大直径泥水盾构盾尾漏浆与刀盘卡死的分析与处理

古艳旗 邓业华

(中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065200)

0 引言

随着我国隧道建设的快速发展，大直径泥水盾构越来越多的被运用在城市轨道交通建设过程中。北京铁路地下直径线项目地处繁华闹市，风险源多，地质条件复杂。施工过程中盾尾漏浆、刀盘“被卡”时有发生，处理起来难度大、时间长、风险较大。经过技术人员长期研究和分析，总结出了一些良好的解决办法，为类似工程的施工提供一些经验。

1 工程概况

北京站至北京西站的地下铁路直径线地质环境复杂，地面风险源较多，隧道长度大，隧道总长7.3 km，埋深最大达到39m，国内在城市繁华区域内采用大直径泥水盾构法施工尚属首次，盾构施工段距离长5175m。盾构区间采用钢筋混凝土管片衬砌，外径11.6m，内径10.5m，环宽1.8m，管片采用六块标准块，两块邻接块，K块组成。盾构穿越的地层95.21%为砂卵石地层，盾构区间地质勘探表明地层细砂粒含量极少，0.074mm以下的约占2.4%，10mm以上的含量大于60%，最大砂卵石粒径达到280mm左右，且不排除有大直径孤石的可能。盾构区间覆土厚度为11m～29m。含水层主要为砂卵石层、圆砾层及砂层，最大渗透系数为1.74×10－3m/s，最大水土压力为0.3mPa，砂卵石地层对盾构刀具磨损严重，施工难度大。

2 泥水盾构

泥水盾构也称泥水加压平衡盾构(Slurry Pressure Balance Shield)。泥水盾构是在机械式盾构的基础上，装配刀盘、破碎机，增加输送泥浆的进排泥浆管路和推进盾构的千斤顶的大型机械设备。在地面上还有配套的泥水分离系统。

气垫式泥水加压平衡盾构机是通过向气垫仓补充压缩空气压缩泥浆充满开挖仓从而稳定掌子面的。通过调节气垫仓空气压力可以改变开挖仓泥浆压力，从而适应变化的隧道埋深水土压力的改变，以达到平衡水土压力的目的。北京地下铁路直径线就是采用大直径泥水平衡盾构机，其基本工作原理就是通过调节气垫仓空气压力使开挖仓泥浆得到相应压力并在开挖面形成泥膜，支撑开挖面土体，由前面的刀盘旋转切削土体表面，渣土与泥浆混合后形成高密度泥浆由排浆泵通过泥水循环系统排到出渣场地进行泥水分离，同时推力油缸将盾构机向前推进。开挖仓泥浆压力与开挖面水土压力相平衡是盾构机安全掘进的首要条件，掘进过程中要对已安装好的脱离盾尾的管片进行同步注浆填补管片与地层的空隙以达到减小地面沉降、防止管片错台和管片渗水、提高结构稳定性的目的。

3 盾尾渗漏

盾尾刷产生渗漏必将影响同步注浆的质量，达不到注浆的预期目的，给工程质量带来隐患。泥水平衡也将受到影响，给盾构掘进增加不安全因素，同时给管片拼装带来不便。因此对盾尾刷渗漏要格外重视，仔细观察，认真分析，在不影响盾构正常掘进的条件下，制定切实可行的有效的预防措施和解决办法。直径线盾构机施工过程中曾多次发生盾尾漏浆，导致盾尾密封刷异常损坏，严重影响了施工进度。

通过对北京直径线盾构机掘进过程进行了仔细思考，分析总结出导致盾尾渗漏的几个主要原因。

3.1 盾尾渗漏主要原因

1)同步注浆。

同步注浆是盾构掘进的一个重要环节，同步注浆的质量直接影响地铁隧道工程的质量。注浆量不足会发生管片漏水，引起管片下沉管片间产生错台，进而引起地表沉降，严重时会对隧道周边的地面建筑物造成破坏产生严重后果。同步注浆量过大，注浆压力必定增高，注浆压力设定不合理(一般超过盾尾油脂密封压力1bar)，可能会击穿密封刷而引起漏浆现象。另外，由于盾构机操作人员技术不熟练，操作经验不足，六根管路压力设定不合理，部分管路注浆量偏大造成砂浆不能充分填充管片空隙，而是堆积在注浆口附近使注浆通道受限制，后续浆液压力剧增，当浆液压力高于盾尾刷和油脂的抗压力时就会击穿盾尾刷发生漏浆现象。

2)开挖仓压力。

在盾构机掘进、管片拼装或停机保压过程中，萨姆森保压系统设定压力高于理论设定压力从而造成开挖仓泥浆压力偏高，开挖仓泥浆通过盾壳与地层的间隙与盾尾相通，泥浆可能会穿透密封刷而发生渗漏。另外，掘进过程中泥浆循环系统操作难度较大，若盾构司机操作泥浆循环系统经验不足造成气垫仓液位忽高忽低或排浆管与破碎机之间的隔栅被较大的石块堵塞造成排浆量突然降低，而进浆流量没有及时调整会使气垫仓液位突然升高，进而开挖仓泥浆压力也随之突然增大，泥浆压力瞬间增大可能会击穿盾尾刷而产生泄漏。

3)盾尾注脂量和注脂压力不足。

盾构掘进过程中，盾尾刷与管片摩擦消耗的油脂与掘进速度成正比，如果掘进速度过快而没有及时调整盾尾注脂泵注脂率，密封刷内的油脂压力将达不到设定压力，势必造成盾尾渗漏。

4)管片拼装。

a.由于管片拼装手技术不熟练或连接螺栓没打紧会造成管片错台(见图1)，如果环与环之间错台过大或是同一环管片块与块之间纵向错台较大，都会造成盾尾刷与管片之间结合不密实，掘进时泥浆压力会把盾尾油脂挤出尾刷从而发生泥浆的泄露。b.管片拼装前没有清除盾尾内杂物，盾构掘进时杂物很可能在与管片外表面摩擦力的作用下跑到盾尾刷边缘毁坏密封刷造成漏浆现象。c.管片拼装时要缩回推力油缸，由于刀盘仓内有泥水压力作用，当泥水压力对盾构机施加的反向推力大于推力油缸的锁紧力时，盾构机将后退从而造成盾尾刷损坏。

5)盾构姿态。

在盾构掘进过程中，可能会由于盾构司机经验不足或地质等各方面因素的影响使盾构机与导向系统难以避免有一定的偏差。为了使盾构机与设计理论线吻合必须对偏差进行纠正，盾构纠偏过程要细水长流，纠偏速度过快势必盾构四个区域的油缸推力相差较大，盾构机对管片会产生偏压现象，油缸推力大的一侧盾尾间隙变大而另一侧变小，盾尾间隙大的一侧盾尾刷与管片贴合不严实会产生漏浆现象，小的一侧盾尾刷受到过度挤压而发生弹性形变。纠偏过程结束后盾构机中线与理论中线重合，各方向盾尾间隙大小基本一致，而失去弹性一侧的盾尾刷，密封效果减弱造成渗漏。

3.2 盾尾渗漏的预防措施

1)同步注浆引起盾尾渗漏的预防措施。

同步注浆作业过程中要合理设置每个管路的注入压力，并严格控制每根管路的注浆量在计算的理论范围之内。

a.同步注浆是将切削土体与管片外壁之间的空隙填充密实，同步注浆量的计算要考虑盾构推进过程中砂浆向地层中扩散和注浆材料收缩等因素，不同的地层砂浆扩散率有差别，计算前根据地勘报告确定每个里程段的地质情况选取合适的扩散系数。实际注浆量是理论注浆量的1.30倍～1.80倍左右，根据现场实际情况适当调节。

同步注浆量可根据下式计算:

其中，Q 为注浆量，m3;λ 为注浆率，取1.3 ～1.8，根据地质情况不同选定合理数值;V为盾构施工引起的空隙，m3。

其中，R 为盾构切削土体半径，R=12.04÷2=6.02m;r为管片半径，r=11.6÷2=5.8m;L 为管片宽度，L=1.8m。

则:Q=19.10m3/环 ～26.46m3/环。

b.注浆时间及速度控制。

同步注浆速度应与掘进速度相匹配，根据盾构机推进速度调整注浆速度，每环的注浆量控制在理论范围内。根据武汉长江隧道的施工经验，盾构机掘进一环按90min计算，则每个注浆孔流速控制在26.72L/min～37.05L/min;即在盾构掘进前5min至掘进完成后5min内，匀速注浆。但具体注浆速度应根据现场实际掘进速度计算确定。

c.注浆结束标准。

从注浆压力和注浆量两个方面进行控制，即当注浆压力达到设定值或注浆量达到理论值时，同步注浆达到了质量要求，结束注浆。

2)泥浆压力过高引起盾尾渗漏的预防措施。

施工过程前应在隧道线路上多个地点进行土质和地下水调查，认真计算水土压力，制定施工技术交底。操作人员必须严格按照交底设定气体压力。

对操作人员进行技术培训，提高操作手的技术水平，掘进过程中才能更好的控制各项掘进参数，发现排浆不畅作出迅速反应，停止掘进、旁通循环、排除堵塞的石块或人工进行移除。若隔栅处被堵可通过反冲循环冲开渣土。

3)盾尾注脂量和注脂压力不足引起盾尾渗漏的预防措施。

盾尾油脂采用粘度高、泵送性好的优质油脂;油脂注入压力设定值比同步注浆压力应略高，大于1bar左右;若发生盾尾渗漏将渗漏部位手动局部注油脂。

4)管片拼装引起盾尾渗漏的预防措施。

对技术工种加强培训，提高拼装人员的拼装技术水平，打紧螺栓并及时进行复紧作业;拼装管片之前将盾尾区域清理干净保证没有异物，以免毁坏盾尾刷;缩油缸时在能保证管片拼装空间的情况下尽量少收油缸以免盾构机后退。

5)盾构姿态引起盾尾渗漏的预防措施。

盾构机纠偏过程中一定要严格控制纠偏量，一般控制在5mm/m左右为宜。

对盾构操作人员进行必要的技能培训，提高操作水平，控制好盾构机姿态。

4 刀盘卡死

4.1 刀盘被卡原因分析

刀盘卡死不仅严重影响施工进度，而且在脱困过程中会对地层产生扰动，危害地表建筑物。鉴于刀盘被卡问题的严重性，结合北京地下铁路直径线工程对刀盘被卡原因进行了简要分析。

北京地下铁路直径线掘进至今，施工过程中曾多次出现刀盘卡死现象。盾构刀盘被卡死的情况通常称之为刀盘“抱死”。砂性土，砂土及黏土中发生的概率比较低，但在砂卵石层中(尤其含有大粒径卵石)发生的几率较高。刀盘卡死不仅严重影响施工进度，而且在刀盘脱困时所需启动扭矩较大，会对主驱动保险轴造成损伤，严重时保险轴断裂，造成严重的经济损失。频繁转动刀盘会对地层产生扰动，不利于地层稳定。

通过总结分析对北京地下铁路直径线施工过程中刀盘卡死原因分析如下:

1)泥浆浓度不够或浓度过大。

当膨润土浆液浓度过低时，排浆泵只带出砂，土及小粒径的卵石，一些比较大的卵石滞留在开挖仓。掘进结束后，如果开挖仓内浆液循环时间过短致使渣土没有排净，拼装管片时开挖仓泥浆内混杂的大粒径卵石及未排干净的渣土会沉积在刀盘底部，再次转动刀盘时，刀盘受到的摩擦阻力矩较大，当超过其自身的额定最大扭矩时，刀盘被卡住。当膨润土浆液浓度过高时，停止掘进后，高浓度泥浆会在开挖面形成一层较厚的泥饼(见图2)，刀盘刀具可能被嵌入泥饼中，加上开挖后泥浆中沉淀下来的一些渣土，使得刀盘旋转的阻力矩较大，造成刀盘不能旋转。

2)盾构机刀具磨损严重。

盾构机在砂卵石中掘进时，地层对盾构刀具磨损较严重。从刀盘中心向外，刀具线速度依次递增，磨损程度逐渐加大。盾构掘进时，由于刀具磨损(见图3)，刀盘扭矩较大，当遇到大粒径卵石时，会出现崩刀现象，造成扭矩突然增大，当刀盘扭矩大于设备PLC设定的设备自我保护安全扭矩时，刀盘转动停止，造成再次启动困难。

3)停止推进后刀盘旋转时间和泥浆循环时间太短，停机扭矩过大。

在盾构早期施工时由于缺乏经验，掘进结束后，立即停止刀盘旋转，停机扭矩过大造成刀盘再次启动困难。一方面，停机位置地层中与刀盘接触的部分砂石未被切削下来。另一方面，已经切削下来的较大卵石因为刀盘停止旋转不能随膨润土悬浮液(泥浆)排出开挖仓沉积下来。

4)地层产生变形。

掘进结束后，保压过程中地层可能产生变形压迫刀盘，使刀盘启动摩擦力矩较大，造成刀盘卡死。

4.2 解决办法及预防措施

1)解决办法。刀盘卡死后，要使刀盘脱困必须采取合理的方法，不对地层产生过大扰动也不能对刀盘驱动装置造成损伤。

a.可以通过泥浆循环系统和冲刷系统对开挖仓及刀盘反复进行冲刷，将开挖仓底部沉积的渣土排出，冲刷的同时转动刀盘，顺时针逆时针各转几次，不要一个方向反复转动刀盘，避免主驱动保险轴疲劳损害。必要时可以将刀盘旋转按钮打到脱困扭矩模式下启动刀盘;定期带压进仓清理泥饼。

b.通过泥浆循环系统反冲模式冲刷沉积在开挖仓下的渣土，然后再通过正常的循环模式排出开挖仓内的渣土，然后转动刀盘。

c.将推进油缸全部缩回，缩回长度不能太大，使盾构机向后退一些，必要时可以适当加大开挖仓压力使盾构后退，刀盘刀具离开开挖面，然后将油缸顶紧管片旋转刀盘(此方法会对盾尾密封刷造成严重损坏，对地层扰动也较大，有一定风险，不是万不得已不要使用)。

2)预防措施。

a.解决泥浆浓度不合理造成的刀盘被卡问题，必须合理配置泥浆浓度，一般控制在1.05～1.15之间，既能很好的在开挖面形成泥膜，又不会因泥膜太厚而使刀盘被卡。

b.盾构操作司机要认真记录各项掘进参数，当发现刀盘扭矩，掘进推力等参数不正常时及时停机，组织专业人员带压进仓检查刀具磨损情况，必要时更换刀具。

c.掘进结束后，不要立刻停止刀盘，让刀盘继续旋转(一般旋转8圈左右)，刀盘扭矩即降到安全值以下再停止刀盘。

d.盾构停止掘进保压期间，隔一定时间(2h左右)转动一次刀盘，刀盘转动时间不宜过长，以免扰动地层。

5 结语

通过对盾构法施工中典型故障分析，不断总结经验，提高我们处理故障的能力，尤其要采取预防措施，以保证工程的顺利进行。

[1]Φ11.97m膨润土—气垫式泥水平衡盾构机技术操作规程[S].

[2]日本土木协会.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[3]陈 馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术[M].北京:人民交通出版社，2009.

[4]楼如岳.最新泥水盾构施工技术[Z].上海:上海隧道股份，2010.

[5]张凤祥，傅德明，杨国祥，等.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社，2008.