探讨盾构施工中的泥饼防治施工技术

王双

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司　湖北武汉　430000）

1　工程概况

本标段工程包括灵镜胡同-西四，西四-平安里及平安里-新街口三个盾构区间，总走向为南北方向，本段线路处于永定河冲积扇轴线中上部偏北，土壤类型主要是永定河冲洪积物。地势平坦开阔，略有起伏，地层分布均匀，变化平缓。以灵镜胡同-西四地质情况为例，隧道主要穿越地层为自上而下依次是卵石圆砾及部分粉±，卵石圆砾及粉质粘土，粉细砂及粉土，地层呈硬塑状。

2　盾构施工泥饼防治关键控制技术分析

本标段选用两台日立土压平衡盾构机，标记为1号，2号。1号盾构机放在平安里-新街口，2号放在灵镜胡同-西四。两台盾构机基本尺寸相同，区别在于一台刀盘开口率为42%，另一台38%，以及两台盾构机的中心区域刀具布置角度方面不同。经实践我们发现施工过程中刀盘开口率42%的盾构机刀盘附着泥饼的几率比38%的盾构机明显偏小。另外，我们还发现不同的土层对盾构机的推进能力有不同过的影响。在粘性土与砂卵石交替的地层比密实的卵石圆砾层更容易形成泥饼，同时密实土层能够增加了盾构机的掘进能力，减少能量损失，施工效果更好。因此，根据实践结果，在泥饼防治中我们可以从两方面入手：①适当开大盾构机刀盘开口率，调整刀具的布局，减少刀具磨损；②尽量选择土层密实的地方施工，如果无法改变施工地点，可以借助添加剂改变土壤和易性，例如向土壤中加注高质量的泡沫或聚合物或膨润土或者混合物等。

3　具体防治措施研究

3.　1 盾构机刀盘开口率

经过实践观察，我们可以知道刀盘刀具的数量、开口率、布置方向、角度、等对盾构机泥饼产出率都有影响。我们采用控制变量的方式研究，假设土层密实，对盾构机刀盘无影响，不合理的刀具布置，过小的开口率，结果显示地层会出现类似于“磨盘”的功能。具体表现在刀具与土层的长时间摩擦，产生大量的热量，使土颗粒显示强粘结性并最终形成泥饼。尤其表现在刀盘中心，西四站北端出洞刀盘泥饼见图1。

2号盾构机在产生泥饼后，经过开仓和出洞处理，调整和改进刀盘结构，主要表现在：

（1）增加盾构机开挖净空尺寸，加大钢圈外径。盾构机开挖净空尺寸是由最外围的12把刮刀开挖形成，外圈刮刀行程最大也最容易磨损，这对刀盘钢圈寿命有直接的影响。实践中，2号盾构机就在平安里北端被磨出100mm×100mm的三角形坑槽。并且减小钢圈外径能够增加盾构推力，使粘土迅速形成泥饼。我们可以在钢圈内预埋12把废旧刀头来加强刀盘周边钢圈的耐磨性.有效保证了盾构机的开挖净空。

图1　

（2）增加添加剂的注入量。工程通过增加压力泵，减少添加剂注入口的数量来保证刀盘中心区域，也就是泥饼高发区的添加剂注入通畅，使注入更加高效。

（3）增加盾构机的开口率。卸除中心刀作用范围内的6把刮刀并切除底座，加大刀盘中心开口率。

（4）增加先行刀的数量。在刀盘扇形板上增加两把先行刀，增加的先行刀要保证与原有刀的运行轨迹一致。这种措施能够有效保护内侧刀具的磨损，防止外侧先行刀较快磨损失去作用，从而减少泥饼的发生概率。

图2　

（5）调整添加剂注人口。虽然使用添加剂可以改变土层的密实度，但是仍然无法完全防治泥饼的产生。通过开仓检查，可以发现开挖断面底部土仓压力比顶部大，排土不方便，粘土容易聚集。笔者通过分析发现泥饼产生原理：当刀盘转至开挖断面下部时注人口会因为高压力土体而发生堵塞，添加剂从上部注入口喷出实现不了预定的效果导致泥饼的产生。

3.2　改良土体密实度

3.2.1添加剂的作用

添加剂的主要作用有：

（1）减小刀具磨损；

（2）改变土层密实度，使刀具方便切割土体；

（3）使得土仓内压力均匀，降低形成泥饼的可能性；

（4）减小刀盘的动力要求；

（5）改善密封土仓内渣土的流动性及和易性。

3.2.2添加剂的性能

因为大部分较密实的卵石层和粉细砂层在本区间隧道的顶部，且地下水位在隧道底以下。这个区域有大量的老房子，部分民房也没有基础。此区域管线渗漏水非常严重加之地面以下4～8m为杂填土层，地层扰动过大或土压变化时地面极易发生沉降等情况。所以在施工中采用了泡沫和膨润土配合使用的方法。添加剂泡沫适用于细颗粒土层中，在渗透系数超过10～5s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。

3.2.3添加剂的选择

本标段地层特点是卵砾石和粉质粘土为主，顶部为卵石层和粉细砂层。土层中含水量较少，在本次施工期间1号、2号盾构机共四次出现泥饼，从而造成盾构机推进速度缓慢，地面沉降严重，对附近市中心危房区产生了严重的影响。笔者翻阅了施工安全条例并严格按照规范要求，以工程安全为前提，节约成本为目标，针对各种添加剂的特性及本标段工程地质情况进行了一系列的配比实验，并最终研究出最符合要求的配合比。我们的实验首先选取现场土样，按照前期盾构机排土情况进行配比，也就是卵砾石：砂：粉质粘土按照6：9：5的比例混合均匀。其次是调配膨润土浆液，按照其粘度、比重、pH值及添加剂配比，静置一段时间后，通过观察它的离析情况进行分析。前期我们还通过对钙基及钠基膨润土比较，发现两者作用相近，但因为市场上钠基膨润土比钙基膨润土价格昂贵且效果不明显，所以试验时选择用钙基膨润土。试验共分为三组，标记为1、2、3号，放置一天后观察可见，l号析出少量的水；2号状态最好，但成本最高；3号粘度大，析出的水比1号多；然后再单独选用l、3号做进一步对比试验，同时再按不同比例混合3号膨润土浆液及泡沫作为4号，对比土样的混合状态及放置一天后的状态。4号状态最好，混合的土体土质蓬松，呈流塑状，甚至用手抓后砂土可以顺利从指缝中挤出，不粘手，大约12h后泡沫才完全消失。所以最终我们决定选用4号浆液进行施工，其效果大为好转，在接下来的挖掘隧道过程中没有出现泥饼，而且对周围地面沉降也得到了很好的控制。

3.3　改进螺旋输送机

盾构螺旋输送机也是施工过程中重要的设备之一，需要将其伸入到土仓总净宽度的2/3处，采用主动取土的方式进行施工。因为本标段地层土质问题，盾构机在掘进过程中，土仓内土体压力较大，也很容易形成泥饼，而坚硬的泥饼会阻碍螺旋机叶片转动，对其磨损严重。因此，笔者对螺旋机进行二次组装，对叶片进行重新修复加强，主要措施有在叶片外周加厚钢板，在叶片上焊耐磨网格，在叶片端头安装废旧先行刀头等，这些措施都是为了减少对螺旋机叶片的磨损，提高其使用寿命，减少成本投入。结果证明这些改进措施都是有效的。

4　结语

通过采取上述改进措施后，大大改善了盾构施工出现泥饼的情况。北京地铁某标段由之前的500m左右更换一次刀具现在变成至少延长一倍的路程再更换刀具。1000m左右的距离就可以利用到达车站的时间来进行更换，避免中途停车。同时，减少泥饼出现，可以减少设备磨损，降低成本，加快施工，提高工作效率。

[1]于海亮.盾构施工中泥饼防治技术的研究[J].江苏建材，2015（5）：36～40.