大断面长距离泥质粉砂岩地层泥水盾构结泥饼现象及对策

池凌杰CHI Ling-jie

（腾达建设集团股份有限公司，杭州 310000）

0 引言

依托工程位于钱塘江北岸，采用超大直径泥水平衡盾构机施工，隧道开挖直径15.03m，管片外径为14.5m，管片内径为13.3m，环长2m。隧道分南、北线，其中南线盾构隧道长度约1.2km，北线约1.4km，隧道最大纵坡1.75%，最小转弯半径750m，最小覆土8.40m，最大覆土21.88m。

主要穿越地层为中风化凝灰质含砾砂岩、中风化泥质粉砂岩、淤泥质粉质粘土、含粘性土碎石、含碎石粉质粘土、圆砾层等。

1 隧道穿越断面情况

南、北线隧道盾构穿越的地层情况基本一致，主要可分为两个阶段，第一阶段穿越地层主要为20a-3中风化泥质粉砂岩（最大抗压强度14.8MPa）、20C-3中风化凝灰质含砾砂岩（最大抗压强度23.4MPa）。该段长度约400 米，其中泥质粉砂岩占比约73%，泥质粉砂岩掘进过程中刀盘易结泥饼，刀具易发生磨损。

第二阶段是九溪冲沟段。隧道顶部④1 为淤泥质粉质粘土，其工程性能较差。施工中容易击穿冒顶。⑫4 圆砾层最大粒径10～18cm，⑰1、⑰2 砾石最大粒径50cm 以上。容易发生堵仓堵管堵泵的情况，该段盾构掘进工作面均一性差，且⑫4 圆砾层⑰2 含粘性土碎石层，渗透系数大，地含水量较高，施工具有较大风险。

2 盾构机防结泥饼针对性设计

2.1 刀盘开口率设置

刀盘整体开口率较大且分布均匀，开口率设置为38%，有利于渣土顺利进入泥水仓内部。

2.2 刀具配置

刀具采用立体式布置方式，刀具类型包括：滚刀、刮刀、边刮刀、超挖刀等。

刀具配置具体为：中心采用18 寸双联滚刀、正面至最外轨迹为19 寸单刃滚刀，同时刀盘边缘弧形区域最外轨迹布置三把滚刀，次外轨迹及倒数第三轨迹布置两把滚刀，提高了刀盘边缘滚刀抗磨损能力。刀盘一共设计有91个刀具轨迹，中心及正面刀间距为90mm，具体间距尺寸见图1 所示。

图1 滚刀轨迹图

2.3 刀盘设置大流量高压冲刷

刀盘背部中心区域的冲刷泥浆均由P0.1 泥浆泵增压后供浆，P0.1 泵最大冲刷流量1000m3/h，降低刀盘中心结泥饼的概率。（图2）

图2 刀盘冲刷设置

3 刀盘结泥饼现象及原因分析

3.1 刀盘结泥饼现象

根据南线隧道推进情况可知，在79 环之前推进速度较为正常，当时盾构机掘削断面以20C-3中风化凝灰质含砾砂岩为主，平均推进速度在20mm/min，总推力62000kN，刀盘扭矩在17000-20000kN·m。

随着断面中20a-3中风化泥质粉砂岩的含量增加，刀盘扭矩逐渐增大，推进速度有所减缓，从81 环后，盾构机开挖面已经进入全断面中风化泥质粉砂岩，总推力增加到65000kN，刀盘扭矩增加到21000～23000kN·m 之间，推进速度下降到12mm/min。

掘进至98 环时，总推力已从65000kN 骤增到74000kN，刀盘扭矩增加到24000～25000kN·m 之间，推进速度已下降到6～8mm/min。

为此，在101 环时组织工作人员进仓检查。检查后发现气垫舱有约5m 的积碴，且堆积密实，刀盘面板、刀箱、牛腿均有不同程度的结泥饼情况，滚刀刀箱泥饼较硬，需要高压水枪配合撬棍才能清理。

同时，对整盘刀具进行了检查量测，撕裂刀和刮刀正常，发现共有偏磨滚刀22 把，其中外周的21 把滚刀全部偏磨，其余滚刀也有不同程度的磨损。

本次进仓作业对气垫舱、面板、牛腿、刀箱所结泥饼均进行了清理，同时对偏磨刀具进行了更换。作业完成后，掘进参数恢复正常，见图3。

图3 掘进参数变化曲线图

3.2 刀盘结泥饼原因分析

泥质粉砂岩地层中掘进时，刀盘将泥质粉砂岩崩解后溶于泥浆，泥浆比重将会迅速上升，进浆比重1.10g/cm3的循环泥浆在掘进1m 后即达到1.20g/cm3，若过程中不弃浆调整，在完成一环推进后进浆比重会达到1.25g/cm3以上。

并且由于当时干化设备数量不足，无法通过分离系统及时外弃废浆进行有效地泥浆指标调整，粘性颗粒在刀盘面板、开口、牛腿、刀箱等处堆积形成板结的泥饼，导致滚刀也无法随刀盘转动也会造成外圈滚刀的偏磨。

4 缓解泥饼现象管理措施

4.1 泥水指标管理

前400 环为长距离、大断面中风化泥质粉砂岩、中风化凝灰质含砾砂岩地层，其中中风化泥质粉砂岩地层在该段中的含量超过70%，且该地层自造浆能力极强，根据颗粒分析报告，其中小于25μ 的粘性颗粒含量83%。

因此，为了降低在该地层中掘进时循环泥浆中粘性颗粒的含量，应通过弃浆稀释的方式尽量降低泥水比重。为了在盾构掘进过程中进浆比重始终保持在1.15g/cm3左右，每一环的弃浆量约为1000m3。

根据过程中的参数监控，由于结泥饼导致的掘进参数第一次出现在90 环左右，后阶段通过降低泥水比重的措施，第二次参数异常出现在216 环附近，说明该方式对于缓解结泥饼现象是有效的。

4.2 进排泥流量与掘进速度的匹配

通常排浆比重可根据下式进行计算：

式中：ρ1-进浆比重，kg/m3；ρ2-排浆比重，kg/m3；ρ3-该地层平均比重，kg/m3；υ-掘进速度，m/min；Q-排浆流量，m3/h。从公式可以看出，在流量一定的情况下，排浆比重是由进浆比重和掘进速度所决定的，通过调配合理比重的进浆来保证泥浆具有良好的携渣能力，同时通过控制掘进速度来控制排浆比重，防止盾构掘削下来的土碴由于管路里的流量不足导致在泥水仓或者气垫仓内沉积。因此，泥质粉砂岩地层中掘进时还应对推进速度进行控制。应控制掘进速度在10-15mm/min，刀盘转速1.5r/min，确保同流量下的管路排渣能力，防止渣土在泥水仓中滞排。

4.3 优化环流流量分配

刀盘面板及刀箱结泥饼的原因之一是细颗粒在刀盘上附着堆积，导致开口逐渐缩小，导致渣块在开口处的通过能力也减弱，一旦卡在空隙处无法通过，会引起聚团效应，直至开口堵死。这也引起来泥水无法顺畅进入开挖仓，渣块更不容易随着泥水排出，如此恶性循环。

因此，在易结泥饼地层中掘进时，需要尽可能分配更多的泥水流量进入开挖仓，让环流系统有效地携渣带出土渣，减少面板开口或刀箱空隙处被泥块堵塞的概率。

4.4 措施效果

本台盾构机初装刀为6 把18 寸镶齿中心双刃滚刀+83 把19 寸光圆单刃滚刀。在掘进完成100 环后，外周的21 把滚刀全部偏磨，其余刀具基本正常。第一次（101 环）进仓主要对外周偏磨滚刀进行更换。

根据第二次（216 环）进仓检查和刀具量测结果所示，第一次所更换的21 把外周滚刀仅有2 把发生偏磨，其余滚刀为3～20mm 的正常磨损。而第一次磨损量在3～25mm的未更换刀具磨损量发展至10～35mm。

通过两次进仓检查，说明调整泥水指标和加强环流排渣是可以缓解刀盘结泥饼，从而延长刀具的使用寿命。

5 不同类型滚刀使用寿命研究

5.1 本工程刀具磨损情况

本台盾构机初装刀为6 把18 寸镶齿中心双刃滚刀+83 把19 寸光圆单刃滚刀。

第一次（101 环）进仓主要对外周偏磨滚刀进行更换，所更换的刀具仍为光圆单刃滚刀。第二次（216 环）进仓也更换了20 把滚刀，其中10 把镶齿滚刀，10 把光圆滚刀。第三次（357 环）进仓量测刀具后发现，第一次（101 环）所更换的光圆滚刀在使用257 环后磨损也达到24～29mm，基本达到更换标准。第二次（216 环）更换的镶齿滚刀的磨损量基本在4mm 以内。

说明相对于光圆滚刀，镶齿滚刀可以更好地适用于此类软岩地层，磨损量更小。

5.2 滚刀破岩机理

滚刀的破岩原理为滚压破碎岩石，其特点是靠滚刀滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用，达到破碎岩石的目的。在盾构机顶推力的作用下，刀盘前端的滚刀紧压岩面，随着刀盘的转动，滚刀不仅绕刀盘中心公转，同时也绕自身的轴心自转。当顶推力超过岩石的强度时，滚刀接触面上的岩石直接被挤压破碎，其接触点周围的岩石会逐渐剥落。

5.3 滚刀寿命预测

5.3.1 影响刀具使用寿命的因素

通常盾构刀具的磨损量由下式计算：

式中：δ－磨损量(mm）；K－磨耗系数（mm/km）；D－刀具轨迹直径（m）；N－刀盘的转动速度（r/min）；L－掘进距离（m）；V－掘进速度（cm/min）。

其中，当同一轨迹上配备有多把滚刀时，磨耗系数K应变为下式：

式中：K－1 条轨迹配置1 把切削刀时的磨耗系数；Kn－1 条轨迹配置n 把切削刀时的磨耗系数。

为计算在允许磨损量下的刀具可掘进距离，可以变式为：

式中：Pe－刀具的切入量，即刀具每转的切入深度（cm/r）；K－磨耗系数（mm/Km）；λ－刀具转动距离寿命，即达到刀具限定磨损量时，边掘削开挖面边转动的可能距离（km）；t－限定磨损量，即刀具磨损量δ 的最大限定值（mm）；R－刀具中易磨损的最外周刀具安装半径（m）。

从计算公式中不难看出，影响刀具使用寿命的因素主要为刀具材质、地质条件、刀盘外径、转速、掘进速度以及掘进长度。

5.3.2 滚刀使用寿命计算

根据南线岩层段进仓刀具实测数据，按照刀具寿命计算公式可以反算得到光圆滚刀和镶齿滚刀在该地层中的磨耗系数，如表1 所示。

表1 南线刀具磨耗系数

假设限定磨损量为25cm，根据公式分别对光圆滚刀和镶齿滚刀在泥质粉砂岩地层中的使用寿命进行计算，如表2、表3 所示。

表2 光圆滚刀使用寿命计算

表3 镶齿滚刀使用寿命计算

在进行盾构刀具使用寿命预测时，刀具的限定磨损量应根据刀具的材质、刀具的安装半径、施工段的地质条件以及类似工程的施工经验进行确定。

在做好刀具使用寿命预测后，可以根据理论寿命编制刀具采购计划以及提前选择安全的换刀点，有利于提高盾构施工管理效率。

6 总结

对泥水盾构在泥质粉砂岩地层中掘进时面临的刀盘易结泥饼、刀具易磨损等难题，根据工程应用结果表明，在掘进该类地层时：①控制掘进参数进浆比重在1.10g/cm3～1.15g/cm3，减少环流系统中的粘性颗粒。②控制掘进速度与进排浆流量相匹配，确保环流排渣能力。③提高泥浆流量进入开挖仓部分的占比，确保开口过流能力。④耐磨合金镶齿滚刀在该地层中使用寿命更长。