盾构施工中泥饼防治施工技术研究

于海亮

(北京城建中南土木工程集团有限公司，北京 100012)

0 引言

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。 但盾构机在粘性地层的掘进过程中，挖掘面的粘性土体受到刀盘的碾压， 易在刀盘中心位置向四周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，对刀盘造成极大的威胁。 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，将引起出土不畅、推力增大、出土超排和地面沉陷等问题，不利于地面沉降的控制，威胁盾构施工的安全。盾构施工的泥饼问题是盾构法施工领域内的一大难题。因此研究盾构防泥饼的技术具有深远的意义。

1 工程概况

本标段工程含灵镜胡同~西四、 西四~平安里及平安里~新街口三个盾构区间，为南北走向。

本标段第四纪沉积物主要为永定河冲洪积物，地势平坦开阔，略有起伏，沉积物在垂直方向上由粘性土、粉土、砂类土、碎石类土交互沉积而成，沉积韵律较为明显。 本段线路处于永定河冲积扇轴线中上部偏北，表层为人工填土，其下为第四纪全新世冲洪积土和第四纪晚更新世冲洪积土，地层分布均匀，变化平缓。 以灵镜胡同～西四地质情况为例，见表1。

表1 地层参数表

隧道主要穿越地层为：顶部主要为⑤卵石圆砾及部分④2粉土、 中部主要为⑤卵石圆砾及⑥粉质粘土、 底部主要为⑦2粉细砂及⑥2粉土， ⑥及⑥2地层主要呈硬塑状。

2 盾构施工泥饼防治关键控制技术分析

本标段采用两台（1#盾构西四~平安里~新街口区间、2#灵镜胡同~西四区间）日立土压平衡盾构机。基本尺寸相同，区别在于刀盘开口率（42%、38%）和中心区域刀具布置、角度方面的差异（图1），施工过程中开口率较大的泥饼发生率明显偏小。另外，通过盾构在不同的地层中掘进情况来看，在粘性土及砂卵石交替地层易形成泥饼，同时密实的卵石圆砾层增加了盾构掘进时推力和扭矩，在此情况下泥饼的形成有了客观自然的基础。

图1 1# 盾构刀盘与2# 盾构刀盘结构对比图

根据以上分析， 对盾构泥饼的防治措施可从以下两个方面着手：

（1） 对未针对此地层设计的2#盾构机的刀盘进行改造，适当扩大刀盘开口率，同时根据刀盘不同部位的刀具易磨损情况，适当调整刀具的布局，使之更加适合本区间的地层需要。

（2） 根据地层情况对盾构推进过程中添加剂的研究也是十分必要。 有针对性地向密封土舱和刀盘面板适量加注高质量的泡沫或聚合物或膨润土或其中的两种混合液甚至3种混合液等，以改善土体的“和易性”和“塑性”，消除和减少泥饼形成的自然基础。

3 关键技术研究

3.1 盾构刀盘刀具改造技术

刀盘刀具的数量、布置形式、种类、开口率、开口孔隙大小等对切削下来的土体性质影响最大。

在粘性土与砂卵石交替地层中掘进，如果刀具布置不合理、开口率太小，该地层将显示“磨盘”类似的功能，土颗粒在一定的压力和较高的温度下将有序排列，并显示强粘结性，最终形成泥饼，尤其以刀盘中心为泥饼高发区，西四站北端出洞刀盘泥饼见图2。

图2 西四站北端出洞刀盘泥饼

2#盾构掘进过程中发生泥饼后，经过开仓和出洞处理，对刀盘结构进行了部分调整和改进：

（1） 卸除中心刀作用范围内的6 把刮刀并切除其底座，加大刀盘中心开口率（图3）。

图3 拆除中心部分刮刀

（2）在刀盘扇形板上增加两把先行刀，并在辐条上最外侧先行刀内增加一把，增加的先行刀与既有的保持运行轨迹一致，有效防止外围先行刀因磨损较快而失去刀盘刀具的层次，避免地层显示“磨盘”类似的功能，从而尽量减少因此方面原因发生泥饼（图4）。

图4 先行刀增加

（3）盾构开挖净空尺寸由最外围的12 把刮刀开挖形成，外圈周边刮刀行程最大易磨损，将直接影响到刀盘钢圈的寿命， 如2#盾构在平安里北端被磨出100 mm×100 mm 的三角形坑槽，同时钢圈外径减小约60 mm，大大增加了盾构推力，使得粘土在长时间碾压下有序排列并迅速升温、吸收水分从而形成了泥饼。 为加强刀盘周边钢圈的耐磨性，在钢圈内埋入12 把废旧刮刀合金头，有效保证了盾构开挖净空（图5）。

图5 刀盘周边钢圈加强

（4）添加剂注入口调整，添加剂配比实验完成后一段时间内，经过开仓检查发现刀盘面仍有小部分泥饼产生。 通过仔细的检查、分析，发现正常情况下开挖断面底部土仓压力较顶部大60 kPa 左右，排土时粘土易在此聚集。该盾构刀盘布设有6 个注入口，布设在刀盘3 根辐条上，每根辐条上两个注入口共用一条管路， 不等距分布在中心刀两侧，课题组分析得出：当注入口随刀盘转至开挖断面下部时由于高压力土体堵塞，添加剂通过上部注入口喷出，致使下部土体混合情况恶化导致泥饼的产生。

据此在原有2 台泵的基础上增加1 台， 同时将注入口减少至4个， 由于刀盘中心区域为泥饼高发区，施工过程中保证中心注入口的通畅。如图6刀盘注入口示意图所示，蓝色注入口保留使用，这样既保证了开挖面添加剂的均匀注入，每台泵对应一个注入口又确保了注入的有效性。

图6 刀盘注入口示意图

3.2 螺旋输送机改进的技术

两台盾构螺旋输送机伸入土仓总净宽度的三分之二，采用主动取土模式。 由于本标段一半以上地段为粘土含量高的卵石圆砾地层，盾构在掘进过程中，土仓内土在较高压力下如不能及时排出易形成较硬的粘土块，螺旋机叶片磨损严重，螺旋机取土困难亦为泥饼形成的一个原因， 新旧螺旋机叶片对比见图7。

图7 新旧螺旋机叶片对比

针对此种情形，项目部在二次组装前将螺旋机叶片进行了修复、加强，在叶片外周加厚耐磨钢板厚度、叶片上焊上耐磨网格并在叶片端头和腰身上镶嵌废旧先行刀头， 推进两个区间未有大的磨损，效果良好，证明了此改进相当成功， 螺旋机叶片修复、加强效果见图8。

通过以上改进措施，盾构刀盘系统及螺旋机叶片在随后的将近两公里隧道掘进中，仅对刀具进行了部分更换，效果十分明显。

3.3 土体改良技术

3.3.1 添加剂的作用

如何在不同的地层中顺利掘进，对于盾构机来说选择合适添加剂是最合理和最简单的方法，使用添加剂的主要作用有：

（1）降低刀具和出土系统的磨损；

（2）改善工作面土体的稳定性，便于刀具对土体切割的控制；

（3）减小刀盘的动力要求，并使开挖出的土体成为流塑状态；

（4）改善密封土仓内渣土的流动性及和易性；

（5）使得土仓内压力更均匀，降低了在密封仓内形成泥饼的可能性。

图8 螺旋机叶片修复、加强效果图

3.3.2 添加剂的性能及选用

根据本区间隧道大部分顶部为较密实的卵石层和粉细砂层，地下水位在隧道底以下，老城区内密集、陈旧的民房为砖房且无基础，地面以下4~8 m为杂填土层，且管线渗漏水严重，土压变化或地层扰动过大时地面极易发生沉降等情况，在施工中主要采用膨润土和泡沫联合使用的方式。 其中：

膨润土浆液：拌合半饱和的砂卵石土，改变密封土仓内渣土和易性，提高砂性土的塑性，使密封土仓内压力分布更均匀； 盾壳周边充满膨润土，可以减少盾构机的推力，同时起到阻止管片壁后浆液串流至刀盘；粘稠的膨润土浆液可以在工作面上形成低渗透的泥膜，有利于压力传递，使得土压易于控制，避免压力变化幅度过大，减小对地层的扰动。

泡沫：泡沫适用于细颗粒土层中，在渗透系数超过10~5 m/s 的较粗颗粒土层中不适用。 与膨润土相比较优势是体积小， 并在粘土块外面形成薄膜，能分离粘结在一起的粘土矿物颗粒。 泡沫能够降低摩擦力、节约能耗；增加土体的可压缩性，更易于土压平衡的控制。

3.3.3 添加剂的选择

本标段地层特点是隧道开挖断面主要为卵砾石和粉质粘土，隧道顶部为卵石层和粉细砂层，土层中含水量较少。施工期间1#、2#盾构机四次出现刀盘、土仓内发生泥饼，造成盾构推进极度困难，并对地面沉降要求严格的市中心危旧民房区产生了一定不良影响。 根据施工安全形势及成本节约的要求，针对膨润土、泡沫各自的特性及本标段工程地质情况的不断了解，项目部在施工中进行了一系列的配比实验，最终获得成功。

首先土样为现场同区间暗挖隧道中取出，按照前期盾构排土情况进行配比： 卵砾石30%，砂45%，粉质粘土25%，混合均匀。 调配膨润土浆液，按照其粘度、比重、HP 值及添加剂对比，并看其离析情况进行效果判别。 通过钙基及钠基膨润土比较， 由于市场上钠基膨润土效果不明显且价格很高，改用钙基膨润土，共做三组。 图9中可见1 号粘度很大，放置1 d后除析水较2 号多5%；2 号只有很少的析水；3 号状态最好，但造价较高；选用1、2号做对比试验时， 取用2 号膨润土浆液及泡沫按不同比例混合，对比土样的混合状态及放置1 d后状态比较。 4 号状态最好，混合土体蓬松、呈流塑状，用手抓后砂土可顺利将卵石从指缝中挤出，同时泥土不粘手，放置12 h后泡沫基本破灭。 添加剂改良实验记录见表2、表3。

表2 添加剂改良实验记录表

表3 土样添加剂试验

图9 土样添加剂实验

选用4 号浆液施工后出土和易性、刀盘扭矩、推力等方面大有好转， 之后3 km隧道掘进中没有出现泥饼， 且地面沉降控制在±15 mm 内， 添加剂改良前后渣土状况对比见图10。

4 结语

图10 添加剂改良前后渣土状况对比

通过采取上述改进措施后，盾构机刀盘出现泥饼的情况有了很大改善，由开始的500 m左右就要更换一次刀具延长到1 000 m左右，完全可以利用到达车站或风井的机会进行更换，避免了在区间中途换刀。另外，由于减少了泥饼出现的情况，降低了对设备的磨损，加快了施工进度，降低了施工成本，效果十分明显。