上软下硬地层大直径泥水盾构刀盘泥饼成因分析及防治措施*

潘兴良

(中铁七局集团有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

我国城市化发展快速，为缓解日益突出的城市交通压力，开发利用地下空间已成为城市进一步发展的必然路径。盾构法因其对环境影响小、施工速度快、自动化程度高、劳动强度低、隧道结构质量易保证等优点，被广泛应用于城市轨道交通区间隧道施工中[1]。由于前期勘察设计存在缺陷，盾构穿越复杂地层时极易出现刀盘结泥饼的工程技术难题[2]。刀盘泥饼指刀盘切削下来的细小颗粒、碎屑重新黏附在刀盘中心或开口区域而形成的半固体、固体状的块状体[3]。刀盘一旦形成泥饼，盾构掘进速度将显著下降，严重影响工程的施工进度。对此，国内学者对刀盘结泥饼这一工程技术难题进行了不同方面的研究。王助锋等[4]针对泥质粉砂岩地质条件下盾构施工过程中出现的刀盘结泥饼、渣土结泥团等不良现象，从刀盘开口率设计、刀具布置及刀高设置优化等方面对刀盘、刀具配置开展针对性设计，以改善结泥饼现象。李小康[5]、刘辉等[6]从盾构刀盘开口、刀具中滚刀与刮刀位置关系、掘进过程中的加水设施及添加剂的应用、施工管理等方面提出施工中结泥饼问题的预处理措施。傅鑫晖等[7]从渣土改良、掘进模式、参数控制等方面提出防止泥饼形成的施工措施。田世文[8]在局部黏土地层条件下，对泥水盾构刀盘泥饼防治技术进行分析研究。李志军等[9]从盾构穿越的地质情况、盾构设备选型、泥浆指标、盾构施工过程控制等方面对刀盘结泥饼的形成机理进行深入分析。郭庆彪[10]以广州市轨道交通4号线南延段某区间隧道工程为例，采用半仓气压法进行渣土置换。贾璐等[11]从工程水文地质条件、刀盘结构、掘进过程中参数控制3方面分析泥饼形成机理，对相关系统进行优化创新。

本文在前人研究成果的基础上，针对上软下硬地层，基于杭州市环城北路—天目山路提升改造工程，通过分析泥饼形成原因，提出相应的防治措施，以为类似工程提供解决问题的思路和途径。

1 工程概况

杭州市环城北路—天目山路提升改造工程第1标段,西起古翠路交叉口以西,东至保俶路以西，自西向东依次下穿学院路、黄姑山路、教工路、杭大路，工程路线全长约2.33km。其中，明挖段为546m，盾构段南线全长1 757m，北线全长1 755m。标段平面如图1所示。

图1 标段平面示意(单位：m)

2 泥饼成因

2.1 地质原因

根据勘察揭露的地层结构、土性特征、埋藏条件及物理力学性质，结合区域地质资料，勘探深度范围(勘探孔最深50.5m)上部为新近堆积填土和海相沉积淤泥质软土层，中部为河流相沉积黏土层、砂层，下部为山前坡洪积碎石夹黏土层。盾构隧道掘进区域主要分布土层及各土层占比、技术指标如表1所示。

由表1可知，黏土成分占比最高，达到50%以上。随着盾构的掘进，黏土矿物颗粒在刀具切削和刀盘冲击作用下变成碎屑及粉末状，致使刀盘上的土体孔隙不断得到填充而缩小，并在因摩擦力增大而逐步升高的温度和不断加大的压力作用下，转变成致密的烧结体黏附在刀盘上，最终形成大块泥饼。

表1 各土层占比及技术指标

2.2 刀盘、刀具与地层间的矛盾

区间所选盾构为直径13.46m 的气垫式泥水平衡盾构机，采用面板加辐条复合式刀盘(见图2)，开口率约31%，配备8个主动搅拌臂，采用立体式布置，包括88把滚刀、124把刮刀、48把边刮刀、47把撕裂刀、24把保径刀和2把超挖刀，滚刀和刮刀刀高差50mm。刀具配置更偏向于破岩功能，考虑本区间存在全断面中风化岩层，刀具配置合理，但本区间段同时也存在上软下硬复合地层，刀盘结泥饼风险较高，而对此并没有做出相应的刀具配置分析。另外，刀盘中心区域采用5组双联滚刀，开口率较小，且在各辐条与辐板间焊接3个加劲肋板，将大缝隙分割成4个小区域，导致切削下的渣土排出不畅，易被挤压在箱体及刀盘开口角落，在堆积效应影响下，各小区域易被渣土填满塞实形成泥饼。

图2 刀盘结构

2.3 冲刷系统缺陷

刀盘泥浆冲刷系统共设置3个冲刷嘴，冲刷泥浆由10/8FF-AH型泥浆泵增压后供浆，泵电动机驱动功率为315kW，最大冲刷流量1 000m3/h。 实际施工中，出现整个刀盘面结泥饼、冲刷孔被糊住的现象，表明当前冲刷系统实际效果并不明显。

3 防治措施

3.1 化学剂的使用

在实验室采用不同浓度的双氧水溶液对黏土进行剥离。从刀盘上取下黏土块，分割成4块，为更贴近实际情况，将35%浓度双氧水溶液与经过计算的泥浆量混合，配成不同浓度的溶液，最后将黏土块放入溶液中，并记录不同时间段黏土块的变化。黏土块与不同浓度双氧水溶液如图3所示，黏土块在不同浓度溶液作用下随时间的变化如表2所示。

图3 黏土块与不同浓度双氧水溶液

时间/min土块质量(5%)/g土块质量(4%)/g土块质量(3%)/g土块质量(2%)/g0665.38508.77652.01482.1315502.12455.21601.13450.3325415.64366.94569.55427.4335386.94324.18531.26409.8145370.41302.14500.32405.9855359.82294.92462.43395.8565356.74289.55459.12392.35185348.59286.39441.75377.97

由表2可知，185min后，5%，4%，3%，2%溶液中的黏土块质量分别减少了47.61%，43.71%，32.25%，21.60%；反应过程中伴随气泡产生、温度升高的现象，且随着溶液浓度的提高，气泡量和温度升高量均呈上升趋势；此外，在50～60min后，黏土块质量减少不明显，可判断有效反应时间约1h。

选取本工程2021年3月21—23日盾构贯入度监测数据进行分析，双氧水溶液对贯入度的影响如图4所示。

图4 双氧水溶液对贯入度的影响

排除盾构因施工工序开机和停机时对贯入度的影响。由图4可知，3月22日经过双氧水溶液泡仓处理后，22，23日单日贯入度平均值分别为7.25,7.03mm，均远大于21日单日贯入度平均值2.14mm，可见盾构贯入度总体得到了明显提升。

3.2 刀具配置优化

根据地质勘探资料，本区间复合地层段的隧道中心线处主要地层为软土和全风化及强风化软岩层，在掘进至复合地层段时可将部分刀具换成软岩刀具。

针对复合地层段，将中心双联滚刀和辐条上滚刀换为重型撕裂刀进行优化布置(见图5)。重型撕裂刀属于一种先行刀，通过先行切削土体、将土体切割分块，可显著提高切削土体的流动性，提高切削效率，同时为切刀创造良好的切削条件。此外，通过将中心双联滚刀换为撕裂刀可增加刀盘开口率，对预防刀盘中心结泥饼有一定作用。

图5 重型撕裂刀

鱼尾刀是一种专用于刀盘中心的大型整体式软岩刀具，刀具上镶嵌的合金块较大、镶嵌深度较深，能够适应长距离软土地层掘进，可切削硬度不大的岩层。鱼尾刀与周围刀具不在同一个切削面，刀高一般为350～600mm，与其他刀具高差明显，能对流动状态最差的隧道中心部位的小圆断面土体进行超前先行切削。可将鱼尾刀根部设计成锥形，使随刀盘旋转被鱼尾刀切削下的土体在切向、径向运动的基础上，增加一项翻转运动，既能解决刀盘中心部位土体的切削问题，改善切削后土体流动性，又能大大提高盾构机整体掘进水平。

3.3 中心冲刷改进

中心冲刷孔由1个冲刷嘴直径为200mm的主冲刷孔和2个冲刷嘴直径为100mm的辅冲刷孔组成。不改变冲刷流量，可通过换用直径更小的φ80冲刷嘴以获得更大的冲刷压力；将冲刷方向调整至与刀盘面平行，以便冲刷孔能更好地冲刷刀体及刀盘面，使切削土不易与刀盘黏结。针对冲刷孔被糊住的情况，可在喷口处加装喷口保护刀以保障冲刷孔畅通。此外，可在盾体适宜位置处加装1套钻杆式高压冲刷设备，在停机期间可将冲刷钻杆从预留孔处伸至刀盘开口处进行旋转式冲刷，以预防刀盘开口处结泥饼。

3.4 主动开仓检查

当刀盘结泥饼情况较轻微时，可通过冲刷系统利用高压泥浆或清水对中心刀盘进行冲刷清洗，利用氧化剂对泥饼进行化学剥落，往泥浆里添加工业洗衣粉、漂白粉等润滑剂，高速空转刀盘等方法清除泥饼。当刀盘泥饼形成速率大于以上方法效果时，泥饼将越结越厚并逐渐将刀箱和辐板的空隙填满密实，甚至整个泥水仓内积满渣土，这种情况下，最有效的方法就是人工带压进仓进行泥饼清理。

在第132，138，145环管片安装后，对相应环中对应的刀盘泥饼进行人工清理，泥饼清除量随管片环号增加。对该段盾构掘进参数进行统计分析，其统计结果如图6～9所示。

图6 泥饼清理对掘进速度的影响

图7 泥饼清理对贯入度的影响

图8 泥饼清理对盾构总推力的影响

图9 泥饼清理对刀盘扭矩的影响

由图6～9可知，人工清理泥饼后，盾构掘进速度和刀盘贯入度均有不同程度上升；在第132环清理泥饼后，盾构推力和刀盘扭矩仍略有上升，在第145环将泥饼完全清理后，盾构掘进速度、刀盘贯入度、盾构推力和刀盘扭矩有明显的“断层”变化。结合第132，138，145环管片安装后所清理的泥饼量呈逐步增加的趋势，可判断盾构各参数变化量与泥饼清除量呈正相关关系，泥饼量清除越多，盾构参数优化效果越好。

4 结语

1)泥饼形成初期，可结合实际情况配置不同浓度双氧水溶液对刀盘上的泥饼进行化学剥落，同时须对浸泡时间进行把控，以防对掌子面稳定性产生不利影响。

2)防止盾构刀盘结泥饼最关键因素为盾构与地质的适应性，盾构选型一定要适应地质情况[12]。因此在盾构选型前，须对工程地质情况进行详细勘察，并根据勘察结果设计盾构刀盘开口率、刀具配置及中心冲刷系统等。

3)当刀盘泥饼已形成时，最有效的方法是人工进仓清理。盾构各参数变化量与泥饼清除量基本呈正相关关系，即盾构参数将随着泥饼清除量的增多而得到改善，但若泥饼量清除过少，效果将不明显。