于海亮

(北京城建中南土木工程集團有限公司，北京 100012)

0 引言

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)機在粘性地層的掘進過程中，挖掘面的粘性土體受到刀盤的碾壓， 易在刀盤中心位置向四周土倉內(nèi)壁上形成附著的泥餅， 堅硬的泥餅將會把刀盤開口堵塞， 嚴重降低了盾構(gòu)機掘進能力，對刀盤造成極大的威脅。 但在盾構(gòu)施工中，往往受場地和地質(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)一旦形成嚴重泥餅，將引起出土不暢、推力增大、出土超排和地面沉陷等問題，不利于地面沉降的控制，威脅盾構(gòu)施工的安全。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。因此研究盾構(gòu)防泥餅的技術(shù)具有深遠的意義。

1 工程概況

本標段工程含靈鏡胡同~西四、 西四~平安里及平安里~新街口三個盾構(gòu)區(qū)間，為南北走向。

本標段第四紀沉積物主要為永定河沖洪積物，地勢平坦開闊，略有起伏，沉積物在垂直方向上由粘性土、粉土、砂類土、碎石類土交互沉積而成，沉積韻律較為明顯。 本段線路處于永定河沖積扇軸線中上部偏北，表層為人工填土，其下為第四紀全新世沖洪積土和第四紀晚更新世沖洪積土，地層分布均勻，變化平緩。 以靈鏡胡同～西四地質(zhì)情況為例，見表1。

表1 地層參數(shù)表

隧道主要穿越地層為：頂部主要為⑤卵石圓礫及部分④2粉土、 中部主要為⑤卵石圓礫及⑥粉質(zhì)粘土、 底部主要為⑦2粉細砂及⑥2粉土， ⑥及⑥2地層主要呈硬塑狀。

2 盾構(gòu)施工泥餅防治關(guān)鍵控制技術(shù)分析

本標段采用兩臺（1#盾構(gòu)西四~平安里~新街口區(qū)間、2#靈鏡胡同~西四區(qū)間）日立土壓平衡盾構(gòu)機。基本尺寸相同，區(qū)別在于刀盤開口率（42%、38%）和中心區(qū)域刀具布置、角度方面的差異（圖1），施工過程中開口率較大的泥餅發(fā)生率明顯偏小。另外，通過盾構(gòu)在不同的地層中掘進情況來看，在粘性土及砂卵石交替地層易形成泥餅，同時密實的卵石圓礫層增加了盾構(gòu)掘進時推力和扭矩，在此情況下泥餅的形成有了客觀自然的基礎(chǔ)。

圖1 1# 盾構(gòu)刀盤與2# 盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)對比圖

根據(jù)以上分析， 對盾構(gòu)泥餅的防治措施可從以下兩個方面著手：

（1） 對未針對此地層設(shè)計的2#盾構(gòu)機的刀盤進行改造，適當擴大刀盤開口率，同時根據(jù)刀盤不同部位的刀具易磨損情況，適當調(diào)整刀具的布局，使之更加適合本區(qū)間的地層需要。

（2） 根據(jù)地層情況對盾構(gòu)推進過程中添加劑的研究也是十分必要。 有針對性地向密封土艙和刀盤面板適量加注高質(zhì)量的泡沫或聚合物或膨潤土或其中的兩種混合液甚至3種混合液等，以改善土體的“和易性”和“塑性”，消除和減少泥餅形成的自然基礎(chǔ)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 盾構(gòu)刀盤刀具改造技術(shù)

刀盤刀具的數(shù)量、布置形式、種類、開口率、開口孔隙大小等對切削下來的土體性質(zhì)影響最大。

在粘性土與砂卵石交替地層中掘進，如果刀具布置不合理、開口率太小，該地層將顯示“磨盤”類似的功能，土顆粒在一定的壓力和較高的溫度下將有序排列，并顯示強粘結(jié)性，最終形成泥餅，尤其以刀盤中心為泥餅高發(fā)區(qū)，西四站北端出洞刀盤泥餅見圖2。

圖2 西四站北端出洞刀盤泥餅

2#盾構(gòu)掘進過程中發(fā)生泥餅后，經(jīng)過開倉和出洞處理，對刀盤結(jié)構(gòu)進行了部分調(diào)整和改進：

（1） 卸除中心刀作用范圍內(nèi)的6 把刮刀并切除其底座，加大刀盤中心開口率（圖3）。

圖3 拆除中心部分刮刀

（2）在刀盤扇形板上增加兩把先行刀，并在輻條上最外側(cè)先行刀內(nèi)增加一把，增加的先行刀與既有的保持運行軌跡一致，有效防止外圍先行刀因磨損較快而失去刀盤刀具的層次，避免地層顯示“磨盤”類似的功能，從而盡量減少因此方面原因發(fā)生泥餅（圖4）。

圖4 先行刀增加

（3）盾構(gòu)開挖凈空尺寸由最外圍的12 把刮刀開挖形成，外圈周邊刮刀行程最大易磨損，將直接影響到刀盤鋼圈的壽命， 如2#盾構(gòu)在平安里北端被磨出100 mm×100 mm 的三角形坑槽，同時鋼圈外徑減小約60 mm，大大增加了盾構(gòu)推力，使得粘土在長時間碾壓下有序排列并迅速升溫、吸收水分從而形成了泥餅。 為加強刀盤周邊鋼圈的耐磨性，在鋼圈內(nèi)埋入12 把廢舊刮刀合金頭，有效保證了盾構(gòu)開挖凈空（圖5）。

圖5 刀盤周邊鋼圈加強

（4）添加劑注入口調(diào)整，添加劑配比實驗完成后一段時間內(nèi)，經(jīng)過開倉檢查發(fā)現(xiàn)刀盤面仍有小部分泥餅產(chǎn)生。 通過仔細的檢查、分析，發(fā)現(xiàn)正常情況下開挖斷面底部土倉壓力較頂部大60 kPa 左右，排土?xí)r粘土易在此聚集。該盾構(gòu)刀盤布設(shè)有6 個注入口，布設(shè)在刀盤3 根輻條上，每根輻條上兩個注入口共用一條管路， 不等距分布在中心刀兩側(cè)，課題組分析得出：當注入口隨刀盤轉(zhuǎn)至開挖斷面下部時由于高壓力土體堵塞，添加劑通過上部注入口噴出，致使下部土體混合情況惡化導(dǎo)致泥餅的產(chǎn)生。

據(jù)此在原有2 臺泵的基礎(chǔ)上增加1 臺， 同時將注入口減少至4個， 由于刀盤中心區(qū)域為泥餅高發(fā)區(qū)，施工過程中保證中心注入口的通暢。如圖6刀盤注入口示意圖所示，藍色注入口保留使用，這樣既保證了開挖面添加劑的均勻注入，每臺泵對應(yīng)一個注入口又確保了注入的有效性。

圖6 刀盤注入口示意圖

3.2 螺旋輸送機改進的技術(shù)

兩臺盾構(gòu)螺旋輸送機伸入土倉總凈寬度的三分之二，采用主動取土模式。 由于本標段一半以上地段為粘土含量高的卵石圓礫地層，盾構(gòu)在掘進過程中，土倉內(nèi)土在較高壓力下如不能及時排出易形成較硬的粘土塊，螺旋機葉片磨損嚴重，螺旋機取土困難亦為泥餅形成的一個原因， 新舊螺旋機葉片對比見圖7。

圖7 新舊螺旋機葉片對比

針對此種情形，項目部在二次組裝前將螺旋機葉片進行了修復(fù)、加強，在葉片外周加厚耐磨鋼板厚度、葉片上焊上耐磨網(wǎng)格并在葉片端頭和腰身上鑲嵌廢舊先行刀頭， 推進兩個區(qū)間未有大的磨損，效果良好，證明了此改進相當成功， 螺旋機葉片修復(fù)、加強效果見圖8。

通過以上改進措施，盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)及螺旋機葉片在隨后的將近兩公里隧道掘進中，僅對刀具進行了部分更換，效果十分明顯。

3.3 土體改良技術(shù)

3.3.1 添加劑的作用

如何在不同的地層中順利掘進，對于盾構(gòu)機來說選擇合適添加劑是最合理和最簡單的方法，使用添加劑的主要作用有：

（1）降低刀具和出土系統(tǒng)的磨損；

（2）改善工作面土體的穩(wěn)定性，便于刀具對土體切割的控制；

（3）減小刀盤的動力要求，并使開挖出的土體成為流塑狀態(tài)；

（4）改善密封土倉內(nèi)渣土的流動性及和易性；

（5）使得土倉內(nèi)壓力更均勻，降低了在密封倉內(nèi)形成泥餅的可能性。

圖8 螺旋機葉片修復(fù)、加強效果圖

3.3.2 添加劑的性能及選用

根據(jù)本區(qū)間隧道大部分頂部為較密實的卵石層和粉細砂層，地下水位在隧道底以下，老城區(qū)內(nèi)密集、陳舊的民房為磚房且無基礎(chǔ)，地面以下4~8 m為雜填土層，且管線滲漏水嚴重，土壓變化或地層擾動過大時地面極易發(fā)生沉降等情況，在施工中主要采用膨潤土和泡沫聯(lián)合使用的方式。 其中：

膨潤土漿液：拌合半飽和的砂卵石土，改變密封土倉內(nèi)渣土和易性，提高砂性土的塑性，使密封土倉內(nèi)壓力分布更均勻； 盾殼周邊充滿膨潤土，可以減少盾構(gòu)機的推力，同時起到阻止管片壁后漿液串流至刀盤；粘稠的膨潤土漿液可以在工作面上形成低滲透的泥膜，有利于壓力傳遞，使得土壓易于控制，避免壓力變化幅度過大，減小對地層的擾動。

泡沫：泡沫適用于細顆粒土層中，在滲透系數(shù)超過10~5 m/s 的較粗顆粒土層中不適用。 與膨潤土相比較優(yōu)勢是體積小， 并在粘土塊外面形成薄膜，能分離粘結(jié)在一起的粘土礦物顆粒。 泡沫能夠降低摩擦力、節(jié)約能耗；增加土體的可壓縮性，更易于土壓平衡的控制。

3.3.3 添加劑的選擇

本標段地層特點是隧道開挖斷面主要為卵礫石和粉質(zhì)粘土，隧道頂部為卵石層和粉細砂層，土層中含水量較少。施工期間1#、2#盾構(gòu)機四次出現(xiàn)刀盤、土倉內(nèi)發(fā)生泥餅，造成盾構(gòu)推進極度困難，并對地面沉降要求嚴格的市中心危舊民房區(qū)產(chǎn)生了一定不良影響。 根據(jù)施工安全形勢及成本節(jié)約的要求，針對膨潤土、泡沫各自的特性及本標段工程地質(zhì)情況的不斷了解，項目部在施工中進行了一系列的配比實驗，最終獲得成功。

首先土樣為現(xiàn)場同區(qū)間暗挖隧道中取出，按照前期盾構(gòu)排土情況進行配比： 卵礫石30%，砂45%，粉質(zhì)粘土25%，混合均勻。 調(diào)配膨潤土漿液，按照其粘度、比重、HP 值及添加劑對比，并看其離析情況進行效果判別。 通過鈣基及鈉基膨潤土比較， 由于市場上鈉基膨潤土效果不明顯且價格很高，改用鈣基膨潤土，共做三組。 圖9中可見1 號粘度很大，放置1 d后除析水較2 號多5%；2 號只有很少的析水；3 號狀態(tài)最好，但造價較高；選用1、2號做對比試驗時， 取用2 號膨潤土漿液及泡沫按不同比例混合，對比土樣的混合狀態(tài)及放置1 d后狀態(tài)比較。 4 號狀態(tài)最好，混合土體蓬松、呈流塑狀，用手抓后砂土可順利將卵石從指縫中擠出，同時泥土不粘手，放置12 h后泡沫基本破滅。 添加劑改良實驗記錄見表2、表3。

表2 添加劑改良實驗記錄表

表3 土樣添加劑試驗

圖9 土樣添加劑實驗

選用4 號漿液施工后出土和易性、刀盤扭矩、推力等方面大有好轉(zhuǎn)， 之后3 km隧道掘進中沒有出現(xiàn)泥餅， 且地面沉降控制在±15 mm 內(nèi)， 添加劑改良前后渣土狀況對比見圖10。

4 結(jié)語

圖10 添加劑改良前后渣土狀況對比

通過采取上述改進措施后，盾構(gòu)機刀盤出現(xiàn)泥餅的情況有了很大改善，由開始的500 m左右就要更換一次刀具延長到1 000 m左右，完全可以利用到達車站或風(fēng)井的機會進行更換，避免了在區(qū)間中途換刀。另外，由于減少了泥餅出現(xiàn)的情況，降低了對設(shè)備的磨損，加快了施工進度，降低了施工成本，效果十分明顯。