泥水平衡盾构机刀盘泥饼形成机理及防治技术*

陈乔松，刘德智，杨军宁，雷金山

(1．广州市地下铁道总公司建设总部，广东广州510380;2．中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

泥水平衡盾构机刀盘泥饼形成机理及防治技术*

陈乔松1，刘德智1，杨军宁2，雷金山2

(1．广州市地下铁道总公司建设总部，广东广州510380;2．中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

盾构机在中、强风化岩和粘土地层的掘进过程中，挖掘面的粘性土体受到刀盘的碾压，极易自刀盘中心位置向四周逐步在刀盘面和土仓内壁上形成附着的泥饼，坚硬的泥饼将会把刀盘开口堵塞，严重降低了盾构机掘进能力;泥饼的存在加重盾了构机刀盘和刀具的负荷，常常使掘进参数出现突变，大大降低施工效率;此外，当刀盘泥饼与土仓中隔板的长时间摩擦，会导致中隔板等位置的温度快速升高，从而引起回转中心橡胶密封件性能的下降，威胁盾构施工的安全，本文根据广州轨道交通六号线某标段的盾构施工情况，开展对泥水平衡盾构机泥饼形成机理和处治技术进行研究，取得明显的效果。

地铁施工;盾构区间;泥水平衡盾构机;粘土地层;刀盘泥饼;形成机理;防治技术技术

随着城市高速的发展，地下轨道交通建设也飞速发展，盾构施工技术在城市轨道交通建设中的应用也越来越广泛，给地下工程施工带来了极大便利。但盾构机在中、强风化岩和粘土地层的掘进过程中，挖掘面的粘性土体受到刀盘的碾压，极易自刀盘中心位置向四周逐步在刀盘面和土仓内壁上形成附着的泥饼，坚硬的泥饼将会把刀盘开口堵塞，严重降低了盾构机掘进能力。但在盾构施工中，往往受场地和地质条件的制约，不能采取人工开仓清除泥饼的处理措施。但是，土仓内一旦形成严重泥饼，将引起泥水盾构机土仓压力的频繁波动，不利于地面沉降的控制。在富水地层中，容易诱发土压平衡盾构机喷涌现象，甚至发生地面塌方和盾构机损坏。此外，刀盘泥饼与土仓中隔板的长时间摩擦，会导致中隔板等位置的温度快速升高，从而引起回转中心橡胶密封件性能的下降，威胁盾构施工的安全。因此盾构施工的泥饼问题是盾构法施工领域内的一大难题所在，因此研究盾构防泥饼的技术具有深远的意义。

泥饼是盾构刀盘切削下来的细小砂土颗粒、碎屑在土仓内重新聚集而成的半固结和固结状的块状体，泥饼的存在加重盾了构机刀盘和刀具的负荷，常常使掘进参数出现突变，大大降低施工效率。早在半个世纪以前，日本和欧洲很早就就提出过这样的问题，并在生产实践中不断探索解决的方法。

一、泥饼形成原因

在盾构掘进中容易形成泥饼的地层有可塑、硬塑状的地层、粘土质砂土地层、泥岩、泥质粉砂岩、母岩为花岗岩的残积土层、全风化岩层和强分化岩层，这几类岩层富含粘土矿物颗粒，在刀具的切削和刀盘的冲击作用下，岩块变成碎屑和粉末状，这些碎屑粉末状的粘土颗粒是形成泥饼的基础材料和前提条件。

盾构刀盘和刀具设计制造的缺陷诱导施工掘进中“泥饼”的产生，如刀盘中心区开口率小、刀具线速度低是泥岩和砂岩地层盾构掘进中结泥饼的重要因素;刀盘内的搅拌棒及幅条型式、数量是泥饼产生的另一因素。同时，刀具布置不合理会导致切削砂土的块度不均、滚刀磨损，进而降低掘进和排土效率，导致泥饼产生。

除地层地质和刀盘刀具设计制造缺陷外，施工过程中的操作行为也是刀盘结泥饼的一个不可忽视的因素，如未能正确判断复合地层下的盾构掘进模式，盾构掘进各种参数设置不合理;掘进施工中，渣土改良不到位(土压平衡盾构)，或泥浆性能参数不合理(泥水平衡盾构);盾构机械维护保养存在问题，部分设备功能不能充分有效利用。

二、泥水平衡盾构结泥饼的防治技术

本文根据广州轨道交通六号线某标段的盾构施工情况，仅对泥水平衡盾构机泥饼形成和处理进行分析和研究。

(一)泥水平衡盾构机的工作原理

基本工作原理是通过支撑环前面装置隔板的泥水舱中注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜，即泥水对掘削面上的土体作用有一定的压力(与推进力对应)，该压力称为泥水压力。切削土体与泥水混合后，形成高密度泥浆，然后由泥浆泵及管道把泥浆输送到地面处理。在泥水舱内和掌子面间建立泥水平衡是泥水盾构机掘进的根本要求，另外由于盾构掘进过程中，采用管片背填同步注浆(双液浆或单液浆)方式来填充管片与围岩的间隙，从而达到减小地层沉降，限制管片位移和变形，提高结构稳定性，加强隧道防水性能的目的。如此不断循环完成掘削、排土、推进，因为是泥水压力使掘削面稳定平衡，故称为泥水平衡盾构。在该盾构区间施工中，采用2台日本三菱泥水平衡盾构机进行施工，管片背填同步注浆采用双液浆。

(二)工程概况

此盾构区间穿过的全风化带、强风化带、残积土层、冲洪积土层所占比例接近21%，其中全风化带、强风化带岩性大部分为泥质粉砂岩，泥钙质胶结，具遇水软化特点，残积土层亦具有遇水软化特点，该地层粘粒含量较高，大部分为粉质粘土，特别是残积土层、强风化带泥质粉砂岩地层，易结泥饼。其中左线盾构机因提前进入了上述地层，未能及时采取增强土仓内循环等相关措施，风化泥质粉砂岩地层遇水软化和刀盘掘进挤压形成泥团堆积固结后将刀盘及刀盘牛腿包裹，致使刀盘出现空转掘进效率低下，掘进速度由原来8～10环/d下降到2环/d，但因隧道上方覆土为淤泥质粉细砂等软弱地层，且含水相当丰富、透水性极强，不具备开仓和化学处理条件。最终在盾构机前方从地面预先施做了加固体，在盾构机进入加固体后进行了开仓处理。

(三)防治措施

虽然盾构法施工的应用时间已经较长，刀盘发生结泥饼问题一直都是盾构法施工中的一大难题。但至今，也没有一种能够彻底消除盾构泥饼发生的技术方法。在施工技术上更多的是各个施工单位结合自己积累的施工经验进行分析研究，主要集中在对泥水性能的控制和盾构掘进参数的控制选择上。在对已形成的泥饼处理方面，主要还是采取人工开仓清除等方式。

1．盾构机设备改造

泥饼是在掘进过程中，泥质粉砂岩地层遇水软化和刀盘掘进挤压形成泥团堆积附着在刀盘及刀盘牛腿上，不断碾压后形成的。因而增强土仓内循环的能力，降低粘土的附着，对减轻盾构泥饼的形成有非常重要的作用。结合泥水盾构机环流系统的特点，设计了一套土仓内循环装置，该装置能同时进行刀盘注水和对刀盘中心开口处送入循环泥浆(见图1)。

图1 土仓循环示意图

该装置的旋转管前端与刀盘连接，中部孔与刀盘注水通道相通，固定支座安装在盾构机中隔板上，后端与循环泵的送泥管相连。在旋转管内设置的隔板将管内分成两个隔离的内腔。

循环泵将循环泥浆泵送至后腔，经过Y型管注入刀盘中心两侧。从而直接冲刷刀盘和增大循环流量。通过调节泵的转速来获得合适的泥浆流量。而另一路高压自来水通过注水管及回转接头和水管进入旋转管前腔，再到达中心开口。

通过刀盘中心位置注入大流量的循环泥浆，直接冲刷刀盘，冲掉尚未形成的泥饼，增大内循环流量，及时把切削下来的粘土带走，阻止土团的相互粘结和研磨，从而不易结泥饼。不但所泵入的循环泥浆可以增加切削土体流塑性，而且注入的高压自来水可以进一步稀释泥浆粘度，提高盾构机排泥的输送能力。有效防止盾构机刀盘面泥饼的形成。

同时，在盾构机土仓中隔板中部适当位置增加布设搅拌棒，以增加渣土流动性。也可以在一定程度上降低泥饼形成的速度。

调整刀具配置，增加刀具高度差，拉开各类切削刀具的高度差等方式，如采用的贝壳刮刀高出刀盘140mm，外圈滚刀高出刀盘140mm，为开挖面破除下来的碴土留出足够的出碴空间，可有效减少渣土在刀盘中心滞留的时间，减小盾构机掘进时挤压粘土形成泥饼的速度。

2．严格控制环流泥水性能参数

这是非常关键的因素，泥水盾构机在中、强风化岩和粘土地层的掘进过程中，必须及时用低比重优质泥浆置换土仓内高粘性土，防止土块在刀盘和土仓附近堆积，保证刀盘开口处通畅。因此要选择适合泥浆指标，并进行严格控制。

(1)掘进过程中，严格控制泥浆的各种性能指标，包括粘度、密度和析水率等。根据中、强风化岩和粘土地层岩土特性，通过对隧道洞身地层的抽芯土样进行实验，选取使用参数适合的低粘度、低密度、低失水性的泥浆。

(2)根据实验结果，泥浆指标应控制为:密度1．05－1.15g/cm3;粘度18－20s。在掘进初期，往泥浆内添加润滑剂(如工业洗涤剂)，可以有效减少岩石粉末和土层中的粘土附着在刀盘或已经形成的泥饼上的几率，并且可以化解初步形成的泥饼。

(3)掘进过程中，泥浆会因渣土的溶解，引起泥浆粘度和比重的快速上升，导致循环泥浆渣土携带能力的严重下降，容易造成粘土团滞留在刀盘及土仓内。因此，在盾构掘进的过程中，要及时进行泥浆指标的实验，必要时每5min就需监测一次。根据泥浆情况，通过泥浆处理设备排浆和连续加注清水的方式，稀释粘稠的高浓度泥浆。

3．控制盾构掘进参数和环流系统的配置及操作

加强对盾构掘进参数的观察，注意刀盘扭矩推力的异常变化。在掘进期间，保持循环泵和刀盘防泥饼装置对刀盘不间断的泥浆循环和对刀盘不间断的冲洗，同时结合刀盘中心注水系统的使用。掘进完成后继续进行泥浆循环，尽量排空刀盘及土仓内的渣土，防止其大量的附着。

加大送排泥浆流量。掘进过程中，避免采用逆循环推进模式，确保切削下的渣土及时得到排出，尽量避免刀盘进土口和土仓内渣土的粘结。

盾构机掘进速度不宜超过20mm/min，在刀盘扭矩不大的情况下，可以适当加快刀盘的转速，减少大块粘土产生的数量。此外，刀盘旋转切削时，要经常进行正反向切换，不要长时间在同一方向旋转。

掘进时要密切注意出渣量的变化，当发现出渣量异常减少时，要及时采取对土仓和刀盘实施循环清洗。在掘进过程中每掘30cm清洗一次土仓，防止土仓内结成泥饼。对土仓隔板的温度也进行人工随时探测。

调整环流中继泵的设置距离，根据掘进地层的地质情况及可能出现的泥浆流体性状及环流中继泵的性能，随着隧道线路的延长，调整环流中继泵的布置距离，从而获得最佳流体输送效率。

4．刀盘泥饼在不开仓情况下的消除

对于轻微的泥饼现象，可以用泥浆或高压水清洗刀盘。同时高速空转刀盘，借助泥饼自身的离心力脱离出刀盘的表面。使用工业除垢剂或者漂白剂破坏粘土土质性状，通过刀盘注水或清洗系统将注入工业除垢剂或者漂白剂注入刀盘处。在经过一段时间浸泡后，转动刀盘搅拌，经过搅拌。可显著瓦解刀盘表面泥饼的结块情况。

5．开仓清除刀盘泥饼

在地质条件好的地方比较容易实现气压或者常压开仓，人工进入采取高压水切割或者其它机械方式实施清除。由于泥饼是经过长时间挤压受热后形成，硬度极大，需要较长的清除时间。而在地质较软，或者富水地层中进行人工开仓清除泥饼，安全风险就比较大，而且准备的工作多，时间长。必要时，还必须在地面加固配合的条件下才能进行，费用也高。因而人工开仓清除泥饼具有局限性和较大的安全风险。

三、结论

1．在有可塑、硬塑状的地层进行盾构掘进中容易形成泥饼，当富含粘土矿物颗粒，在刀具的切削和刀盘的冲击作用下，岩土碎屑粉末状的粘土颗粒是形成泥饼的基础材料和前提条件。

2．在盾构机设计制造阶段对盾构机结构和系统进行改进，如加大刀盘中心开口率，改进泥水盾构机环流系统配置，改善土仓内循环的效果，可有效防止泥饼的形成。

3．根据实验结果，选择合适的泥浆参数，甚至可在泥浆中添加工业洗涤剂等物质作为润滑剂，以极大降低粘土间相互结合的能力。

4．加强盾构掘进施工管理，严格控制掘进参数，做好环流系统的配置，根据盾构掘进地层的不同地质情况，及时调整操作方式。

［1］周文波．盾构法隧道施工技术及应用［M］．北京:中国建筑工业出版社，2004．

［2］程晓．盾构施工技术［M］．上海:上海科学技术文献出版社，1990．

［3］竺维彬，鞠世健．盾构施工泥饼(次生岩块)成因及对策［J］．地铁科技，2002．

［4］刘德智，雷金山．广州地铁淤砂层明挖区间围护工程涌水涌砂分析与处治技术［J］．长沙铁道学院学报(社会科学版)，2009，(2):199－201．

2011－04－21

陈乔松(1969－)，男，高级工程师，硕士。