分散劑在大直徑泥水盾構(gòu)粉質(zhì)黏土層掘進中的應(yīng)用

閻向林

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司）

泥水盾構(gòu)在黏性土地層施工中刀盤易結(jié)泥餅導(dǎo)致施工效率低下，常規(guī)辦法只能采取通過停機帶壓進倉人工清理的方式進行處理，而人工清理不僅工作效率低、風(fēng)險大，還占用直線工期，不能從根本上解決問題。有學(xué)者指出，當(dāng)?shù)貙又械酿ね恋V物＞25%時，刀盤將發(fā)生結(jié)泥餅現(xiàn)象[1]；當(dāng)渣土的塑性指數(shù)＞20%時，盾構(gòu)中發(fā)生“堵塞”的風(fēng)險大大提高[2]。豫機城鐵項目一標(biāo)與天津深諾科技有限公司聯(lián)合研發(fā)的高分子材料SN-203 型分散劑可以通過直接作用在刀盤泥餅表面，在短時間內(nèi)促使黏土顆粒分離，有效克服泥水盾構(gòu)在黏土地層掘進結(jié)泥餅，極大提高了掘進效率。

1 概況

1.1 工程概況

豫機城際鐵路一標(biāo)自鄭機城際鐵路設(shè)計終點DK39+403.418 引出，至鄭州南站城際場DK50+200，隧道全長3.8km，為單洞雙線隧道。盾構(gòu)隧道采用圓形斷面，斷面內(nèi)徑11.3m，管片厚度550mm。

1.2 地質(zhì)概況

地層情況從上至下依次為粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂層，具體地層情況如圖1 所示，盾構(gòu)隧道洞身大部分處于粉質(zhì)黏土層中，局部地段穿越粉砂、細(xì)砂，地質(zhì)情況統(tǒng)計如表1 所示。隧道拱頂埋深10.26m～31.07m，洞身基本處于潛水～承壓水中。

2 理論試驗

圖1 地質(zhì)縱斷面圖（單位：m）

表1 盾構(gòu)隧道地質(zhì)情況統(tǒng)計

相同含水率時，加入分散劑后土樣的抗剪強度降低，土樣的液限和塑限也逐漸減??；當(dāng)分散劑添加量較大時，黏土顆粒的邊角帶正電處被分散劑中的陰離子占滿，分散劑作用效果減弱[3]，因此為達(dá)到最佳分散效果，有必對分散劑配比進行試驗。

取預(yù)篩出渣的黏土塊，分割成0.05m3大小渣樣分別放入100ml 不同配比的分散劑水溶液靜置如表2 所示，在相同作用時間后對效果進行對比分析，如圖2、圖3、圖4 所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)

圖2 黏土試塊

圖3 不同配比分散劑

圖4 試驗效果圖

由以上試驗對比可以得出，當(dāng)分散劑濃度達(dá)到4%以上時，黏土塊溶有明顯溶解；當(dāng)溶液濃度達(dá)到10%靜置30min 后，黏土快速分解，有形成泥漿的趨勢，如圖5所示。

3 工程應(yīng)用

豫機城際項目一標(biāo)所使用的DZ268 盾構(gòu)機，開挖輪廓12.81m，前盾直徑12.77m，經(jīng)估算開挖倉及氣墊倉可分別容納漿液約200m3；本次工程實驗共分5 次進行：

⑴試驗一：在停機后在開挖倉內(nèi)注入1m3分散劑，在氣墊倉注入0.5m3分散劑。刀盤10min 轉(zhuǎn)動一次，停機24h 后恢復(fù)掘進，刀盤扭矩由約14000kN·m 減小到約8000kN·m，推力由約70000kN 減小到約58000kN，速度由10mm/min 增加到20mm/min?；謴?fù)掘進后可持續(xù)2～3環(huán)，第3 環(huán)參數(shù)開始逐漸惡化。

⑵試驗二：盾構(gòu)機檢修時，在停機后在開挖倉內(nèi)注入1m3分散劑，在氣墊倉注入0.5m3分散劑。刀盤10min轉(zhuǎn)動一次，停機1h 后恢復(fù)掘進，刀盤扭矩由約14000kN·m 減小到約8000kN·m，推力由約70000kN 減小到約58000kN，速度由10mm/min 增加到20mm/min。參數(shù)可持續(xù)約2 環(huán)，第2 環(huán)參數(shù)開始惡化。

⑶試驗三：盾構(gòu)機檢修時，在停機后在開挖倉內(nèi)注入1m3分散劑。刀盤10min 轉(zhuǎn)動一次，停機1h 后恢復(fù)掘進，刀盤扭矩由約14000kN·m 減小到約8000kN·m，推力由約70000kN 減小到約58000kN，速度由10mm/min 增加到20mm/min。參數(shù)可持續(xù)約2 環(huán)，第2 環(huán)后半段參數(shù)開始惡化。

⑷試驗四：盾構(gòu)機檢修時，在停機后在開挖倉內(nèi)注入0.5m3分散劑。刀盤10min 轉(zhuǎn)動一次，停機1h 后恢復(fù)掘進，刀盤扭矩由約14000kN·m 減小到約9000kN·m，推力由約70000kN 減小到約65000kN，速度由10mm/min增加到20mm/min。參數(shù)可持續(xù)約2 環(huán)，第2 環(huán)后半段參數(shù)開始惡化。

⑸試驗五：在1091 環(huán)帶壓進倉作業(yè)期間進行了一次分散劑實驗：開倉檢查發(fā)現(xiàn)刀盤只剩余2 個大開口，其余開口全部死刀，箱內(nèi)全部堵塞，牛腿堵塞，人工清理進度緩慢，一倉僅可完成一個刀箱清理及一把刀具更換工作（以往開倉工作效率約為一倉清理更換兩把刀）。第十一倉進倉結(jié)束后利用修復(fù)泥膜時間，開挖倉能充滿泥漿，氣墊倉內(nèi)保持半倉（液位約0），開挖倉內(nèi)注入1m3分散劑，在氣墊倉注入0.5m3分散劑。刀盤10min 轉(zhuǎn)動一次，分散劑浸泡時間約10h 后，修復(fù)泥膜，保壓試驗再次進倉。進倉后人員發(fā)現(xiàn)刀盤大開口基本泡開，小開口及刀箱內(nèi)堵塞粘土已掉落10～20cm。

結(jié)論：分散劑可以有效分解刀盤開口堵塞、刀盤背面牛腿淤塞。

4 工程實施措施

⑴預(yù)防泥餅：在接泥漿管時停機的大約1h 時間內(nèi)，向前倉注入0.5m3分散劑，10min 轉(zhuǎn)動一次刀盤。

⑵分散泥餅：在設(shè)備檢修或倒班或其他原因長時間停機時，向前倉注入0.5m3分散劑，氣墊倉注入0.5m3分散劑。

5 使用效果分析

盾構(gòu)機泥漿管頻率為4 環(huán)/次，通過采用接泥漿管時注入分散劑并浸泡約1h，可有效降低接管后的兩環(huán)的推力、扭矩，提高掘進效率，避免參數(shù)持續(xù)惡化，預(yù)防刀盤結(jié)泥餅。在長時間停機時用分散劑浸泡，可有效消除刀盤開口及刀盤背面牛腿見淤塞黏土。

通過在盾構(gòu)施工中掘進，使用優(yōu)缺點如下所述：

⑴優(yōu)點：分解倉內(nèi)堆渣；減少堵倉發(fā)生、提高出渣效率；減小刀盤扭矩約25%；減小推力約25%；提高掘進速度30%。

⑵缺點：泥漿比重上升較快；泥漿泵運行負(fù)荷增加；棄漿量增加。

6 結(jié)束語

根據(jù)泥水盾構(gòu)每推進數(shù)（3～4）環(huán)必須停機進行管路延伸，針對粉質(zhì)黏土層調(diào)制原液配比，最終調(diào)制好的分散劑溶液可以在2h 達(dá)80%的效果，為類似地層施工項目提供了參考。但單純增加使用量與作用時間并不能帶來清除泥餅效果的明顯提升，需要根據(jù)本工程地質(zhì)條件進行調(diào)整才能達(dá)到最大使用效果。