上軟下硬地層大直徑泥水盾構(gòu)刀盤泥餅成因分析及防治措施*

潘興良

(中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

我國城市化發(fā)展快速，為緩解日益突出的城市交通壓力，開發(fā)利用地下空間已成為城市進(jìn)一步發(fā)展的必然路徑。盾構(gòu)法因其對(duì)環(huán)境影響小、施工速度快、自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量易保證等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通區(qū)間隧道施工中[1]。由于前期勘察設(shè)計(jì)存在缺陷，盾構(gòu)穿越復(fù)雜地層時(shí)極易出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅的工程技術(shù)難題[2]。刀盤泥餅指刀盤切削下來的細(xì)小顆粒、碎屑重新黏附在刀盤中心或開口區(qū)域而形成的半固體、固體狀的塊狀體[3]。刀盤一旦形成泥餅，盾構(gòu)掘進(jìn)速度將顯著下降，嚴(yán)重影響工程的施工進(jìn)度。對(duì)此，國內(nèi)學(xué)者對(duì)刀盤結(jié)泥餅這一工程技術(shù)難題進(jìn)行了不同方面的研究。王助鋒等[4]針對(duì)泥質(zhì)粉砂巖地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工過程中出現(xiàn)的刀盤結(jié)泥餅、渣土結(jié)泥團(tuán)等不良現(xiàn)象，從刀盤開口率設(shè)計(jì)、刀具布置及刀高設(shè)置優(yōu)化等方面對(duì)刀盤、刀具配置開展針對(duì)性設(shè)計(jì)，以改善結(jié)泥餅現(xiàn)象。李小康[5]、劉輝等[6]從盾構(gòu)刀盤開口、刀具中滾刀與刮刀位置關(guān)系、掘進(jìn)過程中的加水設(shè)施及添加劑的應(yīng)用、施工管理等方面提出施工中結(jié)泥餅問題的預(yù)處理措施。傅鑫暉等[7]從渣土改良、掘進(jìn)模式、參數(shù)控制等方面提出防止泥餅形成的施工措施。田世文[8]在局部黏土地層條件下，對(duì)泥水盾構(gòu)刀盤泥餅防治技術(shù)進(jìn)行分析研究。李志軍等[9]從盾構(gòu)穿越的地質(zhì)情況、盾構(gòu)設(shè)備選型、泥漿指標(biāo)、盾構(gòu)施工過程控制等方面對(duì)刀盤結(jié)泥餅的形成機(jī)理進(jìn)行深入分析。郭慶彪[10]以廣州市軌道交通4號(hào)線南延段某區(qū)間隧道工程為例，采用半倉氣壓法進(jìn)行渣土置換。賈璐等[11]從工程水文地質(zhì)條件、刀盤結(jié)構(gòu)、掘進(jìn)過程中參數(shù)控制3方面分析泥餅形成機(jī)理，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)上軟下硬地層，基于杭州市環(huán)城北路—天目山路提升改造工程，通過分析泥餅形成原因，提出相應(yīng)的防治措施，以為類似工程提供解決問題的思路和途徑。

1 工程概況

杭州市環(huán)城北路—天目山路提升改造工程第1標(biāo)段,西起古翠路交叉口以西,東至保俶路以西，自西向東依次下穿學(xué)院路、黃姑山路、教工路、杭大路，工程路線全長約2.33km。其中，明挖段為546m，盾構(gòu)段南線全長1 757m，北線全長1 755m。標(biāo)段平面如圖1所示。

圖1 標(biāo)段平面示意(單位：m)

2 泥餅成因

2.1 地質(zhì)原因

根據(jù)勘察揭露的地層結(jié)構(gòu)、土性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，勘探深度范圍(勘探孔最深50.5m)上部為新近堆積填土和海相沉積淤泥質(zhì)軟土層，中部為河流相沉積黏土層、砂層，下部為山前坡洪積碎石夾黏土層。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)區(qū)域主要分布土層及各土層占比、技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

由表1可知，黏土成分占比最高，達(dá)到50%以上。隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，黏土礦物顆粒在刀具切削和刀盤沖擊作用下變成碎屑及粉末狀，致使刀盤上的土體孔隙不斷得到填充而縮小，并在因摩擦力增大而逐步升高的溫度和不斷加大的壓力作用下，轉(zhuǎn)變成致密的燒結(jié)體黏附在刀盤上，最終形成大塊泥餅。

表1 各土層占比及技術(shù)指標(biāo)

2.2 刀盤、刀具與地層間的矛盾

區(qū)間所選盾構(gòu)為直徑13.46m 的氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，采用面板加輻條復(fù)合式刀盤(見圖2)，開口率約31%，配備8個(gè)主動(dòng)攪拌臂，采用立體式布置，包括88把滾刀、124把刮刀、48把邊刮刀、47把撕裂刀、24把保徑刀和2把超挖刀，滾刀和刮刀刀高差50mm。刀具配置更偏向于破巖功能，考慮本區(qū)間存在全斷面中風(fēng)化巖層，刀具配置合理，但本區(qū)間段同時(shí)也存在上軟下硬復(fù)合地層，刀盤結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)較高，而對(duì)此并沒有做出相應(yīng)的刀具配置分析。另外，刀盤中心區(qū)域采用5組雙聯(lián)滾刀，開口率較小，且在各輻條與輻板間焊接3個(gè)加勁肋板，將大縫隙分割成4個(gè)小區(qū)域，導(dǎo)致切削下的渣土排出不暢，易被擠壓在箱體及刀盤開口角落，在堆積效應(yīng)影響下，各小區(qū)域易被渣土填滿塞實(shí)形成泥餅。

圖2 刀盤結(jié)構(gòu)

2.3 沖刷系統(tǒng)缺陷

刀盤泥漿沖刷系統(tǒng)共設(shè)置3個(gè)沖刷嘴，沖刷泥漿由10/8FF-AH型泥漿泵增壓后供漿，泵電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為315kW，最大沖刷流量1 000m3/h。 實(shí)際施工中，出現(xiàn)整個(gè)刀盤面結(jié)泥餅、沖刷孔被糊住的現(xiàn)象，表明當(dāng)前沖刷系統(tǒng)實(shí)際效果并不明顯。

3 防治措施

3.1 化學(xué)劑的使用

在實(shí)驗(yàn)室采用不同濃度的雙氧水溶液對(duì)黏土進(jìn)行剝離。從刀盤上取下黏土塊，分割成4塊，為更貼近實(shí)際情況，將35%濃度雙氧水溶液與經(jīng)過計(jì)算的泥漿量混合，配成不同濃度的溶液，最后將黏土塊放入溶液中，并記錄不同時(shí)間段黏土塊的變化。黏土塊與不同濃度雙氧水溶液如圖3所示，黏土塊在不同濃度溶液作用下隨時(shí)間的變化如表2所示。

圖3 黏土塊與不同濃度雙氧水溶液

時(shí)間/min土塊質(zhì)量(5%)/g土塊質(zhì)量(4%)/g土塊質(zhì)量(3%)/g土塊質(zhì)量(2%)/g0665.38508.77652.01482.1315502.12455.21601.13450.3325415.64366.94569.55427.4335386.94324.18531.26409.8145370.41302.14500.32405.9855359.82294.92462.43395.8565356.74289.55459.12392.35185348.59286.39441.75377.97

由表2可知，185min后，5%，4%，3%，2%溶液中的黏土塊質(zhì)量分別減少了47.61%，43.71%，32.25%，21.60%；反應(yīng)過程中伴隨氣泡產(chǎn)生、溫度升高的現(xiàn)象，且隨著溶液濃度的提高，氣泡量和溫度升高量均呈上升趨勢(shì)；此外，在50～60min后，黏土塊質(zhì)量減少不明顯，可判斷有效反應(yīng)時(shí)間約1h。

選取本工程2021年3月21—23日盾構(gòu)貫入度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，雙氧水溶液對(duì)貫入度的影響如圖4所示。

圖4 雙氧水溶液對(duì)貫入度的影響

排除盾構(gòu)因施工工序開機(jī)和停機(jī)時(shí)對(duì)貫入度的影響。由圖4可知，3月22日經(jīng)過雙氧水溶液泡倉處理后，22，23日單日貫入度平均值分別為7.25,7.03mm，均遠(yuǎn)大于21日單日貫入度平均值2.14mm，可見盾構(gòu)貫入度總體得到了明顯提升。

3.2 刀具配置優(yōu)化

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，本區(qū)間復(fù)合地層段的隧道中心線處主要地層為軟土和全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化軟巖層，在掘進(jìn)至復(fù)合地層段時(shí)可將部分刀具換成軟巖刀具。

針對(duì)復(fù)合地層段，將中心雙聯(lián)滾刀和輻條上滾刀換為重型撕裂刀進(jìn)行優(yōu)化布置(見圖5)。重型撕裂刀屬于一種先行刀，通過先行切削土體、將土體切割分塊，可顯著提高切削土體的流動(dòng)性，提高切削效率，同時(shí)為切刀創(chuàng)造良好的切削條件。此外，通過將中心雙聯(lián)滾刀換為撕裂刀可增加刀盤開口率，對(duì)預(yù)防刀盤中心結(jié)泥餅有一定作用。

圖5 重型撕裂刀

魚尾刀是一種專用于刀盤中心的大型整體式軟巖刀具，刀具上鑲嵌的合金塊較大、鑲嵌深度較深，能夠適應(yīng)長距離軟土地層掘進(jìn)，可切削硬度不大的巖層。魚尾刀與周圍刀具不在同一個(gè)切削面，刀高一般為350～600mm，與其他刀具高差明顯，能對(duì)流動(dòng)狀態(tài)最差的隧道中心部位的小圓斷面土體進(jìn)行超前先行切削?？蓪Ⅳ~尾刀根部設(shè)計(jì)成錐形，使隨刀盤旋轉(zhuǎn)被魚尾刀切削下的土體在切向、徑向運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，增加一項(xiàng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，既能解決刀盤中心部位土體的切削問題，改善切削后土體流動(dòng)性，又能大大提高盾構(gòu)機(jī)整體掘進(jìn)水平。

3.3 中心沖刷改進(jìn)

中心沖刷孔由1個(gè)沖刷嘴直徑為200mm的主沖刷孔和2個(gè)沖刷嘴直徑為100mm的輔沖刷孔組成。不改變沖刷流量，可通過換用直徑更小的φ80沖刷嘴以獲得更大的沖刷壓力；將沖刷方向調(diào)整至與刀盤面平行，以便沖刷孔能更好地沖刷刀體及刀盤面，使切削土不易與刀盤黏結(jié)。針對(duì)沖刷孔被糊住的情況，可在噴口處加裝噴口保護(hù)刀以保障沖刷孔暢通。此外，可在盾體適宜位置處加裝1套鉆桿式高壓沖刷設(shè)備，在停機(jī)期間可將沖刷鉆桿從預(yù)留孔處伸至刀盤開口處進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式?jīng)_刷，以預(yù)防刀盤開口處結(jié)泥餅。

3.4 主動(dòng)開倉檢查

當(dāng)?shù)侗P結(jié)泥餅情況較輕微時(shí)，可通過沖刷系統(tǒng)利用高壓泥漿或清水對(duì)中心刀盤進(jìn)行沖刷清洗，利用氧化劑對(duì)泥餅進(jìn)行化學(xué)剝落，往泥漿里添加工業(yè)洗衣粉、漂白粉等潤滑劑，高速空轉(zhuǎn)刀盤等方法清除泥餅。當(dāng)?shù)侗P泥餅形成速率大于以上方法效果時(shí)，泥餅將越結(jié)越厚并逐漸將刀箱和輻板的空隙填滿密實(shí)，甚至整個(gè)泥水倉內(nèi)積滿渣土，這種情況下，最有效的方法就是人工帶壓進(jìn)倉進(jìn)行泥餅清理。

在第132，138，145環(huán)管片安裝后，對(duì)相應(yīng)環(huán)中對(duì)應(yīng)的刀盤泥餅進(jìn)行人工清理，泥餅清除量隨管片環(huán)號(hào)增加。對(duì)該段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6～9所示。

圖6 泥餅清理對(duì)掘進(jìn)速度的影響

圖7 泥餅清理對(duì)貫入度的影響

圖8 泥餅清理對(duì)盾構(gòu)總推力的影響

圖9 泥餅清理對(duì)刀盤扭矩的影響

由圖6～9可知，人工清理泥餅后，盾構(gòu)掘進(jìn)速度和刀盤貫入度均有不同程度上升；在第132環(huán)清理泥餅后，盾構(gòu)推力和刀盤扭矩仍略有上升，在第145環(huán)將泥餅完全清理后，盾構(gòu)掘進(jìn)速度、刀盤貫入度、盾構(gòu)推力和刀盤扭矩有明顯的“斷層”變化。結(jié)合第132，138，145環(huán)管片安裝后所清理的泥餅量呈逐步增加的趨勢(shì)，可判斷盾構(gòu)各參數(shù)變化量與泥餅清除量呈正相關(guān)關(guān)系，泥餅量清除越多，盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化效果越好。

4 結(jié)語

1)泥餅形成初期，可結(jié)合實(shí)際情況配置不同濃度雙氧水溶液對(duì)刀盤上的泥餅進(jìn)行化學(xué)剝落，同時(shí)須對(duì)浸泡時(shí)間進(jìn)行把控，以防對(duì)掌子面穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

2)防止盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅最關(guān)鍵因素為盾構(gòu)與地質(zhì)的適應(yīng)性，盾構(gòu)選型一定要適應(yīng)地質(zhì)情況[12]。因此在盾構(gòu)選型前，須對(duì)工程地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)勘察，并根據(jù)勘察結(jié)果設(shè)計(jì)盾構(gòu)刀盤開口率、刀具配置及中心沖刷系統(tǒng)等。

3)當(dāng)?shù)侗P泥餅已形成時(shí)，最有效的方法是人工進(jìn)倉清理。盾構(gòu)各參數(shù)變化量與泥餅清除量基本呈正相關(guān)關(guān)系，即盾構(gòu)參數(shù)將隨著泥餅清除量的增多而得到改善，但若泥餅量清除過少，效果將不明顯。