陳喬松，劉德智，楊軍寧，雷金山

(1．廣州市地下鐵道總公司建設(shè)總部，廣東廣州510380;2．中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075)

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤泥餅形成機(jī)理及防治技術(shù)*

陳喬松1，劉德智1，楊軍寧2，雷金山2

(1．廣州市地下鐵道總公司建設(shè)總部，廣東廣州510380;2．中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075)

盾構(gòu)機(jī)在中、強(qiáng)風(fēng)化巖和粘土地層的掘進(jìn)過程中，挖掘面的粘性土體受到刀盤的碾壓，極易自刀盤中心位置向四周逐步在刀盤面和土倉內(nèi)壁上形成附著的泥餅，堅(jiān)硬的泥餅將會(huì)把刀盤開口堵塞，嚴(yán)重降低了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)能力;泥餅的存在加重盾了構(gòu)機(jī)刀盤和刀具的負(fù)荷，常常使掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)突變，大大降低施工效率;此外，當(dāng)?shù)侗P泥餅與土倉中隔板的長時(shí)間摩擦，會(huì)導(dǎo)致中隔板等位置的溫度快速升高，從而引起回轉(zhuǎn)中心橡膠密封件性能的下降，威脅盾構(gòu)施工的安全，本文根據(jù)廣州軌道交通六號(hào)線某標(biāo)段的盾構(gòu)施工情況，開展對(duì)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)泥餅形成機(jī)理和處治技術(shù)進(jìn)行研究，取得明顯的效果。

地鐵施工;盾構(gòu)區(qū)間;泥水平衡盾構(gòu)機(jī);粘土地層;刀盤泥餅;形成機(jī)理;防治技術(shù)技術(shù)

隨著城市高速的發(fā)展，地下軌道交通建設(shè)也飛速發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)在城市軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，給地下工程施工帶來了極大便利。但盾構(gòu)機(jī)在中、強(qiáng)風(fēng)化巖和粘土地層的掘進(jìn)過程中，挖掘面的粘性土體受到刀盤的碾壓，極易自刀盤中心位置向四周逐步在刀盤面和土倉內(nèi)壁上形成附著的泥餅，堅(jiān)硬的泥餅將會(huì)把刀盤開口堵塞，嚴(yán)重降低了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)能力。但在盾構(gòu)施工中，往往受場(chǎng)地和地質(zhì)條件的制約，不能采取人工開倉清除泥餅的處理措施。但是，土倉內(nèi)一旦形成嚴(yán)重泥餅，將引起泥水盾構(gòu)機(jī)土倉壓力的頻繁波動(dòng)，不利于地面沉降的控制。在富水地層中，容易誘發(fā)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)噴涌現(xiàn)象，甚至發(fā)生地面塌方和盾構(gòu)機(jī)損壞。此外，刀盤泥餅與土倉中隔板的長時(shí)間摩擦，會(huì)導(dǎo)致中隔板等位置的溫度快速升高，從而引起回轉(zhuǎn)中心橡膠密封件性能的下降，威脅盾構(gòu)施工的安全。因此盾構(gòu)施工的泥餅問題是盾構(gòu)法施工領(lǐng)域內(nèi)的一大難題所在，因此研究盾構(gòu)防泥餅的技術(shù)具有深遠(yuǎn)的意義。

泥餅是盾構(gòu)刀盤切削下來的細(xì)小砂土顆粒、碎屑在土倉內(nèi)重新聚集而成的半固結(jié)和固結(jié)狀的塊狀體，泥餅的存在加重盾了構(gòu)機(jī)刀盤和刀具的負(fù)荷，常常使掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)突變，大大降低施工效率。早在半個(gè)世紀(jì)以前，日本和歐洲很早就就提出過這樣的問題，并在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷探索解決的方法。

一、泥餅形成原因

在盾構(gòu)掘進(jìn)中容易形成泥餅的地層有可塑、硬塑狀的地層、粘土質(zhì)砂土地層、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、母巖為花崗巖的殘積土層、全風(fēng)化巖層和強(qiáng)分化巖層，這幾類巖層富含粘土礦物顆粒，在刀具的切削和刀盤的沖擊作用下，巖塊變成碎屑和粉末狀，這些碎屑粉末狀的粘土顆粒是形成泥餅的基礎(chǔ)材料和前提條件。

盾構(gòu)刀盤和刀具設(shè)計(jì)制造的缺陷誘導(dǎo)施工掘進(jìn)中“泥餅”的產(chǎn)生，如刀盤中心區(qū)開口率小、刀具線速度低是泥巖和砂巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)中結(jié)泥餅的重要因素;刀盤內(nèi)的攪拌棒及幅條型式、數(shù)量是泥餅產(chǎn)生的另一因素。同時(shí)，刀具布置不合理會(huì)導(dǎo)致切削砂土的塊度不均、滾刀磨損，進(jìn)而降低掘進(jìn)和排土效率，導(dǎo)致泥餅產(chǎn)生。

除地層地質(zhì)和刀盤刀具設(shè)計(jì)制造缺陷外，施工過程中的操作行為也是刀盤結(jié)泥餅的一個(gè)不可忽視的因素，如未能正確判斷復(fù)合地層下的盾構(gòu)掘進(jìn)模式，盾構(gòu)掘進(jìn)各種參數(shù)設(shè)置不合理;掘進(jìn)施工中，渣土改良不到位(土壓平衡盾構(gòu))，或泥漿性能參數(shù)不合理(泥水平衡盾構(gòu));盾構(gòu)機(jī)械維護(hù)保養(yǎng)存在問題，部分設(shè)備功能不能充分有效利用。

二、泥水平衡盾構(gòu)結(jié)泥餅的防治技術(shù)

本文根據(jù)廣州軌道交通六號(hào)線某標(biāo)段的盾構(gòu)施工情況，僅對(duì)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)泥餅形成和處理進(jìn)行分析和研究。

(一)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的工作原理

基本工作原理是通過支撐環(huán)前面裝置隔板的泥水艙中注入適當(dāng)壓力的泥漿使其在開挖面形成泥膜，支承正面土體，并由安裝在正面的大刀盤切削土體表層泥膜，即泥水對(duì)掘削面上的土體作用有一定的壓力(與推進(jìn)力對(duì)應(yīng))，該壓力稱為泥水壓力。切削土體與泥水混合后，形成高密度泥漿，然后由泥漿泵及管道把泥漿輸送到地面處理。在泥水艙內(nèi)和掌子面間建立泥水平衡是泥水盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的根本要求，另外由于盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，采用管片背填同步注漿(雙液漿或單液漿)方式來填充管片與圍巖的間隙，從而達(dá)到減小地層沉降，限制管片位移和變形，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，加強(qiáng)隧道防水性能的目的。如此不斷循環(huán)完成掘削、排土、推進(jìn)，因?yàn)槭悄嗨畨毫κ咕蛳髅娣€(wěn)定平衡，故稱為泥水平衡盾構(gòu)。在該盾構(gòu)區(qū)間施工中，采用2臺(tái)日本三菱泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，管片背填同步注漿采用雙液漿。

(二)工程概況

此盾構(gòu)區(qū)間穿過的全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、殘積土層、沖洪積土層所占比例接近21%，其中全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶巖性大部分為泥質(zhì)粉砂巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，具遇水軟化特點(diǎn)，殘積土層亦具有遇水軟化特點(diǎn)，該地層粘粒含量較高，大部分為粉質(zhì)粘土，特別是殘積土層、強(qiáng)風(fēng)化帶泥質(zhì)粉砂巖地層，易結(jié)泥餅。其中左線盾構(gòu)機(jī)因提前進(jìn)入了上述地層，未能及時(shí)采取增強(qiáng)土倉內(nèi)循環(huán)等相關(guān)措施，風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層遇水軟化和刀盤掘進(jìn)擠壓形成泥團(tuán)堆積固結(jié)后將刀盤及刀盤牛腿包裹，致使刀盤出現(xiàn)空轉(zhuǎn)掘進(jìn)效率低下，掘進(jìn)速度由原來8～10環(huán)/d下降到2環(huán)/d，但因隧道上方覆土為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂等軟弱地層，且含水相當(dāng)豐富、透水性極強(qiáng)，不具備開倉和化學(xué)處理?xiàng)l件。最終在盾構(gòu)機(jī)前方從地面預(yù)先施做了加固體，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入加固體后進(jìn)行了開倉處理。

(三)防治措施

雖然盾構(gòu)法施工的應(yīng)用時(shí)間已經(jīng)較長，刀盤發(fā)生結(jié)泥餅問題一直都是盾構(gòu)法施工中的一大難題。但至今，也沒有一種能夠徹底消除盾構(gòu)泥餅發(fā)生的技術(shù)方法。在施工技術(shù)上更多的是各個(gè)施工單位結(jié)合自己積累的施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析研究，主要集中在對(duì)泥水性能的控制和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的控制選擇上。在對(duì)已形成的泥餅處理方面，主要還是采取人工開倉清除等方式。

1．盾構(gòu)機(jī)設(shè)備改造

泥餅是在掘進(jìn)過程中，泥質(zhì)粉砂巖地層遇水軟化和刀盤掘進(jìn)擠壓形成泥團(tuán)堆積附著在刀盤及刀盤牛腿上，不斷碾壓后形成的。因而增強(qiáng)土倉內(nèi)循環(huán)的能力，降低粘土的附著，對(duì)減輕盾構(gòu)泥餅的形成有非常重要的作用。結(jié)合泥水盾構(gòu)機(jī)環(huán)流系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套土倉內(nèi)循環(huán)裝置，該裝置能同時(shí)進(jìn)行刀盤注水和對(duì)刀盤中心開口處送入循環(huán)泥漿(見圖1)。

圖1 土倉循環(huán)示意圖

該裝置的旋轉(zhuǎn)管前端與刀盤連接，中部孔與刀盤注水通道相通，固定支座安裝在盾構(gòu)機(jī)中隔板上，后端與循環(huán)泵的送泥管相連。在旋轉(zhuǎn)管內(nèi)設(shè)置的隔板將管內(nèi)分成兩個(gè)隔離的內(nèi)腔。

循環(huán)泵將循環(huán)泥漿泵送至后腔，經(jīng)過Y型管注入刀盤中心兩側(cè)。從而直接沖刷刀盤和增大循環(huán)流量。通過調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來獲得合適的泥漿流量。而另一路高壓自來水通過注水管及回轉(zhuǎn)接頭和水管進(jìn)入旋轉(zhuǎn)管前腔，再到達(dá)中心開口。

通過刀盤中心位置注入大流量的循環(huán)泥漿，直接沖刷刀盤，沖掉尚未形成的泥餅，增大內(nèi)循環(huán)流量，及時(shí)把切削下來的粘土帶走，阻止土團(tuán)的相互粘結(jié)和研磨，從而不易結(jié)泥餅。不但所泵入的循環(huán)泥漿可以增加切削土體流塑性，而且注入的高壓自來水可以進(jìn)一步稀釋泥漿粘度，提高盾構(gòu)機(jī)排泥的輸送能力。有效防止盾構(gòu)機(jī)刀盤面泥餅的形成。

同時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)土倉中隔板中部適當(dāng)位置增加布設(shè)攪拌棒，以增加渣土流動(dòng)性。也可以在一定程度上降低泥餅形成的速度。

調(diào)整刀具配置，增加刀具高度差，拉開各類切削刀具的高度差等方式，如采用的貝殼刮刀高出刀盤140mm，外圈滾刀高出刀盤140mm，為開挖面破除下來的碴土留出足夠的出碴空間，可有效減少渣土在刀盤中心滯留的時(shí)間，減小盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)擠壓粘土形成泥餅的速度。

2．嚴(yán)格控制環(huán)流泥水性能參數(shù)

這是非常關(guān)鍵的因素，泥水盾構(gòu)機(jī)在中、強(qiáng)風(fēng)化巖和粘土地層的掘進(jìn)過程中，必須及時(shí)用低比重優(yōu)質(zhì)泥漿置換土倉內(nèi)高粘性土，防止土塊在刀盤和土倉附近堆積，保證刀盤開口處通暢。因此要選擇適合泥漿指標(biāo)，并進(jìn)行嚴(yán)格控制。

(1)掘進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制泥漿的各種性能指標(biāo)，包括粘度、密度和析水率等。根據(jù)中、強(qiáng)風(fēng)化巖和粘土地層巖土特性，通過對(duì)隧道洞身地層的抽芯土樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取使用參數(shù)適合的低粘度、低密度、低失水性的泥漿。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，泥漿指標(biāo)應(yīng)控制為:密度1．05－1.15g/cm3;粘度18－20s。在掘進(jìn)初期，往泥漿內(nèi)添加潤滑劑(如工業(yè)洗滌劑)，可以有效減少巖石粉末和土層中的粘土附著在刀盤或已經(jīng)形成的泥餅上的幾率，并且可以化解初步形成的泥餅。

(3)掘進(jìn)過程中，泥漿會(huì)因渣土的溶解，引起泥漿粘度和比重的快速上升，導(dǎo)致循環(huán)泥漿渣土攜帶能力的嚴(yán)重下降，容易造成粘土團(tuán)滯留在刀盤及土倉內(nèi)。因此，在盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中，要及時(shí)進(jìn)行泥漿指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)，必要時(shí)每5min就需監(jiān)測(cè)一次。根據(jù)泥漿情況，通過泥漿處理設(shè)備排漿和連續(xù)加注清水的方式，稀釋粘稠的高濃度泥漿。

3．控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和環(huán)流系統(tǒng)的配置及操作

加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的觀察，注意刀盤扭矩推力的異常變化。在掘進(jìn)期間，保持循環(huán)泵和刀盤防泥餅裝置對(duì)刀盤不間斷的泥漿循環(huán)和對(duì)刀盤不間斷的沖洗，同時(shí)結(jié)合刀盤中心注水系統(tǒng)的使用。掘進(jìn)完成后繼續(xù)進(jìn)行泥漿循環(huán)，盡量排空刀盤及土倉內(nèi)的渣土，防止其大量的附著。

加大送排泥漿流量。掘進(jìn)過程中，避免采用逆循環(huán)推進(jìn)模式，確保切削下的渣土及時(shí)得到排出，盡量避免刀盤進(jìn)土口和土倉內(nèi)渣土的粘結(jié)。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度不宜超過20mm/min，在刀盤扭矩不大的情況下，可以適當(dāng)加快刀盤的轉(zhuǎn)速，減少大塊粘土產(chǎn)生的數(shù)量。此外，刀盤旋轉(zhuǎn)切削時(shí)，要經(jīng)常進(jìn)行正反向切換，不要長時(shí)間在同一方向旋轉(zhuǎn)。

掘進(jìn)時(shí)要密切注意出渣量的變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)出渣量異常減少時(shí)，要及時(shí)采取對(duì)土倉和刀盤實(shí)施循環(huán)清洗。在掘進(jìn)過程中每掘30cm清洗一次土倉，防止土倉內(nèi)結(jié)成泥餅。對(duì)土倉隔板的溫度也進(jìn)行人工隨時(shí)探測(cè)。

調(diào)整環(huán)流中繼泵的設(shè)置距離，根據(jù)掘進(jìn)地層的地質(zhì)情況及可能出現(xiàn)的泥漿流體性狀及環(huán)流中繼泵的性能，隨著隧道線路的延長，調(diào)整環(huán)流中繼泵的布置距離，從而獲得最佳流體輸送效率。

4．刀盤泥餅在不開倉情況下的消除

對(duì)于輕微的泥餅現(xiàn)象，可以用泥漿或高壓水清洗刀盤。同時(shí)高速空轉(zhuǎn)刀盤，借助泥餅自身的離心力脫離出刀盤的表面。使用工業(yè)除垢劑或者漂白劑破壞粘土土質(zhì)性狀，通過刀盤注水或清洗系統(tǒng)將注入工業(yè)除垢劑或者漂白劑注入刀盤處。在經(jīng)過一段時(shí)間浸泡后，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤攪拌，經(jīng)過攪拌?？娠@著瓦解刀盤表面泥餅的結(jié)塊情況。

5．開倉清除刀盤泥餅

在地質(zhì)條件好的地方比較容易實(shí)現(xiàn)氣壓或者常壓開倉，人工進(jìn)入采取高壓水切割或者其它機(jī)械方式實(shí)施清除。由于泥餅是經(jīng)過長時(shí)間擠壓受熱后形成，硬度極大，需要較長的清除時(shí)間。而在地質(zhì)較軟，或者富水地層中進(jìn)行人工開倉清除泥餅，安全風(fēng)險(xiǎn)就比較大，而且準(zhǔn)備的工作多，時(shí)間長。必要時(shí)，還必須在地面加固配合的條件下才能進(jìn)行，費(fèi)用也高。因而人工開倉清除泥餅具有局限性和較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

三、結(jié)論

1．在有可塑、硬塑狀的地層進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)中容易形成泥餅，當(dāng)富含粘土礦物顆粒，在刀具的切削和刀盤的沖擊作用下，巖土碎屑粉末狀的粘土顆粒是形成泥餅的基礎(chǔ)材料和前提條件。

2．在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)制造階段對(duì)盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如加大刀盤中心開口率，改進(jìn)泥水盾構(gòu)機(jī)環(huán)流系統(tǒng)配置，改善土倉內(nèi)循環(huán)的效果，可有效防止泥餅的形成。

3．根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇合適的泥漿參數(shù)，甚至可在泥漿中添加工業(yè)洗滌劑等物質(zhì)作為潤滑劑，以極大降低粘土間相互結(jié)合的能力。

4．加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)施工管理，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，做好環(huán)流系統(tǒng)的配置，根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)地層的不同地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整操作方式。

［1］周文波．盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004．

［2］程曉．盾構(gòu)施工技術(shù)［M］．上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1990．

［3］竺維彬，鞠世健．盾構(gòu)施工泥餅(次生巖塊)成因及對(duì)策［J］．地鐵科技，2002．

［4］劉德智，雷金山．廣州地鐵淤砂層明挖區(qū)間圍護(hù)工程涌水涌砂分析與處治技術(shù)［J］．長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2009，(2):199－201．

2011－04－21

陳喬松(1969－)，男，高級(jí)工程師，碩士。