泥水平衡盾构施工安全风险控制措施研究

王国佳

摘要：在富水砂砾层中进行泥水盾构施工会对刀具造成严重磨损，为了减小刀具磨损，提高刀具的使用寿命，以实际工程为例对比分析不同刀具的磨损情况和施工参数，提出对应的优化措施。研究结果表明：三刃滚刀具有抗冲击力强、不易磨损、所需扭矩小的优点，有利于大幅度提高刀具的使用寿命，不仅能够当作主切削刀，還可以起到保护径刀的作用。控制泥浆密度处在1.15～1.20g/cm3范围内，在泥浆黏度和密度较高时，要加入适量水来对其进行稀释；在泥浆的黏度和密度较低时，要加入适量适量膨润土来增大其密度；应将其黏度控制为20～25s。刀盘总推力扭矩正常情况不超过15000kN，扭矩不超过2000kN·m，一旦刀盘和扭矩出现异常，必须对泥浆指标进行调整。

关键词：富水砂砾层；泥水盾构；三刃滚刀；泥浆密度；泥浆黏度

0   引言

交通枢纽、河道、建筑物等地表建筑物会给城市地下工程建设带来较大限制，在很大程度上增加了施工难度，通过盾构法施工可以有效克服此类困难。富水砂砾层渗透系数较大，水压力较高，选择泥水盾构可以较好的防止盾构螺旋机喷涌情况的出现[1-3]。但此种施工方式同样存在一些风险，其中风险较大的是刀盘磨损严重而失去作用，同时有关参数选择错误会增加顶力和扭矩，阻碍施工进度。

目前，已有众多学者对泥水盾构施工影响因素进行了研究[4]。刘新荣[5]等以正交原理为基础，通过有限元对泥水盾构施工的影响因素进行研究，并对掘进参数进行了优化。魏力峰[6]等整理了863环泥水盾构掘进数据，以统计学为基础利用统计学方法分析各地层关键参数的相互联系，并构建了复杂地层中刀盘扭矩预测模型。

基于此，为了优化富水砂砾层中泥水盾构施工的相关参数，提高刀具的使用寿命，本文以实际工程为例，对比分析不同刀具的磨损情况和施工参数，提出了对应的优化措施，为相关工程提供了指导和借鉴。

1   工程概况

某地铁线部分区间为标准单线单洞，分为左、右线，施工所用设备主要为一台泥水盾构机。区间隧道地质大概分为4层，分别是砾砂（4-4）、圆砾（4-5）、砾砂（5-4）和圆砾（5-5），各土层渗透系数依次为60m/d、90m/d、60m/d和90m/d。

2   盾构刀盘的选型与分析

2.1   选择刀盘的标准

地铁线盾构所穿越的地层主要是砂砾层，盾构机的刀具和刀盘在穿越此类地层时会受到较大程度的磨损。此次研究所选区间总长度为1.8km，如果刀具在施工过程中因磨损较大而无法使用，必须开舱更换刀具，由此会延长施工周期，提高施工成本。同时因为砂砾土有较高的渗透系数，且地下水丰富，实施开舱换刀会产生较大风险，所以在选择刀盘类型时，必须保证在穿越1.8km的砂砾地层时不更换刀具，且要避免大直径砾石对刀具造成较大损伤而出现崩刀现象。

2.2   刀盘选型

在富水砂砾层里选择泥水平衡盾构工法进行掘进时，为了保证正面施工的安全性和稳定性，多选择面板式刀盘。刀具类型主要选择三刃滚刀、中心刀、切削刀和先行刀。为了确保在砂卵石地层里刀具有足够耐磨性和抗冲击能力，设计刀盘时并未选择常用的单刃滚刀，而是特别设置了8把三刃滚刀，并将其均匀设置在正面和外周部位。

三刃滚刀与单刃滚刀相比，前者转动力矩较小，在松软砂卵石地层中转动时的阻力更小，受到的磨损较小，使用时间也更长。在刀具数量一致时，三刃滚刀能够设置更多的刃数，刃间距较小，对掘进范围中的其余切削刀具有更强的保护能力。

2.3   刀盘磨损情况分析

实际盾构施工1.8km没有更换刀具，盾构进洞后对刀具的磨损情况进行了统计。其中，切削刀和先行刀磨损情况的分布如图1、图2所示。

从图1和图2中能够看出，切削刀合金高度为40mm时，磨损程度达到65%，磨损近24mm，但有少量刀具存在崩刀情况，近20%刀具的合金钢磨损量超过30mm。先行刀合金刚高度为80mm，磨损程度达到65%，磨损近50mm，近15%刀具的合金钢磨损量超过60mm。滚刀合金磨损量大部分小于20mm，但滚刀刀体磨损程度较大。

由此能够得出，此次盾构刀具的选择和合金高度的设置，能够满足掘进1.8km的要求，磨损量基本保持在65%附近，但有部分（20%）刀具存在崩刀情况。造成此现象的主要原因，是刀盘旋转时切削大颗粒卵石形成了冲击荷载。由此说明，安装8把抗冲击滚刀，能够对刀具起到很好的保护作用。

3   优化泥水平衡盾构掘进参数

3.1   分析施工参数

在施工开始阶段，为了保证掘进正面的安全性和稳定性，最大程度上降低地面沉降，按照朗肯理论对切口水压力进行计算，得出其值为260kPa，泥浆密度为1.2～1.3g/cm3，泥浆黏度为25～30s，推进速度为40mm/min。在施工前250环时间段内，盾构扭矩和推力逐渐增大，两者峰值分别为3860kN·m和21550kN，刀盘电机明显发热，只能以减小推进速度的方式来保证施工的顺利。除此之外，在施工时常有泥团从排泥泵中排出。

第1～600环泥水密度和黏度的变化规律如图3和图4所示。盾构扭矩与推力的变化规律如图5和图6所示。从图3至图6中能够看出，在盾构掘进的第100～250内，砂砾层中含有较多泥土，增大了回收后浆液的黏度，使其大部分超过25s，峰值可达到45s，所以在此范围内施工刀盘的扭矩和推力过大。对此可通过降低推进速度至20mm/min来减小推力。

3.2   优化措施

在施工的前250环阶段，为了保证掘进正面的安全性和稳定性，在选择泥浆性能和切口压力时都取较高值，使正面泥膜具有较好的成形效果，形成与泥皮相似的现象。所以在盾构掘进时，不仅推力和扭矩较大，同时排出了成块泥团。在之后穿越富水砂砾层阶段，参考其余泥水盾构施工项目经验，并结合本项目实际情况，对泥浆指标进行了优化。具体土层泥浆指标如表1所示。

3.2.1   控制密度

泥浆在砂砾地层里渗透速度较快，应控制泥浆密度在1.15～1.20g/cm3范围内。在泥浆黏度和密度较高时，要加入适量水来对其进行稀释。在泥浆的黏度和密度较低时，要加入适量膨润土来增大其密度。

3.2.2   控制黏度

受泥水黏度影响较大的是刀盘掘进切下和悬浮土体流动能力，泥水的黏度越大，土颗粒的悬浮性就越好。但过高的黏度会提高水泥的塑变值与凝胶强度，导致泥浆泵的负荷增大，并使泥水的分离更加困难。对上述因素综合考虑后，取其黏度值为20～25s。

3.2.3   选用泥水分离设备

本项目中选择了一套较为完善的泥水分离装置。该装置可最大程度回收粒径小于20μm的悬浮颗粒物，并可将其投入新浆的调制中，由此显著降低了工程造价。在施工过程中，由于一些土层和砂砾层里存在粉质黏土，造成推进过程中泥浆的密度和黏度增大。

盾构机的扭矩和推力在泥浆黏度大于1.2g/cm3时显著增大，需要加水来稀释泥浆。当施工距离较长时，分离设备会发生磨损。假如旋流器出现严重磨损，就必须及时更换，否则会对泥浆回收造成严重影响，并会增大黏度密度。

实施上述各项优化措施后，盾构机各项参数在后续施工过程中都较为稳定，没有出现较大变化。由于泥水平衡盾构开口率较小，同时泥膜能夠起到了保护作用，使得地面沉降累计值小于10mm。

4   结束语

为了优化富水砂砾层中泥水盾构施工的相关参数，提高刀具的使用寿命，以实际工程为例对比分析不同刀具的磨损情况和施工参数，提出了对应的优化措施，得出以下结论：

选择盾构掘进的方式在富水砂砾层中施工时，刀具与刀盘会受到严重磨损，为此要格外重视刀具的选型。三刃滚刀具有抗冲击力强、不易磨损、所需扭矩小的优点，可以大幅提高刀具的使用寿命，不仅能够当作主切削刀，还可以起到保径刀的作用。

应将泥浆密度控制在1.15～1.20g/cm³范围内。在泥浆黏度和密度较高时，要加入适量水来对其进行稀释；在泥浆的黏度和密度较低时，要加入适量膨润土来增大其密度。应将泥浆黏度控制在20～25s。刀盘总推力扭矩正常情况不超过15000kN，扭矩不超过2000kN·m，一旦刀盘和扭矩出现异常，必须对泥浆指标进行调整，以避免形成正面泥饼和泥皮。

参考文献

[1] 张旭东.土压平衡盾构穿越富水砂层施工技术探讨J].岩土工程学报，2009，31（9）：1445-1449.

[2] 杨杰.富水砂砾卵石地层泥水盾构始发施工技术[J]，科技创新导报，2013（15）：20-21.

[3] 顾国明，陈卫平，周铭谦，等.越江隧道泥水平衡盾构泥水输送和处理系统J].建筑机械化，2010，31（10）：72-74.

[4] 张志鹏，李松松.成都地铁富水砂卵石地层盾构刀盘配置的研究[J].建筑机械，2011（2）：112-116.

[5] 刘新荣，刘东双，陈强，等.泥水盾构开挖面稳定影响因素及参数优化研究[J].地下空间与工程学报，2022，18（6）：1954-1961.

[6] 魏力峰，贾思桢.泥水盾构施工参数相关性及预测策略优化研究[J].地下空间与工程学报，2022，18（6）：1996-2004.