探討盾構(gòu)施工中的泥餅防治施工技術(shù)

王雙

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司　湖北武漢　430000）

1　工程概況

本標(biāo)段工程包括靈鏡胡同-西四，西四-平安里及平安里-新街口三個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，總走向?yàn)槟媳狈较?，本段線路處于永定河沖積扇軸線中上部偏北，土壤類型主要是永定河沖洪積物。地勢平坦開闊，略有起伏，地層分布均勻，變化平緩。以靈鏡胡同-西四地質(zhì)情況為例，隧道主要穿越地層為自上而下依次是卵石圓礫及部分粉±，卵石圓礫及粉質(zhì)粘土，粉細(xì)砂及粉土，地層呈硬塑狀。

2　盾構(gòu)施工泥餅防治關(guān)鍵控制技術(shù)分析

本標(biāo)段選用兩臺日立土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，標(biāo)記為1號，2號。1號盾構(gòu)機(jī)放在平安里-新街口，2號放在靈鏡胡同-西四。兩臺盾構(gòu)機(jī)基本尺寸相同，區(qū)別在于一臺刀盤開口率為42%，另一臺38%，以及兩臺盾構(gòu)機(jī)的中心區(qū)域刀具布置角度方面不同。經(jīng)實(shí)踐我們發(fā)現(xiàn)施工過程中刀盤開口率42%的盾構(gòu)機(jī)刀盤附著泥餅的幾率比38%的盾構(gòu)機(jī)明顯偏小。另外，我們還發(fā)現(xiàn)不同的土層對盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)能力有不同過的影響。在粘性土與砂卵石交替的地層比密實(shí)的卵石圓礫層更容易形成泥餅，同時(shí)密實(shí)土層能夠增加了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)能力，減少能量損失，施工效果更好。因此，根據(jù)實(shí)踐結(jié)果，在泥餅防治中我們可以從兩方面入手：①適當(dāng)開大盾構(gòu)機(jī)刀盤開口率，調(diào)整刀具的布局，減少刀具磨損；②盡量選擇土層密實(shí)的地方施工，如果無法改變施工地點(diǎn)，可以借助添加劑改變土壤和易性，例如向土壤中加注高質(zhì)量的泡沫或聚合物或膨潤土或者混合物等。

3　具體防治措施研究

3.　1 盾構(gòu)機(jī)刀盤開口率

經(jīng)過實(shí)踐觀察，我們可以知道刀盤刀具的數(shù)量、開口率、布置方向、角度、等對盾構(gòu)機(jī)泥餅產(chǎn)出率都有影響。我們采用控制變量的方式研究，假設(shè)土層密實(shí)，對盾構(gòu)機(jī)刀盤無影響，不合理的刀具布置，過小的開口率，結(jié)果顯示地層會(huì)出現(xiàn)類似于“磨盤”的功能。具體表現(xiàn)在刀具與土層的長時(shí)間摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，使土顆粒顯示強(qiáng)粘結(jié)性并最終形成泥餅。尤其表現(xiàn)在刀盤中心，西四站北端出洞刀盤泥餅見圖1。

2號盾構(gòu)機(jī)在產(chǎn)生泥餅后，經(jīng)過開倉和出洞處理，調(diào)整和改進(jìn)刀盤結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)在：

（1）增加盾構(gòu)機(jī)開挖凈空尺寸，加大鋼圈外徑。盾構(gòu)機(jī)開挖凈空尺寸是由最外圍的12把刮刀開挖形成，外圈刮刀行程最大也最容易磨損，這對刀盤鋼圈壽命有直接的影響。實(shí)踐中，2號盾構(gòu)機(jī)就在平安里北端被磨出100mm×100mm的三角形坑槽。并且減小鋼圈外徑能夠增加盾構(gòu)推力，使粘土迅速形成泥餅。我們可以在鋼圈內(nèi)預(yù)埋12把廢舊刀頭來加強(qiáng)刀盤周邊鋼圈的耐磨性.有效保證了盾構(gòu)機(jī)的開挖凈空。

圖1　

（2）增加添加劑的注入量。工程通過增加壓力泵，減少添加劑注入口的數(shù)量來保證刀盤中心區(qū)域，也就是泥餅高發(fā)區(qū)的添加劑注入通暢，使注入更加高效。

（3）增加盾構(gòu)機(jī)的開口率。卸除中心刀作用范圍內(nèi)的6把刮刀并切除底座，加大刀盤中心開口率。

（4）增加先行刀的數(shù)量。在刀盤扇形板上增加兩把先行刀，增加的先行刀要保證與原有刀的運(yùn)行軌跡一致。這種措施能夠有效保護(hù)內(nèi)側(cè)刀具的磨損，防止外側(cè)先行刀較快磨損失去作用，從而減少泥餅的發(fā)生概率。

圖2　

（5）調(diào)整添加劑注人口。雖然使用添加劑可以改變土層的密實(shí)度，但是仍然無法完全防治泥餅的產(chǎn)生。通過開倉檢查，可以發(fā)現(xiàn)開挖斷面底部土倉壓力比頂部大，排土不方便，粘土容易聚集。筆者通過分析發(fā)現(xiàn)泥餅產(chǎn)生原理：當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)至開挖斷面下部時(shí)注人口會(huì)因?yàn)楦邏毫ν馏w而發(fā)生堵塞，添加劑從上部注入口噴出實(shí)現(xiàn)不了預(yù)定的效果導(dǎo)致泥餅的產(chǎn)生。

3.2　改良土體密實(shí)度

3.2.1添加劑的作用

添加劑的主要作用有：

（1）減小刀具磨損；

（2）改變土層密實(shí)度，使刀具方便切割土體；

（3）使得土倉內(nèi)壓力均勻，降低形成泥餅的可能性；

（4）減小刀盤的動(dòng)力要求；

（5）改善密封土倉內(nèi)渣土的流動(dòng)性及和易性。

3.2.2添加劑的性能

因?yàn)榇蟛糠州^密實(shí)的卵石層和粉細(xì)砂層在本區(qū)間隧道的頂部，且地下水位在隧道底以下。這個(gè)區(qū)域有大量的老房子，部分民房也沒有基礎(chǔ)。此區(qū)域管線滲漏水非常嚴(yán)重加之地面以下4～8m為雜填土層，地層擾動(dòng)過大或土壓變化時(shí)地面極易發(fā)生沉降等情況。所以在施工中采用了泡沫和膨潤土配合使用的方法。添加劑泡沫適用于細(xì)顆粒土層中，在滲透系數(shù)超過10～5s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。

3.2.3添加劑的選擇

本標(biāo)段地層特點(diǎn)是卵礫石和粉質(zhì)粘土為主，頂部為卵石層和粉細(xì)砂層。土層中含水量較少，在本次施工期間1號、2號盾構(gòu)機(jī)共四次出現(xiàn)泥餅，從而造成盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度緩慢，地面沉降嚴(yán)重，對附近市中心危房區(qū)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。筆者翻閱了施工安全條例并嚴(yán)格按照規(guī)范要求，以工程安全為前提，節(jié)約成本為目標(biāo)，針對各種添加劑的特性及本標(biāo)段工程地質(zhì)情況進(jìn)行了一系列的配比實(shí)驗(yàn)，并最終研究出最符合要求的配合比。我們的實(shí)驗(yàn)首先選取現(xiàn)場土樣，按照前期盾構(gòu)機(jī)排土情況進(jìn)行配比，也就是卵礫石：砂：粉質(zhì)粘土按照6：9：5的比例混合均勻。其次是調(diào)配膨潤土漿液，按照其粘度、比重、pH值及添加劑配比，靜置一段時(shí)間后，通過觀察它的離析情況進(jìn)行分析。前期我們還通過對鈣基及鈉基膨潤土比較，發(fā)現(xiàn)兩者作用相近，但因?yàn)槭袌錾镶c基膨潤土比鈣基膨潤土價(jià)格昂貴且效果不明顯，所以試驗(yàn)時(shí)選擇用鈣基膨潤土。試驗(yàn)共分為三組，標(biāo)記為1、2、3號，放置一天后觀察可見，l號析出少量的水；2號狀態(tài)最好，但成本最高；3號粘度大，析出的水比1號多；然后再單獨(dú)選用l、3號做進(jìn)一步對比試驗(yàn)，同時(shí)再按不同比例混合3號膨潤土漿液及泡沫作為4號，對比土樣的混合狀態(tài)及放置一天后的狀態(tài)。4號狀態(tài)最好，混合的土體土質(zhì)蓬松，呈流塑狀，甚至用手抓后砂土可以順利從指縫中擠出，不粘手，大約12h后泡沫才完全消失。所以最終我們決定選用4號漿液進(jìn)行施工，其效果大為好轉(zhuǎn)，在接下來的挖掘隧道過程中沒有出現(xiàn)泥餅，而且對周圍地面沉降也得到了很好的控制。

3.3　改進(jìn)螺旋輸送機(jī)

盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)也是施工過程中重要的設(shè)備之一，需要將其伸入到土倉總凈寬度的2/3處，采用主動(dòng)取土的方式進(jìn)行施工。因?yàn)楸緲?biāo)段地層土質(zhì)問題，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，土倉內(nèi)土體壓力較大，也很容易形成泥餅，而堅(jiān)硬的泥餅會(huì)阻礙螺旋機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，對其磨損嚴(yán)重。因此，筆者對螺旋機(jī)進(jìn)行二次組裝，對葉片進(jìn)行重新修復(fù)加強(qiáng)，主要措施有在葉片外周加厚鋼板，在葉片上焊耐磨網(wǎng)格，在葉片端頭安裝廢舊先行刀頭等，這些措施都是為了減少對螺旋機(jī)葉片的磨損，提高其使用壽命，減少成本投入。結(jié)果證明這些改進(jìn)措施都是有效的。

4　結(jié)語

通過采取上述改進(jìn)措施后，大大改善了盾構(gòu)施工出現(xiàn)泥餅的情況。北京地鐵某標(biāo)段由之前的500m左右更換一次刀具現(xiàn)在變成至少延長一倍的路程再更換刀具。1000m左右的距離就可以利用到達(dá)車站的時(shí)間來進(jìn)行更換，避免中途停車。同時(shí)，減少泥餅出現(xiàn)，可以減少設(shè)備磨損，降低成本，加快施工，提高工作效率。

[1]于海亮.盾構(gòu)施工中泥餅防治技術(shù)的研究[J].江蘇建材，2015（5）：36～40.