[摘要]：復(fù)合地層的盾構(gòu)掘進(jìn)中，盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)泥餅是隧道施工中的一大難題。本文以廣州地鐵2線某區(qū)間的工程為例，通過(guò)從盾構(gòu)機(jī)自身的設(shè)計(jì)制造及施工控制等方面的因素分析探討盾構(gòu)施工中的一些泥餅防治措施。

[主題詞]：盾構(gòu)施工；刀盤；泥餅；防治措施

1 前言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程地不斷深入，城市人口容量和地面交通設(shè)施的負(fù)荷地也越來(lái)越大，城市規(guī)劃的焦點(diǎn)也逐漸地轉(zhuǎn)向地下空間的開(kāi)發(fā)和利用。近年來(lái)，地鐵隧道的大力發(fā)展建設(shè)使得盾構(gòu)工法在施工中被廣泛使用。在廣州、深圳等地區(qū)的泥巖和泥質(zhì)粉砂巖地層中，盾構(gòu)施工常常會(huì)遇到刀盤結(jié)泥餅這一難題，也給盾構(gòu)掘進(jìn)的安全、設(shè)備的耐久性和施工組織的合理性帶來(lái)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

2 工程概況

南浦站～南會(huì)區(qū)間中間風(fēng)井隧道工程屬于廣州軌道交通二八號(hào)延長(zhǎng)線，盾構(gòu)始發(fā)井位于廣州番禺南浦島。工程主要由一組雙孔單線圓形隧道組成，隧道開(kāi)挖直徑6280mm，襯砌成型后凈尺寸5400mm，隧道全長(zhǎng)925.4雙延米。

隧道洞身穿越的地層主要為<7>強(qiáng)風(fēng)化紅層巖、<8>中風(fēng)化紅層巖和，局部為<2-1B>淤泥質(zhì)土層、<2-2>海陸交相淤泥質(zhì)砂層、<3-1>沖積－洪積細(xì)砂、<4-1>粉質(zhì)粘土、<9>微風(fēng)化紅層巖。

3 泥餅成因

3.1 地層地質(zhì)因素

隧道穿越的復(fù)合地層多為強(qiáng)風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層以上的全風(fēng)化層、殘積土層等，這些地層的粘?；蚰z粒含量太高，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。在掘進(jìn)中混合著艙內(nèi)的泥漿重新膠結(jié)在一起，粘附在泥水艙或泥土艙內(nèi)，形成所謂的“泥餅”現(xiàn)象，而且會(huì)裹住滾刀使其無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致掘進(jìn)切削的效率急劇下降，刀盤扭矩上升，造成刀盤油溫過(guò)高，使盾構(gòu)無(wú)法正常掘進(jìn)。

3.2 盾構(gòu)機(jī)的刀盤設(shè)置及刀具的配置

根據(jù)我們?cè)趶V州、深圳地區(qū)的盾構(gòu)施工以及一些相關(guān)資料顯示，在易結(jié)泥餅的盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)機(jī)刀盤和刀具設(shè)計(jì)的缺陷會(huì)大大增加出現(xiàn)泥餅的幾率。如果刀盤中心區(qū)開(kāi)口率較小、在線速度低的情況下，刀盤極易形成面板泥餅，因此刀盤中心開(kāi)口率是泥巖和砂巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)中結(jié)泥餅的重要因素。參照廣州地區(qū)盾構(gòu)施工的現(xiàn)狀，本地區(qū)采用的三菱、小松、海瑞克、威爾特等盾構(gòu)機(jī)開(kāi)口率基本在33%～38%之間，可以認(rèn)為33%是保證少結(jié)泥餅的一個(gè)開(kāi)口率下限。由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題，刀盤內(nèi)的攪拌棒及輻條型式、數(shù)量也是產(chǎn)生泥餅的另一要素。另外刀具的布置和配置是否合理也是產(chǎn)生泥餅的一個(gè)重要指標(biāo)。刀具配置的不合理會(huì)導(dǎo)致切削下的砂土塊度不均、滾刀磨損，一旦出現(xiàn)磨損后，滾刀的切削效率將大大降低，會(huì)逐漸在刀箱、輻條處形成泥餅，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)地不斷進(jìn)行使泥餅情況更加嚴(yán)重。

3.3 施工控制因素

除了地質(zhì)和刀盤刀具設(shè)計(jì)制造的缺陷外，施工過(guò)程中的參數(shù)制定和操作也是刀盤結(jié)泥餅的一個(gè)重要因素，主要為以下幾點(diǎn)：

（1）未能及時(shí)處理易結(jié)泥餅區(qū)域粘附的土團(tuán)及艙內(nèi)的堆積土團(tuán)

泥水盾構(gòu)在泥水艙內(nèi)和氣艙內(nèi)的不同位置均布置有大小不一的泥漿入艙管路。通過(guò)管路的開(kāi)合及壓力流量的調(diào)整，可用泥漿流對(duì)切削下來(lái)的土塊及黏附在刀盤上的土團(tuán)進(jìn)行壓力沖切打散再通過(guò)循環(huán)泥漿流帶走，防止土團(tuán)在艙內(nèi)持續(xù)增大堆積。如果不能在速度，推力以及刀盤扭矩的數(shù)據(jù)的反映下及時(shí)判斷艙內(nèi)的泥餅情況并采取相應(yīng)措施，易結(jié)泥餅區(qū)域粘附的土團(tuán)及艙內(nèi)的堆積土團(tuán)將越積越多，最終形成泥餅。

（2）掘進(jìn)施工中泥漿調(diào)制得不到位

在泥水盾構(gòu)的施工中，泥漿質(zhì)量的調(diào)配及處理是保證盾構(gòu)施工正常穩(wěn)定開(kāi)展的重要保證。在易結(jié)泥餅地層的施工中，泥漿濃度不夠會(huì)很難將土艙里面的土團(tuán)攜帶出來(lái)。此外，倘若泥漿處理系統(tǒng)對(duì)小粒徑顆粒的分離能力的不足，也是在艙內(nèi)促進(jìn)泥餅產(chǎn)生的一個(gè)重要因素。

4 泥餅防治的施工措施

4.1 刀盤的改造及刀盤的配置

在我司完成的南浦～南會(huì)區(qū)間中間風(fēng)井段里，我們盾構(gòu)的掘進(jìn)全斷面中不但有全斷面的巖層段，也有砂層、淤泥層和巖層等多種組合的復(fù)合地層。而且由于上部地層軟弱或上部覆土層厚度小等各種原因，使得在掘進(jìn)中存在刀具磨損而不能更換的風(fēng)險(xiǎn)或需冒險(xiǎn)更換。所以刀具配置不但要考慮在軟土地層段的耐磨損性，同時(shí)也要能在硬巖段順利掘進(jìn)，根據(jù)這兩方面的要求，刀盤需配置適合硬巖掘進(jìn)的刀具，即滾刀，但是滾刀存在不容易轉(zhuǎn)動(dòng)、容易偏磨的風(fēng)險(xiǎn)，所以從以下幾方面配置刀盤刀具：

（1）改造刀盤

我司與海瑞克原設(shè)計(jì)的刀盤中心刀為羊角刀，在珠江新城某標(biāo)段施工中使用發(fā)現(xiàn)該類型中心刀不能滿足破除硬巖的能力，對(duì)掘進(jìn)有很大的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)討論，我們對(duì)刀盤中心刀進(jìn)行了改造，改造為中心滾刀形式，即把刀盤中心位置整體割除，同時(shí)加工一個(gè)整體帶4個(gè)滾刀刀箱的結(jié)構(gòu)替換。

（2）增強(qiáng)耐磨性

為加強(qiáng)刀具的耐磨性，刀具選擇使用鑲合金粒的盤型滾刀，滾刀主要為九玖鑲合金雙刃滾刀，合金粒增強(qiáng)了滾刀的耐磨性，防止其在上軟下硬的復(fù)合巖層中掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)磨損或偏磨。

4.2 刀盤中心P0泵的改造

在刀盤改造后，盡管提高了對(duì)硬巖段施工的處理能力，但也大大降低了刀盤中心的開(kāi)口率，給泥餅的產(chǎn)生埋下隱患。為此，我司對(duì)泥漿的循環(huán)系統(tǒng)也同時(shí)進(jìn)行了改造，在伸入刀盤回轉(zhuǎn)中心的泥漿管設(shè)置了獨(dú)立泵源Po泵，并把泥漿管口延長(zhǎng)至刀盤面板處，在進(jìn)行易結(jié)泥餅地層的掘進(jìn)時(shí)，采用大壓力的泥漿沖刷，避免泥餅形成。通過(guò)實(shí)踐，這個(gè)方案對(duì)泥餅的防治工作還確實(shí)是很實(shí)用的。

4.3 盾構(gòu)施工中采取的措施

（1）泥漿處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)一些研究資料顯示，泥水盾構(gòu)施工中泥餅的形成不但與盾構(gòu)機(jī)刀盤的設(shè)置及刀具的配備有關(guān)，而且還與泥漿中粘粒的濃度大小密切相關(guān)。

混合后泥漿中粘粒的濃度

，

上式中：

γs、γw——土粒的干重度、水的重度；

v0、v——單位時(shí)間內(nèi)泥漿的原始體積（即流量）、被切削土體的體積（m3）；

λ0、λ——泥漿中固體顆粒的含砂率、被切削土體的含砂率；

γ0、γ1、γ——泥漿的原始重度、混合后的泥漿重度、被切削土體的重度；

n——土體孔隙率；

D——盾構(gòu)機(jī)外徑（m）；

s——單位時(shí)間內(nèi)的推進(jìn)長(zhǎng)度，即推進(jìn)速度（m/min）。

根據(jù)研究資料及施工過(guò)程中的摸索，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合后泥漿中粘粒的濃度大于0.4時(shí)，就會(huì)很容易造成“泥餅”形成。特別是當(dāng)盾構(gòu)機(jī)行進(jìn)在一些復(fù)合地層和某些特殊地層中時(shí)，掘進(jìn)全斷面同時(shí)出現(xiàn)巖層和砂層的復(fù)合地層或出現(xiàn)含大量難溶顆粒的粘土質(zhì)砂土地層、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、殘積土層、全風(fēng)化巖層和強(qiáng)風(fēng)化巖層等特殊土層時(shí)，在泥漿處理系統(tǒng)小粒徑顆粒的分離能力不足的情況下，一方面粘粒濃度過(guò)高，含砂率大的泥漿不但使切削下來(lái)的土塊重新膠著在一起直接促進(jìn)泥餅的形成；而且另一方面來(lái)說(shuō)，泥漿的比重也會(huì)隨著掘進(jìn)不斷地增大，泥漿質(zhì)量會(huì)變得越來(lái)越差，難以順利帶出掘進(jìn)中產(chǎn)生的土團(tuán)而成為形成泥餅的材料。

對(duì)于泥漿的處理，我部采用的是每條線2臺(tái)國(guó)產(chǎn)的黑旋風(fēng)泥漿處理系統(tǒng)，每臺(tái)設(shè)計(jì)處理量為500m3/h。首先，通過(guò)泥漿處理系統(tǒng)的組合使用，在經(jīng)過(guò)一級(jí)除砂凈化處理后，能清除90%74μ以上的砂質(zhì)顆粒，同時(shí)清除部分30μ～74μ的砂質(zhì)顆粒；其次，倘若泥漿中的含砂量仍達(dá)不到施工要求，可增加二級(jí)除砂凈化處理，能清除泥漿中剩余的74μ以上的砂質(zhì)顆粒，同時(shí)清除掉30μ以上的粉質(zhì)顆粒；再次，也可以根據(jù)實(shí)際的施工情況在泥漿中加入膨潤(rùn)土等化學(xué)速凝劑，調(diào)節(jié)泥漿的質(zhì)量以使泥漿能順利帶出掘進(jìn)倉(cāng)內(nèi)切削下來(lái)的土塊。大大減小泥餅出現(xiàn)的幾率。

（2）易結(jié)泥餅地層中盾構(gòu)的常規(guī)操作

在盾構(gòu)施工的過(guò)程中，中控室的各項(xiàng)參數(shù)是我們遇到各種掘進(jìn)現(xiàn)象時(shí)的最直接反映。對(duì)泥餅的出現(xiàn)和防治，我們常通過(guò)推進(jìn)的速度、推力及刀盤扭矩的變化情況來(lái)判斷及選擇相應(yīng)的處理措施。一些常規(guī)操作如下：

1）增大總體環(huán)流流量，用大流量泥漿沖刷刀盤，使泥團(tuán)不黏附在刀盤上，減小泥餅形成的幾率。

2）增大單個(gè)或多個(gè)管路的泥漿壓力沖刷刀盤，避免或減少渣土在刀盤上堆積。

3）提高刀盤轉(zhuǎn)速，通過(guò)刀盤離心力使渣土脫離刀盤。

4）根據(jù)地層的組成和掘進(jìn)時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)（扭矩、推力、土倉(cāng)壓力等）以及出渣情況調(diào)節(jié)Po泵的流量。

在實(shí)際施工中，我們也常常把這些操作進(jìn)行組合使用。在增大泥漿流量的同時(shí)可以利用成對(duì)對(duì)稱的管道閥門一開(kāi)一關(guān)以積蓄管道壓力，并通過(guò)有規(guī)律的來(lái)回切換以提高沖刷效果。

5 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)許多城市的地鐵施工中盾構(gòu)工法還不是十分的成熟，在刀盤結(jié)泥餅這類問(wèn)題上還需要不斷地探索和研究。在南浦站～南會(huì)區(qū)間中間風(fēng)井隧道的盾構(gòu)施工中，我們對(duì)刀盤泥餅的防治做了一些探索和總結(jié)：

（1）操作者需要有熟練地操作和判斷能力以及高度的責(zé)任心；

（2）根據(jù)實(shí)際施工情況，對(duì)盾構(gòu)機(jī)自身的設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的制造，刀具的配置及刀盤結(jié)構(gòu)也需進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化；

（3）提高泥漿處理系統(tǒng)的泥漿質(zhì)量，滿足施工需要。并應(yīng)根據(jù)地層地質(zhì)及掘進(jìn)情況對(duì)泥漿的調(diào)配進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；

（4）盾構(gòu)施工是一個(gè)系統(tǒng)的工程，施工中的各種因素，入地層地質(zhì)、盾構(gòu)機(jī)的使用狀況、地面的泥漿處理等都應(yīng)機(jī)結(jié)合起來(lái)。以聯(lián)系統(tǒng)一眼光去研究泥餅防治這一大問(wèn)題。

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