土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤泥餅成因分析及整治

中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400

1 泥餅現(xiàn)象及成因

1.1 刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象

（1）當(dāng)盾構(gòu)刀盤出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象時，盾構(gòu)機(jī)的總推力，即總推力逐步增加，刀盤扭矩先增加后降低至接近無推進(jìn)速度，刀盤基本原地旋轉(zhuǎn)。

（2）隨著推進(jìn)速度的降低和總推力的增加，推進(jìn)時間持續(xù)增長，設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備及環(huán)境溫度會持續(xù)升高，液壓系統(tǒng)容易出現(xiàn)滲漏油、油溫高等現(xiàn)象，設(shè)備故障率明顯增加，人員作業(yè)環(huán)境的溫度過高，施工溫度環(huán)境變化明顯。

（3）刀盤結(jié)泥餅后導(dǎo)致作業(yè)及土倉內(nèi)溫度持續(xù)增高，高溫條件下易造成泥餅燒結(jié)，擠壓密實度越來越高，形成強(qiáng)度較高的泥餅，對泥餅的清理及掘進(jìn)造成極大困難。若在推進(jìn)速度極低、總推力極高的情況下持續(xù)強(qiáng)行推進(jìn)施工，會導(dǎo)致刀盤、刀具在高溫條件下變形、損壞、磨損。

1.2 泥餅形成原因

（1）在風(fēng)化泥質(zhì)黏性土地層推進(jìn)過程中，控制倉內(nèi)土壓力過高，特別是滿倉掘進(jìn)時推進(jìn)阻力較大，易形成高溫環(huán)境，導(dǎo)致渣土燒結(jié)成泥餅。

（2）受到地下水影響，倉內(nèi)壓力難以降低，為避免出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，增加了土倉內(nèi)控制壓力，導(dǎo)致倉內(nèi)積土較多，而土質(zhì)黏性較高，使推進(jìn)阻力增加，作業(yè)溫度升高。

（3）渣土改良的效果不佳，導(dǎo)致渣土流速性及和易性較差。

（4）刀盤及土倉壁板中心開口處未合理設(shè)計改良劑注入口，對渣土沖刷效果不佳，注入孔壓力及流量不足。

（5）刀盤及土倉壁板未合理設(shè)計主被動攪拌棒，不利于渣土攪拌，造成渣土堆積結(jié)塊。

（6）在易結(jié)泥餅地質(zhì)隧道施工中未合理設(shè)計刀盤開口率，不利于將切削渣土排入土倉，開口率過低造成較大塊渣土堵塞刀盤開口，會加速泥餅的形成。

（7）未合理設(shè)計刀具配置以及刀具高差布置不合理，不便于渣土切削和破碎，造成渣土堆積。

（8）在復(fù)合地層中盾構(gòu)掘進(jìn)，盾構(gòu)司機(jī)對地質(zhì)特性缺乏了解，盾構(gòu)操作經(jīng)驗不足，應(yīng)變及處理問題能力欠缺。

（9）盾構(gòu)機(jī)設(shè)備維保不到位，導(dǎo)致刀盤驅(qū)動系統(tǒng)溫度過高。

2 案例工程概況

佛山地鐵三號線的3202-3標(biāo)段東樂路站—大良站隧道施工采取盾構(gòu)法，從大良站向東樂路站方向掘進(jìn)施工，隧道外徑為6m，內(nèi)徑為5.4m，管片環(huán)寬1.5m。隧道左線長1237.141m，最大縱向坡為+27.6‰，平面曲線半徑的最小數(shù)值為663m，其覆土厚度約為22.536m。該段盾構(gòu)施工過程中所受干擾因素多為具有承壓的基巖風(fēng)化裂隙水，且全年降水量充足。左線隧道洞身經(jīng)過的土質(zhì)為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

3 泥餅形成過程

3.1 正常掘進(jìn)

該區(qū)間左線盾構(gòu)掘進(jìn)120～188環(huán)，隧道主要處于中、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層，控制土壓不高于200kPa，推進(jìn)速度約為50mm/min，總推力為11000～12000kN，刀盤扭矩為1200～1500kN·m。施工參數(shù)較為穩(wěn)定，基本無較大波動。

3.2 參數(shù)調(diào)整

當(dāng)掘進(jìn)至189～193環(huán)時，發(fā)現(xiàn)地層中含有中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，且含量逐漸增多，因此在確保地層無沉降的情況下適當(dāng)降低了控制土壓（逐漸降低至160kPa），并配合部分氣壓，以保護(hù)刀盤刀具，減小刀具損壞及磨損，推進(jìn)速度為40～50mm/min，總推力為12000～13000kN，刀盤扭矩為1600～1800kN·m。在190環(huán)的渣土取樣以強(qiáng)風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖為主，含有少量中風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖。

3.3 參數(shù)變化

（1）當(dāng)掘進(jìn)至194～199環(huán)時，地下水顯著增多，且中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖含量也較之前增加，螺旋機(jī)可見噴涌的情況。將土壓力控制在180kPa，調(diào)整盾構(gòu)推力為16000kN，掘進(jìn)速度為20mm/min，刀盤扭矩為2500kN·m，刀盤前方和盾體附近可見輕微沉降。

（2）當(dāng)掘進(jìn)至200～202環(huán)時，地下水較多，推進(jìn)中螺旋機(jī)出現(xiàn)噴涌量較大的情況，因此不能確保出土量，于是增加總推力至20000kN，推進(jìn)速度最多為10mm/min，刀盤扭矩為2800～3400kN·m，添加膨潤土進(jìn)行渣土改良，總推力及刀盤扭矩仍有增大趨勢。

（3）在參數(shù)正常階段的施工過程中，渣土溫度為28～30℃，參數(shù)突變后由于推進(jìn)時間的增加，渣土溫度也有逐漸增加趨勢，螺旋機(jī)出土口渣土溫度高達(dá)35～38℃。

3.4 泥餅形成

技術(shù)人員經(jīng)過分析判斷有結(jié)泥餅現(xiàn)象存在，項目部隨即召開研討會議，準(zhǔn)備進(jìn)行開倉作業(yè)。開倉作業(yè)后，可見刀盤中心及面板外側(cè)開口處出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的結(jié)泥餅現(xiàn)象，施工人員立即清理泥餅。首先從倉門處向下清理至中心回轉(zhuǎn)處，然后旋轉(zhuǎn)刀盤清理下一個工作面，最后清理刀盤外側(cè)開口處。

4 預(yù)防結(jié)泥餅的有效措施

（1）采用分散性泡沫劑加強(qiáng)對渣土的改良，每環(huán)檢查發(fā)泡效果及渣土改良情況，及時調(diào)整泡沫參數(shù)配比（原液∶水=1∶24，混合液∶空氣=1∶8）。每次都要在確認(rèn)渣土改良情況以及發(fā)泡效果后方可添加泡沫劑，并再次確認(rèn)每次的配比。

（2）當(dāng)發(fā)現(xiàn)施工參數(shù)出現(xiàn)異常波動或出現(xiàn)停機(jī)倒班情況時，為預(yù)防施工參數(shù)惡化的情況，需要及時增添土倉的分散劑與水混合液（分散劑∶水=1∶4），確保其達(dá)到完全攪拌狀態(tài)，浸泡需要超過8h，并利用分散劑對土塊土體進(jìn)行分散與分離處理，避免出現(xiàn)泥餅。再次恢復(fù)掘進(jìn)時，施工參數(shù)均有所好轉(zhuǎn)。

（3）當(dāng)發(fā)現(xiàn)地下水對掘進(jìn)施工有影響時，立即在盾體后方進(jìn)行雙液二次注漿，封堵后方地下水。應(yīng)合理采用雙液漿對盾體后方5～7環(huán)位置進(jìn)行二次注漿，同時密切留意周邊與后方地下水情況。

（4）在中、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進(jìn)時，根據(jù)沉降監(jiān)測的結(jié)果，嚴(yán)格按照操作規(guī)程使用氣壓輔助推進(jìn)，降低控制土壓力前需要確保沉降處于可控范圍內(nèi)，減小推進(jìn)阻力。當(dāng)需要調(diào)整姿態(tài)時，可適當(dāng)增加控制的土壓力，以及增加總推力及總油壓，便于調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。

（5）在作業(yè)現(xiàn)場，認(rèn)真指導(dǎo)司機(jī)的操作，確保掘進(jìn)參數(shù)符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提升司機(jī)的作業(yè)技能與緊急情況下的應(yīng)對能力。

（6）對渣土溫度進(jìn)行認(rèn)真檢測，通常渣土溫度為28～31℃，并認(rèn)真分析渣樣。

5 泥餅處理后施工情況

5.1 隧道左線恢復(fù)掘進(jìn)施工情況

自泥餅被清除后，在盾構(gòu)穿越中風(fēng)化地層時，從204環(huán)恢復(fù)掘進(jìn)至320環(huán)，總推力為18000～23000kN，刀盤扭矩為2500～3400kN·m，推進(jìn)速度為30～40mm/min，總推力及刀盤扭矩仍然較高。然后，及時調(diào)整了泡沫注入配比，選用分散性泡沫劑浸泡土倉，并保持連續(xù)施工作業(yè)，進(jìn)行二次注漿止水，有效避免了結(jié)泥餅現(xiàn)象，順利穿越了中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地段以及地下水豐富區(qū)域。

從321環(huán)掘進(jìn)至目前610環(huán)時，總推力為12000～15000kN，刀盤扭矩為1000～1800kN·m，推進(jìn)速度為50～60mm/min，盾構(gòu)施工參數(shù)基本穩(wěn)定，地質(zhì)變化不大，隨著隧道埋深的增加，目前受地下承壓水影響較小。此過程中由于地質(zhì)變化，總推力及刀盤扭矩出現(xiàn)了較小的變化，但總體處于穩(wěn)定可控狀態(tài)，避免了泥餅的形成。

5.2 隧道右線掘進(jìn)施工情況

在隧道右線施工中，通過提前加強(qiáng)以上預(yù)防措施及對設(shè)備進(jìn)行改造，吸取左線經(jīng)驗教訓(xùn)，合理調(diào)整了施工參數(shù)，及時改良了渣土。正常掘進(jìn)段從40環(huán)至目前443環(huán)，總推力為8000～1000kN，刀盤扭矩為1200～1800kN·m，推進(jìn)速度為40～55mm/min，各項施工參數(shù)均較穩(wěn)定。在380～420環(huán)時，地質(zhì)由強(qiáng)風(fēng)泥質(zhì)粉砂巖變化為中風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖，且地下水突增，總推力、刀盤扭矩及推進(jìn)速度等施工參數(shù)出現(xiàn)部分波動，推進(jìn)的總推力變?yōu)?4000～17000kN，刀盤的扭矩變?yōu)?200～3000kN·m，推進(jìn)速度降低為30～40mm/min；推進(jìn)至420環(huán)后，地質(zhì)變化為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，但地下水仍較多，施工參數(shù)基本恢復(fù)正常穩(wěn)定，右線施工中有效避免了泥餅的形成。

6 結(jié)束語

佛山地鐵三號線3202-3標(biāo)段東樂路站—大良站隧道施工中，根據(jù)對刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象以及成因的分析，并結(jié)合東樂路站—大良站區(qū)間左線結(jié)泥餅施工情況，吸取了經(jīng)驗教訓(xùn)，后續(xù)盾構(gòu)施工過程中，通過提前預(yù)防并做好過程管控、發(fā)現(xiàn)異常及時處理、調(diào)整施工參數(shù)、進(jìn)行渣土改良等措施，避免了結(jié)泥餅現(xiàn)象的再次發(fā)生，也為類似工程項目積累了豐富的經(jīng)驗。