泥岩地层盾构渣土改良技术研究

单青红

（中铁十四局集团有限公司，济南 250014）

1 引言

当盾构穿越黏性地层时，盾构刀盘切削下来的渣土会重新聚集并黏附在刀盘上，发生“结泥饼”现象。泥饼的产生会降低刀盘的有效开口率，从而影响刀盘切削下渣土的通过率；泥饼对刀具的包裹会减小刀具的切削能力，降低掘进速度，并造成滚刀的偏磨、刀具的损坏，严重时还会增加刀盘前方土体的阻力，降低盾构机的有效推力，泥饼和地层的剧烈摩擦下会产生大量热量，导致渣土的温度显著提高，影响掘进施工的效率[1]。目前，盾构结泥饼问题尚未完全解决，盾构泥饼仍会对工程进度产生严重阻碍。本文以成都轨道交通资阳线工程穿越泥岩、砂岩地层双模盾构为研究对象，分析泥饼形成过程，并提出相应的渣土改良方案。

2 工程概况

成都轨道交通资阳线工程宝台大道站—苌弘广场站盾构区间全长为2.45 km，区间最小埋深约11.9 m，最大埋深约45.3 m；平面最小曲线半径570 m，最大曲线半径690 m，最大纵向坡度28‰。工程线路平面位置如图1 所示。

图1 宝台大道站—苌弘广场站盾构区间线路平面图

盾构机主要穿越地层为中风化泥岩、砂岩地层，局部穿越强风化泥岩、砂岩地层，地质纵断面如图2 所示，区间地层主要以泥岩为主。泥岩中所含黏土矿物是盾构结泥饼的重要因素。由于泥岩中的黏土矿物颗粒之间的结合力较弱，易于分层和变形，盾构刀盘切削下来的泥岩碎屑与水搅拌混合后会吸水膨胀并泥化。

图2 宝台大道站—苌弘广场站区间线路地质图

现场泥岩土样的矿物成分表如表1、表2 所示。

表1 泥岩土样矿物组成%

表2 黏土矿物成分比

从表中可以看出，现场泥岩中黏土矿物含量占比近40%，且主要包括伊利石和伊蒙混层。伊利石与蒙脱石均具有较大的比表面积和较强的亲水性，易导致土仓堵塞以及刀盘结饼现象出现[2]。

3 渣土改良措施

通过地质情况调研，选取合理的改良材料，然后进行渣土改良效果评价试验，初步确定渣土改良的相关参数，根据现场应用情况及时调整渣土改良剂的配比和添加量。施工工艺如图3 所示。

图3 施工工艺流程图

3.1 改良材料选取

目前，在工程应用中使用的渣土改良剂主要包括水、泡沫剂、分散剂、黏土剥离剂等。

1）水是土三相的重要组成部分，获取方便且成本低，是盾构掘进最常见的改良材料。天然土中，水以结合水或自由水的形式赋存，对于细粒土来说，可以减小土颗粒之间的摩擦，从而增大土体的流动性，降低抗剪强度，但在一定范围内，含水率的提高可以增大土体的黏附性。

2）泡沫属于一种典型的“气液两相体”，当泡沫剂在压力作用下与大量空气混合时，会形成一种薄膜结构，使溶液产生发泡的效果。在渣土改良应用中，通过发泡装置产生大量泡沫，注入渣土之中，泡沫剂溶液中的表面活性剂成分可吸附于黏土颗粒的矿物晶片上，减弱颗粒间的液桥力和静电力，能够有效降低土的黏附性，从而起到改良效果。另外，泡沫的注入可以增加渣土的压缩性，有助于盾构控制土仓内压力的稳定。

3）分散剂可以使物质分散于水等介质中，并形成胶体，从向降低微粒间的黏合力。在黏土地层中添加分散剂可以减小土颗粒间的相互作用，减少土颗粒上的结合水，降低土的黏附性，从而降低盾构结泥饼的风险。

4）黏土剥离剂是用于盾构防结泥饼的新型改良剂，属于阳离子表面活性剂，具有分散和渗透作用，可以显著减少渣土、特别是黏性大的泥状物附着在金属表面。

3.2 渣土改良试验

根据施工渣土级配配制盾构掘进中土仓内的渣土，并对其进行渣土改良效果评价试验。通过坍落度试验（见图4）确定渣土改良效果较好的添加剂配比（泡沫原液中分散剂比例或剥离剂比例、注水量、泡沫比等）。渣土坍落度过小则排渣困难，结泥饼风险高；坍落度过大则保压困难，螺旋机易喷涌。经测试，泥岩地层坍落度合理区间为15～18 cm。根据渣土改良试验结果，可大致判断影响渣土改良的参数之间的关系，初步确定渣土改良的相关参数泡沫原液浓度为2.5%～3.5%，泡沫混合液与空气流量比例约为1∶20，泡沫注入率为80%～120%，并根据现场实际情况向原液中加入一定比例的分散剂（5%～15%）。

图4 坍落度试验

3.3 应用反馈与参数修正

施工时，选取既定的参数进行渣土改良，应定期检查和维护泡沫水泵、电动阀、流量传感器、泡沫管路等设备设施，确保其处于正常的工作状态[3]。掘进过程中，注意观察掘进参数，控制出土量，并注意观察渣土性状，及时改善泡沫发泡效果。在地质情况变化区段，应缓慢改良改变参数。在较易形成泥饼的地层中掘进时，应对每环渣样进行多次取样分析，掘进时，还需对渣样温度实施实时监控。如遇渣土性质变化，应及时排查变化原因，并调整相关参数。

4 掘进控制措施

在盾构机选型时，应结合地勘资料优先选用开口率较大的刀盘；盾构机泡沫系统选择单管单泵模式，刀盘上泡沫孔及加水孔的数量够多，能保证均匀改良切削下来的渣土[4]。在掘进时，泡沫系统要保持常开状态，尤其是刀盘中心位置的泡沫管路。泡沫和水要保证通过刀盘面板加入掌子面，而不是加入土仓。在掘进黏土地层时，要保证在刀盘切削掌子面时改良好渣土流塑性。当刀盘结泥饼时，应首先打通中心泡沫管路，开启泡沫系统，反复正反转刀盘进行冲洗，或采用分散剂进行泡仓。

5 现场应用情况

轨道交通资阳线项目主要穿越中风化泥岩、砂岩地层，在项目初始阶段，选择注入水、泡沫（130～150 L/ 环）和分散剂（5%～15%）进行渣土改良，有效地改善了渣土的流动性，为盾构机快速有序掘进创造了条件。资阳线宝台大道站—苌弘广场站盾构区间常压开仓共计9 次，开仓步距500～600 m。在进入全断面泥岩地层区段时，单纯泡沫和水对渣土改良效果作用有限，开仓检查刀具时，中心刀区域及个别正面滚刀区域结有泥饼，滚刀刀箱泥岩碎屑、砂等混合物堵塞（见图5），大部分滚刀仍能转动；中心区域外刀盘其他开口处未被封闭，未对土仓有效进土量产生明显影响；渣土温度正常，对盾构机的机械设备影响不大，为初期结泥饼现象，盾构机仍能正常掘进。

图5 滚刀被部分堵塞

在完成盾构刀盘泥饼清理后，通过添加一定比例的黏土剥离剂（5%～15%），有效降低了泥岩渣土的黏附性，整体施工过程平稳有序。优化的渣土改良方案改善了盾构掘进参数，盾构的掘进速度增加了约15%，推力减小了约10%，扭矩减小了约15%，提高了掘进效率，节约了施工成本。

6 结语

泥岩地层是发生盾构刀盘结泥饼的高风险地层，开仓清理虽然能有效地去除泥饼，但开仓耗时较久、费用高且具有一定的风险，因此，应采用有效方法预防结泥饼，以显著降低安全风险。本文提出了适用于泥岩地层盾构渣土的改良方案，在添加黏土剥离剂后未出现因泥饼而产生的停机开仓。