高效黏土剝除劑在解決盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅問題中的應用

摘 要：在復合地層盾構(gòu)掘進過程中，地層黏粒含量大、刀盤發(fā)熱量高，盾構(gòu)機刀盤容易結(jié)泥餅，從而導致盾構(gòu)機高負荷運轉(zhuǎn)、推進速度慢、設備故障率上升、功效大幅下降等一系列施工問題。以某地鐵出入段線區(qū)間隧道為例，從地層特性、水文條件、掘進參數(shù)、渣土采樣等方面進行系統(tǒng)分析，采用高效黏土剝除劑對盾構(gòu)機刀盤進行泡倉處理，有效改善刀盤結(jié)泥餅問題，旨在為后續(xù)類似工程項目提供技術參考。

關鍵詞：盾構(gòu)施工；刀盤泥餅；剝除劑；技術要點

中圖分類號：TU586.3" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）08-0052-03

0 引言

盾構(gòu)掘進過程中，隨著盾構(gòu)機總推力逐漸增大，刀盤扭矩趨于穩(wěn)定，逐漸會出現(xiàn)掘進速度慢、無進尺、出土量不易控制、渣溫高、盾構(gòu)機基本處于原地空轉(zhuǎn)刀盤狀態(tài)、推進時間長等問題。盾構(gòu)在高負荷運轉(zhuǎn)情況下，設備及環(huán)境溫度不斷升高，就會引起刀盤油溫報警，內(nèi)循環(huán)水溫度居高不下，設備故障率明顯增加，掘進功效下降。刀盤切削土體，渣土滯留在刀盤與掌子面之間，黏附在刀盤上，在高溫和擠壓條件下，刀具逐漸被泥餅糊住，刀盤開口率降低，出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象，導致掘進困難。若長時間在這種條件下強行進行推進，將會導致刀盤刀圈及刀具變形、磨損，增大施工風險[1]。具體如圖1所示。

黏土剝除劑是一種盾構(gòu)施工用渣土改良劑，一般應用于黏粒含量高、土體黏結(jié)性大、附著力強的盾構(gòu)施工渣土改良過程中。其滲透進渣土內(nèi)部，將結(jié)塊的黏土土體進行快速的分散和分離，剝離附著在刀盤上的黏泥膠團，從而實現(xiàn)剝離盾構(gòu)刀盤泥餅的作用，避免了盾構(gòu)結(jié)泥餅后的帶壓開倉作業(yè)風險，有效提高了施工工效。

1 案例工程概況

某地鐵出入段線區(qū)間盾構(gòu)隧道施工，出段線接收段位置，連續(xù)下穿6戶房屋，房屋為二十世紀九十年代建造的磚砌房屋，采用條形基礎，基礎埋深1～2.5 m。該段隧道為平曲線R為250 m小轉(zhuǎn)彎半徑，覆土厚度為6.82～8.75 m，相近于1倍洞徑的淺覆土，其中 4#、5#、6#民房范圍內(nèi)存在上軟下硬地層。該段地下水按賦存方式分為第四系松散層孔隙水、孔隙-裂隙水和基巖裂隙水，且全年降水量充足。接收段洞身經(jīng)過的土質(zhì)為淤泥夾砂、（含泥）中細砂、中風化熔結(jié)凝灰?guī)r，如圖2所示。

2 泥餅形成過程

2.1 正常掘進

該區(qū)間出段線盾構(gòu)掘進350～380環(huán)，隧道主要處于（含泥）中細砂、淤泥夾砂地層，施工參數(shù)無較大波動，基本穩(wěn)定，功效良好。正常掘進段施工參數(shù)如表1所示。

2.2 參數(shù)調(diào)整

當掘進380～420環(huán)時，盾構(gòu)即將進入穿越房屋掘進段。為此將此段設置為試驗段，盾構(gòu)掘進中長時間采用滿倉土模式掘進，渣土改良主要為高粘度膨潤土，在確保地層無沉降的情況下，適當降低了控制土壓[2]。參數(shù)調(diào)整掘進段施工參數(shù)如表2所示。

2.3 參數(shù)變化

當掘進至421～423環(huán)時，地下水顯著增多，螺旋機有噴涌的情況，無法控制出土量，刀盤前方和盾體附近可見輕微沉降。參數(shù)變化掘進段施工參數(shù)如表3所示。

在正常掘進階段，渣土溫度為30～35℃，參數(shù)變化后由于掘進速度過慢，導致掘進時間增長，渣土溫度也隨即不斷升高，螺旋機出土口渣土溫度高達40～45℃（見圖3）。

2.4 泥餅形成

技術人員經(jīng)過分析判斷認為有結(jié)泥餅現(xiàn)象存在，且正值穿越房屋掘進段，隨即召開研討會議，及時向各參建單位匯報盾構(gòu)掘進參數(shù)情況。根據(jù)上述掘進參數(shù)及渣樣進行分析，土層地質(zhì)情況發(fā)生變化，渣土中含砂量達到90%以上。土層含水量明顯增加，螺旋機出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，土壓力和出土量難以控制，總推力和刀盤扭矩驟變，掘進速率減慢，土倉溫度迅速升高，存在加速刀盤結(jié)泥餅風險[3]。綜合以上現(xiàn)象，現(xiàn)場技術人員及專家學者一致認為刀盤已經(jīng)結(jié)泥餅。

3 高效黏土剝除劑泡倉處理步驟

第一，為避免停機期間地面沉降導致房屋開裂，選擇房屋之間地面空曠位置對盾構(gòu)機刀盤進行泡倉處理。

第二，采用高粘膨潤土（見圖4）將盾構(gòu)機土倉內(nèi)渣土進行等壓置換，置換1/2渣土。待置換完成后，將膨潤土罐清洗干凈，倒入BT-S高效黏土剝除劑溶液，向土倉內(nèi)一次注入剝除劑溶液2 t，對刀盤進行浸泡泥餅處理。

第三，浸泡時間為12 h，浸泡過程中每小時轉(zhuǎn)動刀盤540°，確保刀盤各部位浸泡到位。

第四，處理期間，盾構(gòu)駕駛員嚴格控制土倉壓力，并做好停機參數(shù)記錄，地面安排專人進行巡視，每2 h進行地面監(jiān)測，并分析上報監(jiān)測數(shù)據(jù)。

第五，待泡倉完成后，不急于啟動推進模式，將刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.4～1.5 r/min，反復正反轉(zhuǎn)刀盤，將泥餅從刀盤開口處甩出。采用高粘膨潤土將盾構(gòu)機土倉內(nèi)渣土進行等壓置換，觀察螺旋機出閘口，待渣土中泥塊含量較少時恢復掘進。恢復掘進后，施工參數(shù)明顯得到改善，推力逐漸降低，推進速度提高。

第六，后續(xù)掘進過程中向刀盤掌子面注入泡沫劑、膨潤土及其他改良劑對渣土流塑性及和易性進行改良，避免類似情況再次發(fā)生。

4 后續(xù)防結(jié)泥餅措施

在采用高效黏土剝除劑清除刀盤泥餅后，后續(xù)同類地層掘進過程中，需采取相關措施如下：①需要在土倉和刀盤面板前適量加大高質(zhì)量泡沫劑的注入，或混合膨潤土漿液，進而改良土體的塑性，使渣土順利外排。②在地層相對穩(wěn)定的區(qū)段，采用欠壓掘進，或者氣壓輔助掘進，保證土倉內(nèi)存土較少。③采用冷卻措施降低土倉溫度。④利用膨潤土漿液置換土倉內(nèi)的渣土，保證土倉壓力的同時降低結(jié)泥餅的幾率。

5 BT-S高效黏土剝除劑說明

其成分為高分子聚合物和無機物，按照一定比例復配而成。BT-S高效黏土剝除劑對各種硬質(zhì)泥土具有非常好的潤濕、滲透、剝離效果。BT-S高效黏土剝除劑的作用原理是通過微觀電荷作用力，高效黏土剝除劑會吸附于泥土表面并滲透進入土體內(nèi)部，與泥土產(chǎn)生激烈的反應，將大塊的土體進行軟化，砂石和泥土分離，使整個土體成流塑性。BT-S高效黏土剝除劑外觀為淺褐色透明液體，PH值為6.5±0.5，活性成份≥30%，在室溫25℃下密度為1.1 g/cm3。剝除劑分散黏土5 min的效果圖如圖5所示。

6 泥餅處理后施工情況

對刀盤泥餅采取強制剝除技術后，出段線盾構(gòu)隧道恢復掘進，在穿越（含泥）中細砂層時，前三換掘進過程中盾構(gòu)機總推力和刀盤扭矩有顯著下降，渣土溫度也從原來的40～45℃下降至30～35℃（且還有下降的趨勢），推進速率提高，功效顯著改善。后續(xù)掘進采用泡沫劑及膨潤土進行渣土改良，有效避免了結(jié)泥餅現(xiàn)象，順利穿越了富水砂層及上軟下硬地層掘進段。從424環(huán)掘進至隧道貫通，盾構(gòu)掘進參數(shù)基本穩(wěn)定（見表4），此過程中雖然由于地質(zhì)變化，總推力及刀盤扭矩都出現(xiàn)了較小的變化，但是整體仍處于平穩(wěn)狀態(tài)，有效預防了刀盤泥餅的形成[4]。

7 結(jié)束語

通過對某地鐵車站出入段線區(qū)間出段線盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象及成因進行分析，應用高效黏土剝除劑有效改善刀盤結(jié)泥餅問題，使得出段線盾構(gòu)在富水砂層、小半徑、淺覆土條件下順利穿越房屋，到達接收井，地面沉降及房屋開裂均滿足要求，得到各方單位的認可。

總結(jié)經(jīng)驗教訓，在后續(xù)盾構(gòu)施工過程中，應采取有效預防措施加強管控，發(fā)現(xiàn)異常情況及時上報處理，并根據(jù)地質(zhì)情況及時調(diào)整掘進參數(shù)、分析渣樣進行渣土改良等措施，避免結(jié)泥餅現(xiàn)象的再次發(fā)生，有效地減少施工風險和成本，為類似工程項目積累了豐富的經(jīng)驗。

參考文獻

[1] 郗晶.復合地層中復合式土壓平衡盾構(gòu)機刀盤泥餅防治[J].中國高新科技，2018（12）：90-92.

[2] 王用斌.土壓平衡盾構(gòu)機刀盤泥餅成因分析及整治[J].工程技術研究，2021（8）：134-135.

[3] 歐陽凱.盾構(gòu)刀盤泥餅形成機理的理論研究[J].建筑機械化，2018（9）：44-46.

[4] 賈璐.土壓平衡盾構(gòu)刀盤泥餅防止綜合技術研究及應用[J].施工技術，2015（S1）：243-246.