刀盤背面牛腿見淤塞黏土。

通過在盾構施工中掘進，使用優缺點如下所述：

⑴優點：分解倉內堆渣；減少堵倉發生、提高出渣效率；減小刀盤扭矩約25%；減小推力約25%；提高掘進速度30%。

⑵缺點：泥漿比重上升較快；泥漿泵運行負荷增加；棄漿量增加。

6 結束語

根據泥水盾構每推進數（3～4）環必須停機進行管路延伸，針對粉質黏土層調制原液配比，最終調制好的分散劑溶液可以在2h 達80%的效果，為類似地層施工項目提供了參考。但單純增加使用量與作用時間并不能帶來清除泥餅效果的明顯提升，需要根據本工程地質條件進行調整才能達到最大使用效果。