大斷面長(zhǎng)距離泥質(zhì)粉砂巖地層泥水盾構(gòu)結(jié)泥餅現(xiàn)象及對(duì)策

池凌杰CHI Ling-jie

（騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，杭州 310000）

0 引言

依托工程位于錢塘江北岸，采用超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，隧道開挖直徑15.03m，管片外徑為14.5m，管片內(nèi)徑為13.3m，環(huán)長(zhǎng)2m。隧道分南、北線，其中南線盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度約1.2km，北線約1.4km，隧道最大縱坡1.75%，最小轉(zhuǎn)彎半徑750m，最小覆土8.40m，最大覆土21.88m。

主要穿越地層為中風(fēng)化凝灰質(zhì)含礫砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、含粘性土碎石、含碎石粉質(zhì)粘土、圓礫層等。

1 隧道穿越斷面情況

南、北線隧道盾構(gòu)穿越的地層情況基本一致，主要可分為兩個(gè)階段，第一階段穿越地層主要為20a-3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（最大抗壓強(qiáng)度14.8MPa）、20C-3中風(fēng)化凝灰質(zhì)含礫砂巖（最大抗壓強(qiáng)度23.4MPa）。該段長(zhǎng)度約400 米，其中泥質(zhì)粉砂巖占比約73%，泥質(zhì)粉砂巖掘進(jìn)過程中刀盤易結(jié)泥餅，刀具易發(fā)生磨損。

第二階段是九溪沖溝段。隧道頂部④1 為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，其工程性能較差。施工中容易擊穿冒頂。?4 圓礫層最大粒徑10～18cm，?1、?2 礫石最大粒徑50cm 以上。容易發(fā)生堵倉(cāng)堵管堵泵的情況，該段盾構(gòu)掘進(jìn)工作面均一性差，且?4 圓礫層?2 含粘性土碎石層，滲透系數(shù)大，地含水量較高，施工具有較大風(fēng)險(xiǎn)。

2 盾構(gòu)機(jī)防結(jié)泥餅針對(duì)性設(shè)計(jì)

2.1 刀盤開口率設(shè)置

刀盤整體開口率較大且分布均勻，開口率設(shè)置為38%，有利于渣土順利進(jìn)入泥水倉(cāng)內(nèi)部。

2.2 刀具配置

刀具采用立體式布置方式，刀具類型包括：滾刀、刮刀、邊刮刀、超挖刀等。

刀具配置具體為：中心采用18 寸雙聯(lián)滾刀、正面至最外軌跡為19 寸單刃滾刀，同時(shí)刀盤邊緣弧形區(qū)域最外軌跡布置三把滾刀，次外軌跡及倒數(shù)第三軌跡布置兩把滾刀，提高了刀盤邊緣滾刀抗磨損能力。刀盤一共設(shè)計(jì)有91個(gè)刀具軌跡，中心及正面刀間距為90mm，具體間距尺寸見圖1 所示。

圖1 滾刀軌跡圖

2.3 刀盤設(shè)置大流量高壓沖刷

刀盤背部中心區(qū)域的沖刷泥漿均由P0.1 泥漿泵增壓后供漿，P0.1 泵最大沖刷流量1000m3/h，降低刀盤中心結(jié)泥餅的概率。（圖2）

圖2 刀盤沖刷設(shè)置

3 刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象及原因分析

3.1 刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象

根據(jù)南線隧道推進(jìn)情況可知，在79 環(huán)之前推進(jìn)速度較為正常，當(dāng)時(shí)盾構(gòu)機(jī)掘削斷面以20C-3中風(fēng)化凝灰質(zhì)含礫砂巖為主，平均推進(jìn)速度在20mm/min，總推力62000kN，刀盤扭矩在17000-20000kN·m。

隨著斷面中20a-3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的含量增加，刀盤扭矩逐漸增大，推進(jìn)速度有所減緩，從81 環(huán)后，盾構(gòu)機(jī)開挖面已經(jīng)進(jìn)入全斷面中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，總推力增加到65000kN，刀盤扭矩增加到21000～23000kN·m 之間，推進(jìn)速度下降到12mm/min。

掘進(jìn)至98 環(huán)時(shí)，總推力已從65000kN 驟增到74000kN，刀盤扭矩增加到24000～25000kN·m 之間，推進(jìn)速度已下降到6～8mm/min。

為此，在101 環(huán)時(shí)組織工作人員進(jìn)倉(cāng)檢查。檢查后發(fā)現(xiàn)氣墊艙有約5m 的積碴，且堆積密實(shí)，刀盤面板、刀箱、牛腿均有不同程度的結(jié)泥餅情況，滾刀刀箱泥餅較硬，需要高壓水槍配合撬棍才能清理。

同時(shí)，對(duì)整盤刀具進(jìn)行了檢查量測(cè)，撕裂刀和刮刀正常，發(fā)現(xiàn)共有偏磨滾刀22 把，其中外周的21 把滾刀全部偏磨，其余滾刀也有不同程度的磨損。

本次進(jìn)倉(cāng)作業(yè)對(duì)氣墊艙、面板、牛腿、刀箱所結(jié)泥餅均進(jìn)行了清理，同時(shí)對(duì)偏磨刀具進(jìn)行了更換。作業(yè)完成后，掘進(jìn)參數(shù)恢復(fù)正常，見圖3。

圖3 掘進(jìn)參數(shù)變化曲線圖

3.2 刀盤結(jié)泥餅原因分析

泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進(jìn)時(shí)，刀盤將泥質(zhì)粉砂巖崩解后溶于泥漿，泥漿比重將會(huì)迅速上升，進(jìn)漿比重1.10g/cm3的循環(huán)泥漿在掘進(jìn)1m 后即達(dá)到1.20g/cm3，若過程中不棄漿調(diào)整，在完成一環(huán)推進(jìn)后進(jìn)漿比重會(huì)達(dá)到1.25g/cm3以上。

并且由于當(dāng)時(shí)干化設(shè)備數(shù)量不足，無法通過分離系統(tǒng)及時(shí)外棄廢漿進(jìn)行有效地泥漿指標(biāo)調(diào)整，粘性顆粒在刀盤面板、開口、牛腿、刀箱等處堆積形成板結(jié)的泥餅，導(dǎo)致滾刀也無法隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)造成外圈滾刀的偏磨。

4 緩解泥餅現(xiàn)象管理措施

4.1 泥水指標(biāo)管理

前400 環(huán)為長(zhǎng)距離、大斷面中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化凝灰質(zhì)含礫砂巖地層，其中中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層在該段中的含量超過70%，且該地層自造漿能力極強(qiáng)，根據(jù)顆粒分析報(bào)告，其中小于25μ 的粘性顆粒含量83%。

因此，為了降低在該地層中掘進(jìn)時(shí)循環(huán)泥漿中粘性顆粒的含量，應(yīng)通過棄漿稀釋的方式盡量降低泥水比重。為了在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中進(jìn)漿比重始終保持在1.15g/cm3左右，每一環(huán)的棄漿量約為1000m3。

根據(jù)過程中的參數(shù)監(jiān)控，由于結(jié)泥餅導(dǎo)致的掘進(jìn)參數(shù)第一次出現(xiàn)在90 環(huán)左右，后階段通過降低泥水比重的措施，第二次參數(shù)異常出現(xiàn)在216 環(huán)附近，說明該方式對(duì)于緩解結(jié)泥餅現(xiàn)象是有效的。

4.2 進(jìn)排泥流量與掘進(jìn)速度的匹配

通常排漿比重可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ρ1-進(jìn)漿比重，kg/m3；ρ2-排漿比重，kg/m3；ρ3-該地層平均比重，kg/m3；υ-掘進(jìn)速度，m/min；Q-排漿流量，m3/h。從公式可以看出，在流量一定的情況下，排漿比重是由進(jìn)漿比重和掘進(jìn)速度所決定的，通過調(diào)配合理比重的進(jìn)漿來保證泥漿具有良好的攜渣能力，同時(shí)通過控制掘進(jìn)速度來控制排漿比重，防止盾構(gòu)掘削下來的土碴由于管路里的流量不足導(dǎo)致在泥水倉(cāng)或者氣墊倉(cāng)內(nèi)沉積。因此，泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進(jìn)時(shí)還應(yīng)對(duì)推進(jìn)速度進(jìn)行控制。應(yīng)控制掘進(jìn)速度在10-15mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速1.5r/min，確保同流量下的管路排渣能力，防止渣土在泥水倉(cāng)中滯排。

4.3 優(yōu)化環(huán)流流量分配

刀盤面板及刀箱結(jié)泥餅的原因之一是細(xì)顆粒在刀盤上附著堆積，導(dǎo)致開口逐漸縮小，導(dǎo)致渣塊在開口處的通過能力也減弱，一旦卡在空隙處無法通過，會(huì)引起聚團(tuán)效應(yīng)，直至開口堵死。這也引起來泥水無法順暢進(jìn)入開挖倉(cāng)，渣塊更不容易隨著泥水排出，如此惡性循環(huán)。

因此，在易結(jié)泥餅地層中掘進(jìn)時(shí)，需要盡可能分配更多的泥水流量進(jìn)入開挖倉(cāng)，讓環(huán)流系統(tǒng)有效地?cái)y渣帶出土渣，減少面板開口或刀箱空隙處被泥塊堵塞的概率。

4.4 措施效果

本臺(tái)盾構(gòu)機(jī)初裝刀為6 把18 寸鑲齒中心雙刃滾刀+83 把19 寸光圓單刃滾刀。在掘進(jìn)完成100 環(huán)后，外周的21 把滾刀全部偏磨，其余刀具基本正常。第一次（101 環(huán)）進(jìn)倉(cāng)主要對(duì)外周偏磨滾刀進(jìn)行更換。

根據(jù)第二次（216 環(huán)）進(jìn)倉(cāng)檢查和刀具量測(cè)結(jié)果所示，第一次所更換的21 把外周滾刀僅有2 把發(fā)生偏磨，其余滾刀為3～20mm 的正常磨損。而第一次磨損量在3～25mm的未更換刀具磨損量發(fā)展至10～35mm。

通過兩次進(jìn)倉(cāng)檢查，說明調(diào)整泥水指標(biāo)和加強(qiáng)環(huán)流排渣是可以緩解刀盤結(jié)泥餅，從而延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

5 不同類型滾刀使用壽命研究

5.1 本工程刀具磨損情況

本臺(tái)盾構(gòu)機(jī)初裝刀為6 把18 寸鑲齒中心雙刃滾刀+83 把19 寸光圓單刃滾刀。

第一次（101 環(huán)）進(jìn)倉(cāng)主要對(duì)外周偏磨滾刀進(jìn)行更換，所更換的刀具仍為光圓單刃滾刀。第二次（216 環(huán)）進(jìn)倉(cāng)也更換了20 把滾刀，其中10 把鑲齒滾刀，10 把光圓滾刀。第三次（357 環(huán)）進(jìn)倉(cāng)量測(cè)刀具后發(fā)現(xiàn)，第一次（101 環(huán)）所更換的光圓滾刀在使用257 環(huán)后磨損也達(dá)到24～29mm，基本達(dá)到更換標(biāo)準(zhǔn)。第二次（216 環(huán)）更換的鑲齒滾刀的磨損量基本在4mm 以內(nèi)。

說明相對(duì)于光圓滾刀，鑲齒滾刀可以更好地適用于此類軟巖地層，磨損量更小。

5.2 滾刀破巖機(jī)理

滾刀的破巖原理為滾壓破碎巖石，其特點(diǎn)是靠滾刀滾動(dòng)產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用，達(dá)到破碎巖石的目的。在盾構(gòu)機(jī)頂推力的作用下，刀盤前端的滾刀緊壓巖面，隨著刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾刀不僅繞刀盤中心公轉(zhuǎn)，同時(shí)也繞自身的軸心自轉(zhuǎn)。當(dāng)頂推力超過巖石的強(qiáng)度時(shí)，滾刀接觸面上的巖石直接被擠壓破碎，其接觸點(diǎn)周圍的巖石會(huì)逐漸剝落。

5.3 滾刀壽命預(yù)測(cè)

5.3.1 影響刀具使用壽命的因素

通常盾構(gòu)刀具的磨損量由下式計(jì)算：

式中：δ－磨損量(mm）；K－磨耗系數(shù)（mm/km）；D－刀具軌跡直徑（m）；N－刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度（r/min）；L－掘進(jìn)距離（m）；V－掘進(jìn)速度（cm/min）。

其中，當(dāng)同一軌跡上配備有多把滾刀時(shí)，磨耗系數(shù)K應(yīng)變?yōu)橄率剑?/p>

式中：K－1 條軌跡配置1 把切削刀時(shí)的磨耗系數(shù)；Kn－1 條軌跡配置n 把切削刀時(shí)的磨耗系數(shù)。

為計(jì)算在允許磨損量下的刀具可掘進(jìn)距離，可以變式為：

式中：Pe－刀具的切入量，即刀具每轉(zhuǎn)的切入深度（cm/r）；K－磨耗系數(shù)（mm/Km）；λ－刀具轉(zhuǎn)動(dòng)距離壽命，即達(dá)到刀具限定磨損量時(shí)，邊掘削開挖面邊轉(zhuǎn)動(dòng)的可能距離（km）；t－限定磨損量，即刀具磨損量δ 的最大限定值（mm）；R－刀具中易磨損的最外周刀具安裝半徑（m）。

從計(jì)算公式中不難看出，影響刀具使用壽命的因素主要為刀具材質(zhì)、地質(zhì)條件、刀盤外徑、轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度以及掘進(jìn)長(zhǎng)度。

5.3.2 滾刀使用壽命計(jì)算

根據(jù)南線巖層段進(jìn)倉(cāng)刀具實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按照刀具壽命計(jì)算公式可以反算得到光圓滾刀和鑲齒滾刀在該地層中的磨耗系數(shù)，如表1 所示。

表1 南線刀具磨耗系數(shù)

假設(shè)限定磨損量為25cm，根據(jù)公式分別對(duì)光圓滾刀和鑲齒滾刀在泥質(zhì)粉砂巖地層中的使用壽命進(jìn)行計(jì)算，如表2、表3 所示。

表2 光圓滾刀使用壽命計(jì)算

表3 鑲齒滾刀使用壽命計(jì)算

在進(jìn)行盾構(gòu)刀具使用壽命預(yù)測(cè)時(shí)，刀具的限定磨損量應(yīng)根據(jù)刀具的材質(zhì)、刀具的安裝半徑、施工段的地質(zhì)條件以及類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。

在做好刀具使用壽命預(yù)測(cè)后，可以根據(jù)理論壽命編制刀具采購(gòu)計(jì)劃以及提前選擇安全的換刀點(diǎn)，有利于提高盾構(gòu)施工管理效率。

6 總結(jié)

對(duì)泥水盾構(gòu)在泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進(jìn)時(shí)面臨的刀盤易結(jié)泥餅、刀具易磨損等難題，根據(jù)工程應(yīng)用結(jié)果表明，在掘進(jìn)該類地層時(shí)：①控制掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)漿比重在1.10g/cm3～1.15g/cm3，減少環(huán)流系統(tǒng)中的粘性顆粒。②控制掘進(jìn)速度與進(jìn)排漿流量相匹配，確保環(huán)流排渣能力。③提高泥漿流量進(jìn)入開挖倉(cāng)部分的占比，確保開口過流能力。④耐磨合金鑲齒滾刀在該地層中使用壽命更長(zhǎng)。