上軟下硬地層大直徑泥水盾構刀盤泥餅成因分析及防治措施*

潘興良

(中鐵七局集團有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

我國城市化發展快速，為緩解日益突出的城市交通壓力，開發利用地下空間已成為城市進一步發展的必然路徑。盾構法因其對環境影響小、施工速度快、自動化程度高、勞動強度低、隧道結構質量易保證等優點，被廣泛應用于城市軌道交通區間隧道施工中[1]。由于前期勘察設計存在缺陷，盾構穿越復雜地層時極易出現刀盤結泥餅的工程技術難題[2]。刀盤泥餅指刀盤切削下來的細小顆粒、碎屑重新黏附在刀盤中心或開口區域而形成的半固體、固體狀的塊狀體[3]。刀盤一旦形成泥餅，盾構掘進速度將顯著下降，嚴重影響工程的施工進度。對此，國內學者對刀盤結泥餅這一工程技術難題進行了不同方面的研究。王助鋒等[4]針對泥質粉砂巖地質條件下盾構施工過程中出現的刀盤結泥餅、渣土結泥團等不良現象，從刀盤開口率設計、刀具布置及刀高設置優化等方面對刀盤、刀具配置開展針對性設計，以改善結泥餅現象。李小康[5]、劉輝等[6]從盾構刀盤開口、刀具中滾刀與刮刀位置關系、掘進過程中的加水設施及添加劑的應用、施工管理等方面提出施工中結泥餅問題的預處理措施。傅鑫暉等[7]從渣土改良、掘進模式、參數控制等方面提出防止泥餅形成的施工措施。田世文[8]在局部黏土地層條件下，對泥水盾構刀盤泥餅防治技術進行分析研究。李志軍等[9]從盾構穿越的地質情況、盾構設備選型、泥漿指標、盾構施工過程控制等方面對刀盤結泥餅的形成機理進行深入分析。郭慶彪[10]以廣州市軌道交通4號線南延段某區間隧道工程為例，采用半倉氣壓法進行渣土置換。賈璐等[11]從工程水文地質條件、刀盤結構、掘進過程中參數控制3方面分析泥餅形成機理，對相關系統進行優化創新。

本文在前人研究成果的基礎上，針對上軟下硬地層，基于杭州市環城北路—天目山路提升改造工程，通過分析泥餅形成原因，提出相應的防治措施，以為類似工程提供解決問題的思路和途徑。

1 工程概況

杭州市環城北路—天目山路提升改造工程第1標段,西起古翠路交叉口以西,東至保俶路以西，自西向東依次下穿學院路、黃姑山路、教工路、杭大路，工程路線全長約2.33km。其中，明挖段為546m，盾構段南線全長1 757m，北線全長1 755m。標段平面如圖1所示。

圖1 標段平面示意(單位：m)

2 泥餅成因

2.1 地質原因

根據勘察揭露的地層結構、土性特征、埋藏條件及物理力學性質，結合區域地質資料，勘探深度范圍(勘探孔最深50.5m)上部為新近堆積填土和海相沉積淤泥質軟土層，中部為河流相沉積黏土層、砂層，下部為山前坡洪積碎石夾黏土層。盾構隧道掘進區域主要分布土層及各土層占比、技術指標如表1所示。

由表1可知，黏土成分占比最高，達到50%以上。隨著盾構的掘進，黏土礦物顆粒在刀具切削和刀盤沖擊作用下變成碎屑及粉末狀，致使刀盤上的土體孔隙不斷得到填充而縮小，并在因摩擦力增大而逐步升高的溫度和不斷加大的壓力作用下，轉變成致密的燒結體黏附在刀盤上，最終形成大塊泥餅。

表1 各土層占比及技術指標

2.2 刀盤、刀具與地層間的矛盾

區間所選盾構為直徑13.46m 的氣墊式泥水平衡盾構機，采用面板加輻條復合式刀盤(見圖2)，開口率約31%，配備8個主動攪拌臂，采用立體式布置，包括88把滾刀、124把刮刀、48把邊刮刀、47把撕裂刀、24把保徑刀和2把超挖刀，滾刀和刮刀刀高差50mm。刀具配置更偏向于破巖功能，考慮本區間存在全斷面中風化巖層，刀具配置合理，但本區間段同時也存在上軟下硬復合地層，刀盤結泥餅風險較高，而對此并沒有做出相應的刀具配置分析。另外，刀盤中心區域采用5組雙聯滾刀，開口率較小，且在各輻條與輻板間焊接3個加勁肋板，將大縫隙分割成4個小區域，導致切削下的渣土排出不暢，易被擠壓在箱體及刀盤開口角落，在堆積效應影響下，各小區域易被渣土填滿塞實形成泥餅。

圖2 刀盤結構

2.3 沖刷系統缺陷

刀盤泥漿沖刷系統共設置3個沖刷嘴，沖刷泥漿由10/8FF-AH型泥漿泵增壓后供漿，泵電動機驅動功率為315kW，最大沖刷流量1 000m3/h。 實際施工中，出現整個刀盤面結泥餅、沖刷孔被糊住的現象，表明當前沖刷系統實際效果并不明顯。

3 防治措施

3.1 化學劑的使用

在實驗室采用不同濃度的雙氧水溶液對黏土進行剝離。從刀盤上取下黏土塊，分割成4塊，為更貼近實際情況，將35%濃度雙氧水溶液與經過計算的泥漿量混合，配成不同濃度的溶液，最后將黏土塊放入溶液中，并記錄不同時間段黏土塊的變化。黏土塊與不同濃度雙氧水溶液如圖3所示，黏土塊在不同濃度溶液作用下隨時間的變化如表2所示。

圖3 黏土塊與不同濃度雙氧水溶液

時間/min土塊質量(5%)/g土塊質量(4%)/g土塊質量(3%)/g土塊質量(2%)/g0665.38508.77652.01482.1315502.12455.21601.13450.3325415.64366.94569.55427.4335386.94324.18531.26409.8145370.41302.14500.32405.9855359.82294.92462.43395.8565356.74289.55459.12392.35185348.59286.39441.75377.97

由表2可知，185min后，5%，4%，3%，2%溶液中的黏土塊質量分別減少了47.61%，43.71%，32.25%，21.60%；反應過程中伴隨氣泡產生、溫度升高的現象，且隨著溶液濃度的提高，氣泡量和溫度升高量均呈上升趨勢；此外，在50～60min后，黏土塊質量減少不明顯，可判斷有效反應時間約1h。

選取本工程2021年3月21—23日盾構貫入度監測數據進行分析，雙氧水溶液對貫入度的影響如圖4所示。

圖4 雙氧水溶液對貫入度的影響

排除盾構因施工工序開機和停機時對貫入度的影響。由圖4可知，3月22日經過雙氧水溶液泡倉處理后，22，23日單日貫入度平均值分別為7.25,7.03mm，均遠大于21日單日貫入度平均值2.14mm，可見盾構貫入度總體得到了明顯提升。

3.2 刀具配置優化

根據地質勘探資料，本區間復合地層段的隧道中心線處主要地層為軟土和全風化及強風化軟巖層，在掘進至復合地層段時可將部分刀具換成軟巖刀具。

針對復合地層段，將中心雙聯滾刀和輻條上滾刀換為重型撕裂刀進行優化布置(見圖5)。重型撕裂刀屬于一種先行刀，通過先行切削土體、將土體切割分塊，可顯著提高切削土體的流動性，提高切削效率，同時為切刀創造良好的切削條件。此外，通過將中心雙聯滾刀換為撕裂刀可增加刀盤開口率，對預防刀盤中心結泥餅有一定作用。

圖5 重型撕裂刀

魚尾刀是一種專用于刀盤中心的大型整體式軟巖刀具，刀具上鑲嵌的合金塊較大、鑲嵌深度較深，能夠適應長距離軟土地層掘進，可切削硬度不大的巖層。魚尾刀與周圍刀具不在同一個切削面，刀高一般為350～600mm，與其他刀具高差明顯，能對流動狀態最差的隧道中心部位的小圓斷面土體進行超前先行切削。可將魚尾刀根部設計成錐形，使隨刀盤旋轉被魚尾刀切削下的土體在切向、徑向運動的基礎上，增加一項翻轉運動，既能解決刀盤中心部位土體的切削問題，改善切削后土體流動性，又能大大提高盾構機整體掘進水平。

3.3 中心沖刷改進

中心沖刷孔由1個沖刷嘴直徑為200mm的主沖刷孔和2個沖刷嘴直徑為100mm的輔沖刷孔組成。不改變沖刷流量，可通過換用直徑更小的φ80沖刷嘴以獲得更大的沖刷壓力；將沖刷方向調整至與刀盤面平行，以便沖刷孔能更好地沖刷刀體及刀盤面，使切削土不易與刀盤黏結。針對沖刷孔被糊住的情況，可在噴口處加裝噴口保護刀以保障沖刷孔暢通。此外，可在盾體適宜位置處加裝1套鉆桿式高壓沖刷設備，在停機期間可將沖刷鉆桿從預留孔處伸至刀盤開口處進行旋轉式沖刷，以預防刀盤開口處結泥餅。

3.4 主動開倉檢查

當刀盤結泥餅情況較輕微時，可通過沖刷系統利用高壓泥漿或清水對中心刀盤進行沖刷清洗，利用氧化劑對泥餅進行化學剝落，往泥漿里添加工業洗衣粉、漂白粉等潤滑劑，高速空轉刀盤等方法清除泥餅。當刀盤泥餅形成速率大于以上方法效果時，泥餅將越結越厚并逐漸將刀箱和輻板的空隙填滿密實，甚至整個泥水倉內積滿渣土，這種情況下，最有效的方法就是人工帶壓進倉進行泥餅清理。

在第132，138，145環管片安裝后，對相應環中對應的刀盤泥餅進行人工清理，泥餅清除量隨管片環號增加。對該段盾構掘進參數進行統計分析，其統計結果如圖6～9所示。

圖6 泥餅清理對掘進速度的影響

圖7 泥餅清理對貫入度的影響

圖8 泥餅清理對盾構總推力的影響

圖9 泥餅清理對刀盤扭矩的影響

由圖6～9可知，人工清理泥餅后，盾構掘進速度和刀盤貫入度均有不同程度上升；在第132環清理泥餅后，盾構推力和刀盤扭矩仍略有上升，在第145環將泥餅完全清理后，盾構掘進速度、刀盤貫入度、盾構推力和刀盤扭矩有明顯的“斷層”變化。結合第132，138，145環管片安裝后所清理的泥餅量呈逐步增加的趨勢，可判斷盾構各參數變化量與泥餅清除量呈正相關關系，泥餅量清除越多，盾構參數優化效果越好。

4 結語

1)泥餅形成初期，可結合實際情況配置不同濃度雙氧水溶液對刀盤上的泥餅進行化學剝落，同時須對浸泡時間進行把控，以防對掌子面穩定性產生不利影響。

2)防止盾構刀盤結泥餅最關鍵因素為盾構與地質的適應性，盾構選型一定要適應地質情況[12]。因此在盾構選型前，須對工程地質情況進行詳細勘察，并根據勘察結果設計盾構刀盤開口率、刀具配置及中心沖刷系統等。

3)當刀盤泥餅已形成時，最有效的方法是人工進倉清理。盾構各參數變化量與泥餅清除量基本呈正相關關系，即盾構參數將隨著泥餅清除量的增多而得到改善，但若泥餅量清除過少，效果將不明顯。