超大直径泥水盾构常压刀盘防结泥饼措施的探讨

(中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001)

随着城市化建设进程加快和地下空间不断开发，超大直径泥水盾构施工在穿越江、河、湖、海等复杂水文地质条件的隧道工程得到广泛应用。大直径泥水盾构的隧道断面一次成型，因能承受高水压下掘进和在常压下更换刀具而被广泛地应用于穿越江、河、湖、海等复杂地质的隧道建设中。此类盾构配备的常压刀盘一般开口偏小，在面对淤泥质土类、黏土类具有低承载力、高压缩性的地质更容易引起刀盘结泥饼。刀盘结泥饼会阻碍排浆口，增大盾构刀盘扭矩，影响施工的安全和进度。本文结合工程实际，研究大直径泥水盾构结泥饼的主要原因，找出防治刀盘结泥饼的一些措施。

1 工程概况

某海湾盾构隧道工程长约3 000m，采用直径∅15m 的泥水平衡盾构掘进，配置常压刀盘。盾构掘进施工范围内地层以淤泥、淤泥混砂、淤泥质土为主；局部地层中掺杂粉质黏土、中粗砂、粉细砂；在隧道进出口段隧道范围的基岩中含微风化、中风化花岗岩。

2 泥饼形成的主要原因

泥饼是盾构刀盘切削的小颗粒、残渣在土舱内与刀盘附近汇集而成半固结和固结的块状体。根据以往施工经验分析，泥饼形成的主要原因一般分为以下几点。

2.1 地质原因

在盾构施工过程中容易形成泥饼的地层主要有黏土类地层和母岩为花岗岩的残积土层等。

一般而言，在花岗岩风化的过程中，只有微量元素会淋滤流失，如Ca、Na、K，而Si、A1类矿物多数得以保留。残积的花岗岩及全风化、强风化地层中，虽然还存有长石类矿物晶体结构的表面，内部已风化成为黏土矿物，并且其总含量基本保持未变。这类花岗岩一旦遇水或者卸荷，矿物晶体结构的表面就被破坏，黏土矿物吸收水分后发生扩张，在不同含水量的情况下显示出流动性和粘结性。泥饼形成的物质基础是黏土矿物。

2.2 盾构选型

盾构施工是否形成泥饼的关键原因是选型，与泥饼形成相关的因素主要有盾构系统刀盘配置、渣土搅拌、泥浆冲刷等系统。

2.2.1 刀盘系统

开口率是造成盾构施工中结泥饼的重要因素，本工程盾构刀盘为常压换刀刀盘，开口率仅为28%，刀盘厚度较大，刀孔为封闭状，渣土的流动性较差。

刀盘中心部位采用6 组双联滚刀，造成刀盘中心区域几乎无空隙，粘性颗粒在刀盘中心附近集聚容易形成板结泥饼。主梁与辅梁的中间焊有筋板相连，将辅梁分割成为4 个独立的小格，渣土流动不畅时极易将小格填满形成泥饼。刀具配置为6 个主梁面板上安装常压可更换滚刀和常压可更换刮刀以及带压刮刀，6 个辅梁上全部为带压刮刀，其中常压滚刀突出刀盘面板225mm，常压刮刀突出刀盘面板185mm，刀的高差为40mm。在黏土地层掘进时，黏土极易粘结于滚刀刀筒附近造成滚刀无法转动使滚刀出现旋磨，导致滚刀和刮刀的高差进一步变小，最后使刀盘行成大面积泥饼。刀盘结构形式图如图1 所示。

图1 刀盘结构图

2.2.2 渣土搅拌系统

在盾构土舱内对渣土起搅拌作用的装置主要有3 类。一种是刀盘支持梁，它随着刀盘的转动搅拌舱内的渣土；二是活动式搅拌棒，它固定在刀盘的背后面板和刀盘的侧面；三是固定式搅拌棒，它大多安装在盾体前舱舱壁上。搅拌臂的长度及其可靠性影响着泥水舱底部的渣土流动，如果对渣土的搅拌松动不足，渣土容易集聚阻碍吸浆口进而增加刀盘行成泥饼的概率。

2.2.3 冲刷系统

在施工过程中，对刀盘和舱内的冲刷流量不足或冲刷管路设计角度不当等都会使刀盘结泥饼概率增加。

2.3 掘进参数的控制

施工过程中盾构的参数控制也是造成刀盘结泥饼的一个重大因素。若是不能根据地层变化的情况调节参数；对刀盘结泥饼后导致的参数变化缺少理解，将造成掘进困难、泥饼进一步形成。

3 防结泥饼措施

3.1 盾构设计制造

为解决刀盘中心区域大面积无泄渣口、渣土停留，刀盘中心面板区域和主梁面板设置有冲洗口，最大流量可达1 500m3/h，冲刷方向为刀盘径向方向，用于冲掉尚未形成的泥饼，即不会损伤掌子面泥膜，又能有效解决刀盘面板区域渣土滞留问题，降低刀盘面板泥饼的形成概率。刀盘面板冲刷如图2 所示。在刀盘开口夹角位置，为了防止由于开口不畅堵塞而形成泥饼，在主梁侧面预留冲刷喷口。

图2 刀盘冲刷示意图

3.2 控制盾构掘进参数

加强对盾构施工过程中参数的观察分析，及时地调整推进的速度和刀盘旋转的速度，时刻注意刀盘扭矩和总推力的变化。掘进施工过程中推进速度不应过快，如果刀盘扭矩不大，可以考虑适当加快刀盘转速，减少大块粘土生成几率。此外，要经常改换刀盘的正反向，不宜让刀盘长时间在同一方向工作。

掘进至容易结泥饼的地质时要加大对泥浆环流系统的控制力度。加大进出泥浆流量，保证渣土及时排走，时刻注意出渣量的变化，当出渣的量反常时，停止推进并对土仓和刀盘进行清仓。

根据本工程地质勘探资料，在掘进至不良地层时为了防止刀盘结泥饼，开始降低并控制泥浆比重，在每掘进50cm 时停机循环清舱1 次，每次清舱时间不少于10min。从表1 部分掘进参数统计表可以看出，经采取上述程序后，总的推力和刀盘扭矩等参数出现缩小趋势，表明刀盘结泥饼现象得到改善。

表1 部分掘进参数统计表

3.3 严格控制泥浆质量

泥水盾构在粘土和中、强风化岩地层施工时，需要用低比重泥浆更换土仓内的高粘性土，以阻止土块在刀盘和土仓附近集聚。因此要严格控制泥浆的质量。

1）施工过程中，严控泥浆的各种数值。根据粘土地层和中、强风化岩岩土特点，通过对施工土层的取样进行实验，选用适合工程实际的泥浆。

2）根据实验结果，控制的主要值应为：黏稠度18～20s；密度1.05～1.15g/cm3。在掘进初期，可以往泥浆内添加药剂，减少刀盘上形成泥饼的几率。

3）施工过程中，泥浆会因为渣土的溶解，引起泥浆参数的升高，使泥浆对渣土的携带力下降，容易造成粘土在刀盘仓内滞留。因此，在盾构施工过程中，要及时对泥浆的指标进行检测，特殊情况下每5min 检测一次。如果泥浆指标超高，通过排浆设备抽走超标浆液或添加清水，稀释高浓度泥浆。

3.4 增加水刀冲刷设备

在施工中项目部根据盾构具体情况订制一套钻杆式高压冲刷设备，安装于盾体内适宜位置，在工序停机期间将冲刷钻杆从舱壁隔板预留孔伸入刀盘开口内进行旋转式冲刷。该套冲刷设备由钻进系统和高压水系统组成，在钻头部位安装高压喷头，钻杆内部为高压水通道，后部拖车安装两套高压水泵，通过变频器控制水泵水压大小。根据本工程使用经验，冲刷水压力控制在300bar时对刀盘开口的冲刷效果较好，较好地预防了刀盘开口处结泥饼的现象。冲刷装置原理如图3 所示。

图3 冲刷装置示意图

4 结语

盾构的选型和掘进过程中各参数的控制对于泥饼的预防和治理十分重要。虽然目前我国的盾构施工技术已日趋成熟，但盾构刀盘结泥饼现象这一问题仍未得到彻底解决，仍然属于一个长期性的研究课题。