渣土改良对刀盘结泥饼的影响分析

摘要：隧道盾构施工穿越不良地质易发生结泥饼现象，进而引起刀盘磨损、施工进度延缓等问题。基于此，以长沙地铁1号线南湖路-铁道学院区间隧道为研究对象，通过现场监测分析盾构掘进参数异常现象。结合塌落度试验、渗透试验、直剪试验，分析不同泡沫掺入比对改良渣土的塌落度、渗透性以及抗剪强度的影响。研究结果表明：当隧道掘进至不良地质后，盾构掘进参数发生异常，在合理的范围内添加泡沫改良剂，有利于盾构机掘进施工。

关键词：盾构刀盘；结泥饼；机理；防治措施

0 引言

不同于传统掘进方法，盾构施工因其施工快速、绿色环保、对周边扰动小、安全性高等优点，被广泛应用。但当盾构隧道穿越不良地质时，常出现刀盘结泥饼现象，这不仅会延缓工程进度，还会损坏盾构机，严重时造成人员伤亡。因此，隧道盾构施工工艺研究已逐渐成为岩土工程的热点之一。

众多学者通过现场监测法、室内试验法、数值模拟法等不同手段开展一系列渣土改良方面研究，并取得了一定成果。本文依托长沙地铁1号线南湖路站-铁道学院站区间隧道，结合现场监测及室内试验，提出了防治结泥饼的最佳措施。

1 工程概况

本标段含一站三区间，均为全地下敷设，分别为铁道学院站、南湖路站-黄土岭站、黄土岭站-涂家冲站、涂家冲站-铁道学院站，其中最长区间隧道长1737m。隧道外径6.0m，内径5.4m，采用盾构法施工，采用两台ZTE6250土压平衡盾构机施工。

区间隧道沿芙蓉路敷设，地貌单元属湘江Ⅳ～Ⅴ级阶地，地形开阔，地形有起伏，地面标高55～80m。湘江阶地多向北微倾斜。湘江Ⅳ～Ⅴ级阶地京广线以北覆盖层，主要由第四系中更新统洞井铺组地层及第四系中更新统新开铺组地层组成，均为网纹状粉质黏土、砂砾石层组成，具明显的二元结构。

人工填土下伏湘江Ⅳ～Ⅴ级阶地的粉质黏土、卵石层、残积粉质黏土，下伏基岩为白垩系神皇山组紫红色泥质砂岩类及第三系枣市组紫红色砾岩类，地层分布较简单，层面较平缓，覆盖层厚度15.50～29.15m，局部大于50m，基岩埋深较浅。

2 盾构施工异常现象

在盾构隧道施工初期，盾构机的推力维持在1200～

1450t范围内波动，掘进速度维持在约45mm/min，刀盘扭矩维持在约1400kN·m，其余相关掘进参数均维持在正常水平。当隧道开挖至黏性土层后，盾构掘进参数发生显著变化，尤其是掘进速度迅速下降至约15mm/min。此外，刀盘扭矩迅速增大，扭矩波动更为剧烈，且常发生堵舱、排渣困难的问题。

工作人员进入盾构机检查，发现刀盘发生结泥饼现象，刀盘刀具合金局部出现脱落现象，虽滚刀未完全损坏，但出现了各种程度的磨损。进入淤泥质黏性土、黏性土层前后，掘进速度和刀盘扭矩的变化曲线如图1所示。

3 刀盘结泥饼防范措施

3.1 常用防范措施

日常施工中，可通过以下措施防止刀盘结泥饼情况的发生。

3.1.1 控制好推进速度

在施工过程中，根据盾构穿越地层的特性，充分了解施工速度、盾构掘进性能、泥土温度之间的能量转换关系，及其对泥饼形成的影响，控制好推进速度，以减少泥饼产生的机率。

3.1.2 严格控制土砂密封温度

土砂密封温度与刀盘的冷却程度有很大关系，循环水是刀盘冷却系统的主要介质，当外界气温高于30℃、隧道内通风系统的功能较差时，随着单环掘进时间的增加，土舱内的温度很容易上升，导致泥饼产生，因此应严格控制冷却水的温度，必要时可使用冰水。

3.1.3 快速均衡施工

盾构施工要求“连续、快速、稳定”。长时间的停机，会导致土舱内土压逐步升高、流动性减弱、刀盘及刀具板结泥饼的可能性增加。而快速均衡施工可降低结泥饼的机率。

3.1.4 掺入改良剂

施工过程中，在土仓内掺入改良剂，可置换出掌子面处渣土部分土颗粒和水分，从而使得渣土粘聚力和内摩擦角减小，提升渣土的流塑性，避免出现结泥饼现象。同时有利于降低盾构机负荷，减小刀盘扭矩。

4 渣土改良效果分析

4.1 试验方案选取

本文从渣土改良的角度，选择3%浓度的发泡溶液作为改良剂，对不同掺入比的改良渣土开展塌落度试验、渗透试验、直剪试验，分析其对改良渣土的塌落度、渗透性以及抗剪强度的影响。具体试验方案详见表1。

4.2 塌落度值随泡沫掺入比的变化

对不同掺入比下改良渣土开展塌落度试验，表2给出了不同工况下改良渣土塌落度值和状态，并将塌落度值绘制于图2。从表2和图2可得，随着泡沫掺入比的提升，改良后渣土的塌落度值先缓慢增大，当掺入比超过15%后，改良后渣土的塌落度值迅速增大。

当泡沫掺入比从0提升至15%时，塌落度值从71mm增大至101mm，增大了约42%。当泡沫掺入比从15%提升至25%时，塌落度值从101mm增大至172mm，增大了约70.3%。当泡沫掺入比从25%提升至35%时，塌落度值从172mm增大至200mm，增大了约16.3。可见，泡沫掺入比对渣土的塌落度有显著影响，且当泡沫掺入比在15%～25%范围内，塌落度改善效果最佳。

进一步观察表1可知，当泡沫掺入比小于20%时，改良渣土混合均匀且流塑性差，改良效果差，不能满足施工要求。当泡沫掺入比大于25%时，改良渣土流塑性过大，难以达到要求。综上所述，当泡沫掺入比在15%～20%范围内，对渣土塌落度的改良效果最佳。

4.3 抗剪强度随泡沫掺入比的变化

对不同掺入比下改良渣土开展直剪试验，表3给出了垂直压力200kPa时，改良渣土的内摩擦角和粘聚力值，并将其绘制于图3。

从表3和图3a可知，随着泡沫掺入比的增大，改良渣土的黏聚力迅速降低，但当泡沫掺入比大于25%后，改良渣土的黏聚力降低有限。初始渣土黏聚力为29.1kPa，当掺入20%的泡沫后，渣土黏聚力降低至22.7kPa，降低了约22.0%。当掺入25%的泡沫后，渣土黏聚力降低至18.9kPa，降低了约35.1%。

从图3b可知，在渣土中掺入泡沫可以减小渣土的内摩擦角，达到改良渣土的效果。随着泡沫掺入比的增加，改良渣土的内摩擦角先缓慢减小，在泡沫掺入比从15%增大至20%过程中，改良渣土的内摩擦角显著降低，当泡沫掺入比超过20%后，改良渣土的内摩擦角降低有限。初始渣土内摩擦角为12.4°，当掺入15%的泡沫后，渣土内摩擦角降低至11.0°，降低了约11.3%。当掺入20%的泡沫后，渣土内摩擦角降低至7.5°，降低了约39.5%。

4.4 渗透系数随泡沫掺入比的变化

对不同掺入比下改良渣土开展渗透试验，图4给出了渗透系数随泡沫掺入比的变化曲线。从图4可以看出，渣土掺入泡沫后，其渗透系数不同程度的减小，掺入泡沫越多，改良渣土的渗透系数越低。

当掺入15%泡沫后，渣土的渗透系数从4.33×10-5cm/s降低至0.58×10-5cm/s，降低了约86.7%；泡沫掺入比从15%提升至25%后，渣土渗透系数降低有限。综上所述，本工程选用掺入比20%的泡沫改良剂效果最佳。

5 结束语

本文基于南湖路站-铁道学院站区间隧道工程，通过现场监测总结了盾构异常现象，并提出了泡沫改良剂的防治措施。主要获得以下结论：

当隧道开挖至黏性土层后，盾构掘进参数发生异常，掘进速度显著减小，扭矩显著提升；当增加盾构总推力时，推进速度提升不明显，刀盘扭矩显著增大。

随着泡沫掺入比的提升，改良后渣土的塌落度值先缓慢增大，当掺入比超过15%后，改良后渣土的塌落度值迅速增大。

增加泡沫掺入比，能有效改善渣土的抗剪性能，当泡沫掺入比为15%～25%范围内，渣土抗剪性能改良效果最佳；渣土掺入泡沫后，其渗透系数不同程度的减小，掺入泡沫越多，改良渣土的渗透系数越低；综合改良渣土塌落度、渗透系数、抗剪强度，当泡沫掺入比为20%，渣土的改良效果最佳。

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