焦寶珊

一、工程概況

某某工程穿越江隧道長(zhǎng)2.65km，隧道外徑6.2m，采用2臺(tái)氣墊平衡式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，開挖直徑6480mm，是該城市首臺(tái)泥水盾構(gòu)穿越湘江地鐵隧道。區(qū)間線路依次下穿湘江中路、湘江東岸防洪大堤、湘江東河汊、橘子洲（景區(qū)）、湘江西河汊、湘江西岸防洪大堤、瀟湘中路、岳麓教科新村等諸多風(fēng)險(xiǎn)源，且存在溶洞發(fā)育區(qū)、巖層斷裂碎裂帶等不良地質(zhì)，施工難度極大、風(fēng)險(xiǎn)極高。區(qū)間最大水土壓力為3.2Bar，最大覆土深度28.5m，最大水深15.2m。

區(qū)間隧道主要穿越地層為:＜7-3-2＞強(qiáng)風(fēng)化礫巖、＜7-3-3＞中風(fēng)化礫巖、＜7-2-2＞強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、＜7-2-3＞中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、＜11-1-2＞強(qiáng)風(fēng)化砂巖、＜11-1-3＞中風(fēng)化砂巖、＜11-3-3＞中風(fēng)化灰?guī)r、＜11-3-4＞微風(fēng)化灰?guī)r。其中，中風(fēng)化礫巖夾雜泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層，具有富含粘土礦物質(zhì)顆粒、泥鈣質(zhì)膠結(jié)、遇水軟化的特點(diǎn)，該地層粘粒含量較高，大部分為粉質(zhì)粘土，特別容易導(dǎo)致刀盤結(jié)泥餅。

自盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入泥巖復(fù)合地層以來(lái)，盾構(gòu)機(jī)刀盤中心體多次出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象，最直接的表現(xiàn)為：推進(jìn)油缸推力大為增加，刀盤驅(qū)動(dòng)力矩維持在臨界高位，泥水環(huán)流預(yù)篩分出渣減少，刀盤慣入度大為減少，掘進(jìn)速度降低，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)工期。另外，單環(huán)推進(jìn)泥漿指標(biāo)過高，泥漿粘稠，產(chǎn)生較多廢漿，增加了廢漿處理成本。

二、刀盤結(jié)泥餅成因分析

1.地層原因

區(qū)間隧道穿越的主要地層為泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化礫巖及強(qiáng)風(fēng)化礫巖，此巖層成分膠結(jié)物成分含量很高，泥質(zhì)鈣結(jié)，具有富含粘土礦物質(zhì)顆粒（粒徑在2μm以下的細(xì)顆粒，即粘泥）、遇水軟化的特點(diǎn)，在該地層掘進(jìn)時(shí)刀盤切削巖塊遇水極易形成粘泥，粘泥的附著力極強(qiáng)，極易附著在金屬結(jié)構(gòu)表面，裹結(jié)在刀盤上形成泥餅，此外通過刀盤擠壓可形成較多泥團(tuán)，粒徑20cm～30cm不等。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至該地層時(shí)，從泥水分離設(shè)備預(yù)篩分出渣可判斷地層為泥巖復(fù)合地層，出渣碎石塊減少，泥團(tuán)量逐漸增多，同時(shí)掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)突變，扭矩、推力增大，推進(jìn)速度降低，數(shù)據(jù)參數(shù)嚴(yán)重不匹配，表明刀盤已形成泥餅。

2.刀盤面板稍大

刀盤開口率較?。?8%）且面板較大，面板上及中心區(qū)域無(wú)沖刷口。粘泥附著力較強(qiáng)，在泥水的浸泡下軟化，更容易粘附在刀盤面板及開口的結(jié)構(gòu)表面，而又無(wú)較強(qiáng)的流體及時(shí)沖刷掉，粘泥越積越多將刀盤開口處堵塞，在刀盤的擠壓力下附著的粘泥壓實(shí)成密實(shí)的塊狀體，進(jìn)一步阻止切削的渣土進(jìn)入開挖倉(cāng)，最后在刀盤前面形成密實(shí)的餅狀泥塊，當(dāng)泥塊厚度超過刀具切削的高度，刀具無(wú)法對(duì)掌子面形成有效的切削，此時(shí)推力驟然增大，而推進(jìn)速度很小，無(wú)法正常推進(jìn)，造成了結(jié)泥餅現(xiàn)象。

3.沖刷系統(tǒng)能力不足

沖刷系統(tǒng)的動(dòng)力為一臺(tái)90kW的泥漿泵，流量300m3/h，揚(yáng)程80m。沖刷口主要為中心沖刷（中心滾刀后面）和輻條滾刀沖刷，4個(gè)輻條上每條布置3個(gè)沖刷口對(duì)著滾刀沖刷。中心沖刷口口徑為50mm，輻條上沖刷口較多，加上中心沖刷口，估算每個(gè)輻條沖刷口沖刷流量?jī)H為20m3/h。到刀盤上的沖刷管彎道較多，沿程損失較大，泥漿流體到達(dá)沖刷口時(shí)壓力大大減小，沖刷效果不佳。而刀盤沖刷口位置布置也不合理，極易形成泥餅的面板上沒有一個(gè)沖刷口，因此此沖刷系統(tǒng)對(duì)刀盤泥餅產(chǎn)生的防止作用很有限。

三、應(yīng)對(duì)措施及改造方案

1.人工進(jìn)倉(cāng)，清理刀盤泥餅

根據(jù)地質(zhì)特征分析，該地層自穩(wěn)性較好，裂隙不發(fā)育，且盾構(gòu)機(jī)正處于陸地段，上部覆土較厚，通過觀察掌子面非常穩(wěn)定，水量較小可控，故采用常壓進(jìn)倉(cāng)清除刀盤泥餅。

常壓人工進(jìn)入開挖艙分別利用高壓水切割、液壓鎬鑿除、手動(dòng)鋼釬鑿除等方式，徹底清除已板結(jié)的厚泥餅，恢復(fù)原有的光界面及流通通道，保證了切削下來(lái)的渣土進(jìn)入開倉(cāng)的暢通，最后利用泥水環(huán)流系統(tǒng)排出倉(cāng)底堆積渣土。此外，需及時(shí)掌握包含總推力、貫入度在內(nèi)的各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)的實(shí)際情況，采取常態(tài)化預(yù)防機(jī)制，定期進(jìn)倉(cāng)清餅，實(shí)現(xiàn)對(duì)泥餅厚度的有效控制，以免泥餅過厚。

2.改造刀盤沖刷系統(tǒng)

（1）結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn)和刀盤構(gòu)造，在刀盤面板增加沖刷點(diǎn)，提高沖刷能力（范圍和流量），及時(shí)沖掉粘結(jié)在面板泥塊，降低刀盤面板結(jié)泥餅機(jī)率。

（2）刀盤沖刷管路V11，改造格柵沖刷管路V3、V4：改變?cè)袥_刷嘴的形狀和角度，沖刷口由圓形改為鴨嘴性，挺高沖刷動(dòng)能。延伸V11長(zhǎng)度，通過沖刷刀盤的方式清理該處殘留的泥餅，適當(dāng)加大內(nèi)循環(huán)流量，將切削所得的粘土清理干凈。通過泵入泥漿的作用可提高切削所得土體的流塑性，同時(shí)輔以適量的高壓水，有助于降低泥漿粘度，由此提高盾構(gòu)機(jī)的排泥能力，有效避免刀盤面出現(xiàn)泥餅現(xiàn)象。增設(shè)攪拌棒并將其安裝在開挖艙中隔板處，此舉有助于提高渣土的流動(dòng)性，阻止泥餅的形成。

（3）拆除排漿口格柵，提高泥團(tuán)通過率，保證泥水環(huán)流出渣順暢，避免積倉(cāng)。

3.調(diào)整掘進(jìn)模式及參數(shù)

（1）加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的觀察，及時(shí)監(jiān)測(cè)刀盤扭矩推力的實(shí)際值，明確其是否存在異常變化。掘進(jìn)過程中持續(xù)運(yùn)行循環(huán)泵和防泥餅裝置，從而不斷沖洗刀盤，此過程中刀盤中心注水系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，解決泥漿結(jié)餅問題。結(jié)束掘進(jìn)作業(yè)后依然要維持泥漿循環(huán)狀態(tài)，其目的在于深度清理刀盤和開挖艙內(nèi)的渣土，以免發(fā)生渣土大量聚集的現(xiàn)象。

（2）提高送排泥漿流量。經(jīng)切削處理后所得的渣土應(yīng)得到及時(shí)的清理，不宜采用逆循環(huán)推進(jìn)的模式，否則易增加刀盤的渣土堆積量。

（3）盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行期間，應(yīng)保證掘進(jìn)速度穩(wěn)定在20mm/min以內(nèi)，若刀盤扭矩處于相對(duì)較小的狀態(tài)可適當(dāng)加快刀盤的轉(zhuǎn)速，從而減少大塊粘土的數(shù)量。刀盤旋轉(zhuǎn)切削過程中需要時(shí)常執(zhí)行正反向切換操作，避免長(zhǎng)時(shí)間維持相同方向旋轉(zhuǎn)的情況。掘進(jìn)期間及時(shí)觀察出渣量，若異常減少則表明開挖艙和刀盤已發(fā)生渣土堆積現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)及時(shí)清理。定期清洗開挖艙，非特殊情況下每掘進(jìn)30cm執(zhí)行一次，及時(shí)檢測(cè)開挖艙隔板的溫度，以便掌握開挖艙的整體工作狀況。

（4）調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)模式，由“滿倉(cāng)模式”調(diào)整為“半倉(cāng)欠壓模式”推進(jìn)，該模式適用于自穩(wěn)性較好、水流量較小和隔氣性相對(duì)較好的地層，可解決刀盤結(jié)泥餅問題，既降低了刀盤扭矩及總推力，又提高了推進(jìn)速度。

（5）泥水盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層的掘進(jìn)過程中，必須及時(shí)用低比重優(yōu)質(zhì)泥漿置換開挖艙內(nèi)高指標(biāo)泥漿，防止土塊在刀盤和開挖艙附近堆積，保證刀盤開口處通暢。因此要選擇適合泥漿指標(biāo)并嚴(yán)格控制。

由于該地層自造漿能力強(qiáng)，渣土發(fā)生溶解后將促使泥漿粘度和比重大幅提高，嚴(yán)重制約循環(huán)泥漿的作用，降低攜帶渣土的能力，若此問題未得到及時(shí)處理將明顯增多刀盤和開挖艙的粘土團(tuán)。對(duì)此，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)檢測(cè)泥漿指標(biāo)，條件允許時(shí)每環(huán)監(jiān)測(cè)三次。以泥漿實(shí)際情況為出發(fā)點(diǎn)合理調(diào)整排漿方式，適時(shí)加注清水，保證泥漿濃度維持在合理的范圍內(nèi)。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本區(qū)間泥水盾構(gòu)在泥巖復(fù)合地層中的掘進(jìn)施工順利完成，經(jīng)總結(jié)得出如下結(jié)論：

1.針對(duì)可塑、硬塑狀地層的掘進(jìn)作業(yè)，伴隨施工時(shí)間的延長(zhǎng)容易形成泥餅，此現(xiàn)象在富含粘土礦物顆粒的條件下更為明顯，刀具和刀盤將提供切削作用，由此產(chǎn)生大量的粉末狀粘土顆粒并大量聚集，隨之形成泥餅。

2.盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，采取合適的改進(jìn)措施，如加大刀盤中心開口率、優(yōu)化開挖艙內(nèi)循環(huán)運(yùn)行機(jī)制等，由此避免泥餅現(xiàn)象。

3.結(jié)合該地層特點(diǎn)（自造漿能力強(qiáng)），必須選擇合適的泥漿參數(shù)，采用低指標(biāo)泥漿推進(jìn)，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。