泥巖地層中的泥水盾構掘進施工技術

邵帥

（中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，湖北武漢 430000）

0 引言

泥水盾構機由于泥水壓力波動小、控制精度高、對開挖面土層支護更為穩定、對地表變形控制精度高等特點被廣泛應用于城市軌道交通及穿越江、河、湖、海等隧道建設中，掘進技術如圖1 所示。泥水盾構在泥巖地層施工中，由于泥漿的原因刀盤更易結泥餅，進而導致滯排、刀具切削能力下降、施工參數惡化等，施工效率急劇下降。因此，如何使泥水盾構在此類地層施工提高施工效率至關重要。

圖1 泥水盾構掘進技術

1 泥巖地層掘進重難點分析

（1）強風化粉砂質泥巖地層在地層成分中占比例最大，呈半巖半土狀，微膨脹性，具有一定黏性。泥水盾構掘進時極易出現扭矩大、出渣不暢、糊刀盤、棄漿量大及堵塞泥漿門、格柵、循環管路等現象，造成盾構掘進困難，導致帶壓進倉二次風險等。

（2）全斷面中風化粉砂質泥巖地層，巖體較為完整，具有一定強度。全盤撕裂刀泥水盾構在此地層中掘進時已出現掘進速度緩慢、扭矩大、卡刀盤、泥漿管路磨損、刀具磨損，情況嚴重時易出現損害設備等問題。

2 泥水盾構掘進施工技術

2.1 掘進前準備工作

（1）前盾面板中心區域增加兩路管路對刀盤進行沖刷。減少沖刷水在刀盤泥漿中壓力損失，保證沖刷水能有效沖至刀盤。

（2）安裝兩臺132kW 沖刷泵（渣漿泵）。一臺為刀盤中心區域沖刷，另一臺為高位刀及幅條進行沖刷，其泵流量為204m3/h，泵揚程 87．5m。

（3）改善泥漿門沉渣情況，增強攪拌效果，促進泥漿循環快速出渣。

（4）因盾構機掘進主要為強風化粉砂質泥巖，為防止刀盤結泥餅，盾構機始發刀具采用全盤撕裂刀。

泥水盾構機根據對泥漿壓力控制方式的不同，分為直接控制型和間接控制（氣墊式）型。與直接控制型相比，間接控制型泥水平衡盾構機操作控制更為簡化，泥水壓力波動小，控制精度高，對開挖面土層支護更為穩定，國內、外大直徑或超大直徑泥水盾構均已采用間接控制型。而無論間接型還是直接型在掘進時均向前倉注滿飽和泥漿狀態下掘進。

2.2 飽和泥漿掘進

采用飽和泥漿掘進，在全斷面泥巖地層掘進一段距離后，隨著刀盤泥餅增多，各項參數會逐漸惡化，需要階段性帶壓進倉清理泥餅后再恢復掘進，一般工程在1400 環舉行帶壓進倉清理刀盤泥餅后恢復掘進。由施工經驗得出，在盾構掘進一段距離后，掘進參數惡化明顯，在1435~1470 環期間推力增大至70000~90000kN，扭矩減小至12000~19000kNm，速度降至5—0mm/min波動；在全斷面泥巖地層飽和泥漿掘進存在以下幾點問題：

（1）隨著刀盤泥餅增加，掘進速度降低、推力增大、各項掘進參數惡化嚴重，掘進效率低下；

（2）速度降低后，切削下的渣土不能有效分離，會逐漸溶解至漿液中，泥漿中細顆粒增多，漿液比重增大，不僅導致泥漿處理能力下降，還會導致泥漿攜渣能力下降，進一步降低掘進效率；

（3）長期設備高負荷工作，主機、刀盤發熱量增加，泥餅越結越多、越硬。

2.3 輔助氣壓法掘進原理及應用

采取輔助氣壓法掘進的前提條件是在保證掌子面土體穩定的氣壓下，地面不能被擊穿。大直徑盾構因需穿越河湖海等，普遍在掘進中段埋深較大，采用輔助氣壓法掘進時，掘進埋深更大。

2.3.1 輔助氣壓法工作原理

泥水盾構采用輔助氣壓掘進是將壓縮空氣填充至前倉上半部與下半部的泥漿以平衡掌子面、盾構三大密封系統的油脂。通常情況下，壓縮空氣的流動速度大于泥漿的流速，泥漿的流速大于渣土的流速。刀盤切削土體，造成出現空隙后，壓縮空氣與泥漿會立即對空隙填充，而壓縮空氣會逐漸逼退泥漿占有的空間。

2.3.2 輔助氣壓法工法

（1）壓力設定：以盾構機直徑12.81m 為例，頂部與中部壓差接近0.6bar；為維持掌子面穩定，液位控制在腰線以上2m，上半倉氣壓設定值與飽和泥漿掘進中部腰線壓力值持平；通過前倉布置的5 個壓力傳感器監測前倉壓縮空氣與泥漿壓力變化。液位設定：

（1）原則上僅在全斷面泥巖地層使用輔助氣壓掘進；

（2）為保證掌子面穩定，液位設定在腰線以上2m。

2.3.3 輔助氣壓法應用效果分析

一般在采取輔助氣壓法掘進后，速度逐漸在半小時內增加至20—40mm/min，扭矩與推力均有明顯下降；將掘進模式調整為輔助氣壓掘進后出渣黏土塊明顯增加。采用輔助氣壓法掘進后，地表沉降值也控制在合理的區間，最大沉降值為-6.9mm。

2.4 輔助氣壓法掘進特點和風險控制

2.4.1 輔助氣壓法掘進特點

（1）前倉用壓縮空氣替換泥漿后，刀盤背部與沖刷管路之間缺少泥漿填充，使泥漿循環的沖刷管路可以直接對刀盤背部進行沖洗，有助于延緩泥餅的膠結；

（2）上半部掌子面因為沒有了泥漿，沒有辦法形成泥膜，刀盤對掌子面進行切削后，沒有了泥漿護壁的渣土更加容易掉落，更利于出渣；

（3）開挖面上半部填充壓縮空氣，導致上半部壓力相同，相當于降低了部分壓力，客觀上降低了推力；

（4）實踐證明，壓縮空氣與泥漿的交界面在液位波動過程中，客觀上對刀盤起沖刷作用。

2.4.2 輔助氣壓法掘進的風險及其控制

（1）改用輔助氣壓法掘進后，各項掘進參數穩定，最大日進尺10 環，但由于刀盤轉動時可能直接沖刷到掌子面，影響泥膜的形成，另外半倉氣壓模式掘進也存在一定風險，所以需在地層變換時及時改變掘進模式及管路切換，防止出現掌子面坍塌。

（2）停機時注意：因泥水盾構機接管期間必須停機，而輔助氣壓法掘進前倉頂部泥漿被空氣填充，泥漿在刀盤轉運時直接沖刷掌子面，掌子面泥膜易被破壞，預估停機超過2h 即進行建倉。

（3）壓力與液位控制：為保證掌子面穩定，倉壓瞬時波動超過±0.3bar 與液位瞬時波動超過±1m 出現較大波動后，立即建倉，恢復飽和泥漿泥水模式。

（4）參數控制：注意各項參數，尤其是倉壓、液位的波動情況，注意觀測地面沉降值，如發現異常應及時恢復間接式泥水平衡循環。

2.5 控制盾構隧道參數

盾構掘進參數主要包括推進速度、推力、刀盤扭矩、刀盤速度、攪拌速度和泥漿流量。當盾構進入泥巖地層時，盾構參數最直觀的體現是推力和刀盤扭矩的增加，前進速度的減小。推力從最初的8000kN 增加到10000~20000kN，刀盤扭矩從800kNm 增大到1200kNm 至3000kNm 增大到3500kNm，推進速度從35mm/min減小到40mm/min 至10 至15mm/min。由于泥巖地層易于堵塞筒倉和管道，因此有必要平衡盾構的掘進參數，以確保順利排渣和最大推進速度。在不斷優化參數以找到平衡點之后，將參數調整為：推進速度降低至 10—15mm/min，刀盤扭矩為 2500~3000kNm，推力為15000~18000kN。為了破碎和切碎渣塊，刀頭的轉速提高到1.8~2r/min；為了盡早排渣，避免積渣后堵塞管道，將攪拌機轉速調至30—35r/min，進、出料漿流速提高到850—900m3/h。

進入泥巖地層時，泥漿的黏度和比重會迅速增加，筒倉內的壓力波動會很大，并且盾構擋住筒倉和管道的現象會很明顯，難以開挖。為了平穩地排出污泥，需要降低泥漿的粘度和比重。經過多次試驗和比較，全斷面泥巖開挖的泥漿粘度控制在16—20s范圍內，比重控制在1.06~1.12g/cm3范圍內，保證泥漿的能力。

3 總結

在泥巖地層及相似地層中，輔助氣壓掘進能較大的提高施工效率，本研究為以后為類似粉質黏土地層泥水盾構的設計及施工提供了參考依據，是一次寶貴的經驗。