分散剂在大直径泥水盾构粉质黏土层掘进中的应用

阎向林

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司）

泥水盾构在黏性土地层施工中刀盘易结泥饼导致施工效率低下，常规办法只能采取通过停机带压进仓人工清理的方式进行处理，而人工清理不仅工作效率低、风险大，还占用直线工期，不能从根本上解决问题。有学者指出，当地层中的黏土矿物＞25%时，刀盘将发生结泥饼现象[1]；当渣土的塑性指数＞20%时，盾构中发生“堵塞”的风险大大提高[2]。豫机城铁项目一标与天津深诺科技有限公司联合研发的高分子材料SN-203 型分散剂可以通过直接作用在刀盘泥饼表面，在短时间内促使黏土颗粒分离，有效克服泥水盾构在黏土地层掘进结泥饼，极大提高了掘进效率。

1 概况

1.1 工程概况

豫机城际铁路一标自郑机城际铁路设计终点DK39+403.418 引出，至郑州南站城际场DK50+200，隧道全长3.8km，为单洞双线隧道。盾构隧道采用圆形断面，断面内径11.3m，管片厚度550mm。

1.2 地质概况

地层情况从上至下依次为粉砂、粉土、粉质黏土、细砂层，具体地层情况如图1 所示，盾构隧道洞身大部分处于粉质黏土层中，局部地段穿越粉砂、细砂，地质情况统计如表1 所示。隧道拱顶埋深10.26m～31.07m，洞身基本处于潜水～承压水中。

2 理论试验

图1 地质纵断面图（单位：m）

表1 盾构隧道地质情况统计

相同含水率时，加入分散剂后土样的抗剪强度降低，土样的液限和塑限也逐渐减小；当分散剂添加量较大时，黏土颗粒的边角带正电处被分散剂中的阴离子占满，分散剂作用效果减弱[3]，因此为达到最佳分散效果，有必对分散剂配比进行试验。

取预筛出渣的黏土块，分割成0.05m3大小渣样分别放入100ml 不同配比的分散剂水溶液静置如表2 所示，在相同作用时间后对效果进行对比分析，如图2、图3、图4 所示。

表2 实验数据

图2 黏土试块

图3 不同配比分散剂

图4 试验效果图

由以上试验对比可以得出，当分散剂浓度达到4%以上时，黏土块溶有明显溶解；当溶液浓度达到10%静置30min 后，黏土快速分解，有形成泥浆的趋势，如图5所示。

3 工程应用

豫机城际项目一标所使用的DZ268 盾构机，开挖轮廓12.81m，前盾直径12.77m，经估算开挖仓及气垫仓可分别容纳浆液约200m3；本次工程实验共分5 次进行：

⑴试验一：在停机后在开挖仓内注入1m3分散剂，在气垫仓注入0.5m3分散剂。刀盘10min 转动一次，停机24h 后恢复掘进，刀盘扭矩由约14000kN·m 减小到约8000kN·m，推力由约70000kN 减小到约58000kN，速度由10mm/min 增加到20mm/min。恢复掘进后可持续2～3环，第3 环参数开始逐渐恶化。

⑵试验二：盾构机检修时，在停机后在开挖仓内注入1m3分散剂，在气垫仓注入0.5m3分散剂。刀盘10min转动一次，停机1h 后恢复掘进，刀盘扭矩由约14000kN·m 减小到约8000kN·m，推力由约70000kN 减小到约58000kN，速度由10mm/min 增加到20mm/min。参数可持续约2 环，第2 环参数开始恶化。

⑶试验三：盾构机检修时，在停机后在开挖仓内注入1m3分散剂。刀盘10min 转动一次，停机1h 后恢复掘进，刀盘扭矩由约14000kN·m 减小到约8000kN·m，推力由约70000kN 减小到约58000kN，速度由10mm/min 增加到20mm/min。参数可持续约2 环，第2 环后半段参数开始恶化。

⑷试验四：盾构机检修时，在停机后在开挖仓内注入0.5m3分散剂。刀盘10min 转动一次，停机1h 后恢复掘进，刀盘扭矩由约14000kN·m 减小到约9000kN·m，推力由约70000kN 减小到约65000kN，速度由10mm/min增加到20mm/min。参数可持续约2 环，第2 环后半段参数开始恶化。

⑸试验五：在1091 环带压进仓作业期间进行了一次分散剂实验：开仓检查发现刀盘只剩余2 个大开口，其余开口全部死刀，箱内全部堵塞，牛腿堵塞，人工清理进度缓慢，一仓仅可完成一个刀箱清理及一把刀具更换工作（以往开仓工作效率约为一仓清理更换两把刀）。第十一仓进仓结束后利用修复泥膜时间，开挖仓能充满泥浆，气垫仓内保持半仓（液位约0），开挖仓内注入1m3分散剂，在气垫仓注入0.5m3分散剂。刀盘10min 转动一次，分散剂浸泡时间约10h 后，修复泥膜，保压试验再次进仓。进仓后人员发现刀盘大开口基本泡开，小开口及刀箱内堵塞粘土已掉落10～20cm。

结论：分散剂可以有效分解刀盘开口堵塞、刀盘背面牛腿淤塞。

4 工程实施措施

⑴预防泥饼：在接泥浆管时停机的大约1h 时间内，向前仓注入0.5m3分散剂，10min 转动一次刀盘。

⑵分散泥饼：在设备检修或倒班或其他原因长时间停机时，向前仓注入0.5m3分散剂，气垫仓注入0.5m3分散剂。

5 使用效果分析

盾构机泥浆管频率为4 环/次，通过采用接泥浆管时注入分散剂并浸泡约1h，可有效降低接管后的两环的推力、扭矩，提高掘进效率，避免参数持续恶化，预防刀盘结泥饼。在长时间停机时用分散剂浸泡，可有效消除刀盘开口及刀盘背面牛腿见淤塞黏土。

通过在盾构施工中掘进，使用优缺点如下所述：

⑴优点：分解仓内堆渣；减少堵仓发生、提高出渣效率；减小刀盘扭矩约25%；减小推力约25%；提高掘进速度30%。

⑵缺点：泥浆比重上升较快；泥浆泵运行负荷增加；弃浆量增加。

6 结束语

根据泥水盾构每推进数（3～4）环必须停机进行管路延伸，针对粉质黏土层调制原液配比，最终调制好的分散剂溶液可以在2h 达80%的效果，为类似地层施工项目提供了参考。但单纯增加使用量与作用时间并不能带来清除泥饼效果的明显提升，需要根据本工程地质条件进行调整才能达到最大使用效果。