土压平衡盾构机刀盘泥饼成因分析及整治

中交路桥华南工程有限公司，广东 中山 528400

1 泥饼现象及成因

1.1 刀盘结泥饼现象

（1）当盾构刀盘出现结泥饼现象时，盾构机的总推力，即总推力逐步增加，刀盘扭矩先增加后降低至接近无推进速度，刀盘基本原地旋转。

（2）随着推进速度的降低和总推力的增加，推进时间持续增长，设备满负荷运转，设备及环境温度会持续升高，液压系统容易出现渗漏油、油温高等现象，设备故障率明显增加，人员作业环境的温度过高，施工温度环境变化明显。

（3）刀盘结泥饼后导致作业及土仓内温度持续增高，高温条件下易造成泥饼烧结，挤压密实度越来越高，形成强度较高的泥饼，对泥饼的清理及掘进造成极大困难。若在推进速度极低、总推力极高的情况下持续强行推进施工，会导致刀盘、刀具在高温条件下变形、损坏、磨损。

1.2 泥饼形成原因

（1）在风化泥质黏性土地层推进过程中，控制仓内土压力过高，特别是满仓掘进时推进阻力较大，易形成高温环境，导致渣土烧结成泥饼。

（2）受到地下水影响，仓内压力难以降低，为避免出现喷涌现象，增加了土仓内控制压力，导致仓内积土较多，而土质黏性较高，使推进阻力增加，作业温度升高。

（3）渣土改良的效果不佳，导致渣土流速性及和易性较差。

（4）刀盘及土仓壁板中心开口处未合理设计改良剂注入口，对渣土冲刷效果不佳，注入孔压力及流量不足。

（5）刀盘及土仓壁板未合理设计主被动搅拌棒，不利于渣土搅拌，造成渣土堆积结块。

（6）在易结泥饼地质隧道施工中未合理设计刀盘开口率，不利于将切削渣土排入土仓，开口率过低造成较大块渣土堵塞刀盘开口，会加速泥饼的形成。

（7）未合理设计刀具配置以及刀具高差布置不合理，不便于渣土切削和破碎，造成渣土堆积。

（8）在复合地层中盾构掘进，盾构司机对地质特性缺乏了解，盾构操作经验不足，应变及处理问题能力欠缺。

（9）盾构机设备维保不到位，导致刀盘驱动系统温度过高。

2 案例工程概况

佛山地铁三号线的3202-3标段东乐路站—大良站隧道施工采取盾构法，从大良站向东乐路站方向掘进施工，隧道外径为6m，内径为5.4m，管片环宽1.5m。隧道左线长1237.141m，最大纵向坡为+27.6‰，平面曲线半径的最小数值为663m，其覆土厚度约为22.536m。该段盾构施工过程中所受干扰因素多为具有承压的基岩风化裂隙水，且全年降水量充足。左线隧道洞身经过的土质为粉质黏土、淤泥质粉细砂、全风化和强风化及中风化泥质粉砂岩。

3 泥饼形成过程

3.1 正常掘进

该区间左线盾构掘进120～188环，隧道主要处于中、强风化泥质粉砂岩地层，控制土压不高于200kPa，推进速度约为50mm/min，总推力为11000～12000kN，刀盘扭矩为1200～1500kN·m。施工参数较为稳定，基本无较大波动。

3.2 参数调整

当掘进至189～193环时，发现地层中含有中风化泥质粉砂岩，且含量逐渐增多，因此在确保地层无沉降的情况下适当降低了控制土压（逐渐降低至160kPa），并配合部分气压，以保护刀盘刀具，减小刀具损坏及磨损，推进速度为40～50mm/min，总推力为12000～13000kN，刀盘扭矩为1600～1800kN·m。在190环的渣土取样以强风化的泥质粉砂岩为主，含有少量中风化的泥质粉砂岩。

3.3 参数变化

（1）当掘进至194～199环时，地下水显著增多，且中风化泥质粉砂岩含量也较之前增加，螺旋机可见喷涌的情况。将土压力控制在180kPa，调整盾构推力为16000kN，掘进速度为20mm/min，刀盘扭矩为2500kN·m，刀盘前方和盾体附近可见轻微沉降。

（2）当掘进至200～202环时，地下水较多，推进中螺旋机出现喷涌量较大的情况，因此不能确保出土量，于是增加总推力至20000kN，推进速度最多为10mm/min，刀盘扭矩为2800～3400kN·m，添加膨润土进行渣土改良，总推力及刀盘扭矩仍有增大趋势。

（3）在参数正常阶段的施工过程中，渣土温度为28～30℃，参数突变后由于推进时间的增加，渣土温度也有逐渐增加趋势，螺旋机出土口渣土温度高达35～38℃。

3.4 泥饼形成

技术人员经过分析判断有结泥饼现象存在，项目部随即召开研讨会议，准备进行开仓作业。开仓作业后，可见刀盘中心及面板外侧开口处出现了比较严重的结泥饼现象，施工人员立即清理泥饼。首先从仓门处向下清理至中心回转处，然后旋转刀盘清理下一个工作面，最后清理刀盘外侧开口处。

4 预防结泥饼的有效措施

（1）采用分散性泡沫剂加强对渣土的改良，每环检查发泡效果及渣土改良情况，及时调整泡沫参数配比（原液∶水=1∶24，混合液∶空气=1∶8）。每次都要在确认渣土改良情况以及发泡效果后方可添加泡沫剂，并再次确认每次的配比。

（2）当发现施工参数出现异常波动或出现停机倒班情况时，为预防施工参数恶化的情况，需要及时增添土仓的分散剂与水混合液（分散剂∶水=1∶4），确保其达到完全搅拌状态，浸泡需要超过8h，并利用分散剂对土块土体进行分散与分离处理，避免出现泥饼。再次恢复掘进时，施工参数均有所好转。

（3）当发现地下水对掘进施工有影响时，立即在盾体后方进行双液二次注浆，封堵后方地下水。应合理采用双液浆对盾体后方5～7环位置进行二次注浆，同时密切留意周边与后方地下水情况。

（4）在中、强风化泥质粉砂岩地层中掘进时，根据沉降监测的结果，严格按照操作规程使用气压辅助推进，降低控制土压力前需要确保沉降处于可控范围内，减小推进阻力。当需要调整姿态时，可适当增加控制的土压力，以及增加总推力及总油压，便于调整盾构姿态。

（5）在作业现场，认真指导司机的操作，确保掘进参数符合设计标准，进一步提升司机的作业技能与紧急情况下的应对能力。

（6）对渣土温度进行认真检测，通常渣土温度为28～31℃，并认真分析渣样。

5 泥饼处理后施工情况

5.1 隧道左线恢复掘进施工情况

自泥饼被清除后，在盾构穿越中风化地层时，从204环恢复掘进至320环，总推力为18000～23000kN，刀盘扭矩为2500～3400kN·m，推进速度为30～40mm/min，总推力及刀盘扭矩仍然较高。然后，及时调整了泡沫注入配比，选用分散性泡沫剂浸泡土仓，并保持连续施工作业，进行二次注浆止水，有效避免了结泥饼现象，顺利穿越了中风化泥质粉砂岩地段以及地下水丰富区域。

从321环掘进至目前610环时，总推力为12000～15000kN，刀盘扭矩为1000～1800kN·m，推进速度为50～60mm/min，盾构施工参数基本稳定，地质变化不大，随着隧道埋深的增加，目前受地下承压水影响较小。此过程中由于地质变化，总推力及刀盘扭矩出现了较小的变化，但总体处于稳定可控状态，避免了泥饼的形成。

5.2 隧道右线掘进施工情况

在隧道右线施工中，通过提前加强以上预防措施及对设备进行改造，吸取左线经验教训，合理调整了施工参数，及时改良了渣土。正常掘进段从40环至目前443环，总推力为8000～1000kN，刀盘扭矩为1200～1800kN·m，推进速度为40～55mm/min，各项施工参数均较稳定。在380～420环时，地质由强风泥质粉砂岩变化为中风化的泥质粉砂岩，且地下水突增，总推力、刀盘扭矩及推进速度等施工参数出现部分波动，推进的总推力变为14000～17000kN，刀盘的扭矩变为2200～3000kN·m，推进速度降低为30～40mm/min；推进至420环后，地质变化为强风化泥质粉砂岩，但地下水仍较多，施工参数基本恢复正常稳定，右线施工中有效避免了泥饼的形成。

6 结束语

佛山地铁三号线3202-3标段东乐路站—大良站隧道施工中，根据对刀盘结泥饼现象以及成因的分析，并结合东乐路站—大良站区间左线结泥饼施工情况，吸取了经验教训，后续盾构施工过程中，通过提前预防并做好过程管控、发现异常及时处理、调整施工参数、进行渣土改良等措施，避免了结泥饼现象的再次发生，也为类似工程项目积累了丰富的经验。