復(fù)合地層盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅的三種過程及防治措施

林 正

(廈門軌道建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司,福建 廈門 361007)

1 結(jié)泥餅的成因分析

在盾構(gòu)施工中,刀盤“結(jié)泥餅”問題引發(fā)的施工安全、進(jìn)度等問題始終困擾著盾構(gòu)施工人員[1]。通過參數(shù)變化、掘進(jìn)狀態(tài)變化和渣土改良系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的變化,泥餅形成通常圍繞這兩個(gè)基本工況逐漸發(fā)展:1)因掘進(jìn)或改良不到位造成中心區(qū)輕微結(jié)餅→管路堵塞→結(jié)餅發(fā)展。2)因注入壓力問題或管路自身問題造成管路堵塞→中心區(qū)出現(xiàn)結(jié)餅跡象→進(jìn)一步加劇管路堵塞和泥餅形成。不管是先結(jié)餅后堵管,還是先堵管后結(jié)餅,結(jié)泥餅的比較籠統(tǒng)的原因分析結(jié)果就是掘進(jìn)過程中渣土沒有得到有效的改良,在大推力的擠壓過程中逐漸附著在刀盤表面的過程[2]。那么,為了不結(jié)餅,我們從渣土本身的性質(zhì)來分析,把結(jié)泥餅的全過程還原,切實(shí)找到各個(gè)階段的原因,才能針對(duì)性地制定改進(jìn)措施。

2 形成泥餅的三種發(fā)展過程

針對(duì)施工過程中碰到的結(jié)泥餅問題,開倉研究結(jié)餅部位,逆向推導(dǎo)其發(fā)展過程,再結(jié)合參數(shù)變化和掘進(jìn)狀態(tài)變化正向進(jìn)行擬合[3],這樣通過大量數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)際、圖片資料對(duì)比把刀盤結(jié)泥餅的形式進(jìn)行了歸納總結(jié),主要有以下三種形式:

1)從中心區(qū)開口向內(nèi)結(jié)泥餅。渣土首先在刀盤中心區(qū)開口處黏結(jié),然后逐步向土倉內(nèi)形成泥餅,泥餅形成方向及過程為中心區(qū)開口向內(nèi)發(fā)展。

結(jié)合渣土改良實(shí)施情況的成因結(jié)論:刀盤中心區(qū)正面有兩路噴口,一路泡沫、一路膨潤土,因其管路堵塞造成中心區(qū)渣土沖刷不到位,中心區(qū)的小開口逐個(gè)被堵塞,在盾構(gòu)掘進(jìn)的大推力作用下逐漸向內(nèi)發(fā)展,致使整個(gè)刀盤中心區(qū)被堵塞[4]。

2)從中心區(qū)牛腿向外結(jié)泥餅。渣土首先在中心區(qū)牛腿處黏結(jié),然后逐步向外(刀盤)發(fā)展形成泥餅。泥餅形成方向?yàn)閺膬?nèi)向外及周邊發(fā)展。

結(jié)合渣土改良實(shí)施情況的成因結(jié)論:主要因其土倉內(nèi)對(duì)渣土的沖刷不足,倉內(nèi)渣土流動(dòng)性不足,造成渣土在牛腿周邊開始固結(jié),逐漸向外發(fā)展,堵塞整個(gè)中心區(qū)。

3)從螺旋口上部向上結(jié)泥餅。渣土首先在螺旋口上部黏結(jié),隨后在土倉內(nèi)向上發(fā)展形成泥餅。

結(jié)合渣土改良實(shí)施情況的成因結(jié)論:在螺旋口上部的渣土很容易堆積,尤其在停機(jī)過程中因其承受壓力較大,其再次發(fā)生板結(jié)的可能增大,加之出土不暢和改良不到位等因素,逐漸堆積、固結(jié),并向上發(fā)展[5]。

上述三種形式是土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中結(jié)泥餅的主要形式,三種形式發(fā)生順序不分先后,在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中可能同時(shí)發(fā)生[6]。

通過這三種主要形式可以發(fā)現(xiàn),泥餅的形成跟設(shè)備本身和改良系統(tǒng)的使用有密不可分的關(guān)系,由于設(shè)備(刀盤、牛腿、螺旋輸送機(jī))的存在,為盾構(gòu)掘進(jìn)過程中泥餅的形成提供了易附著點(diǎn),并在易附著點(diǎn)附近逐步黏結(jié)發(fā)展。同時(shí),土倉壓力過高,導(dǎo)致切削下來的渣土不能順利通過螺旋機(jī)排出,在土倉內(nèi)堆積擠壓,加之改良不到位,這種堆積的密實(shí)度越來越大,最終形成泥餅。

3 泥餅的防治措施

通過對(duì)三種泥餅形成過程的分析,泥餅的形成與渣土改良的關(guān)系極為密切,要做好泥餅的防治,重點(diǎn)需從加強(qiáng)渣土改良的方面來進(jìn)行,現(xiàn)從以下兩方面提出泥餅的防治措施。

3.1 設(shè)備微改造

渣土改良是通過盾構(gòu)機(jī)的管路系統(tǒng)對(duì)開挖面和土倉注入水、泡沫和改良劑(泥漿、聚合物等)來改善渣土的性質(zhì),使其呈現(xiàn)出較好的“塑性流動(dòng)狀態(tài)”,這種塑性流動(dòng)狀態(tài)主要包括的含義為:1)土體不易固結(jié)排水;2)土體處于流塑狀態(tài);3)土體具有較低的透水率;4)土體具有較低的內(nèi)摩擦角。

針對(duì)結(jié)泥餅問題,渣土改良可以從結(jié)泥餅內(nèi)因的角度對(duì)其進(jìn)行防治,面對(duì)不同的開挖面土質(zhì)情況,通過水和改良劑的合理選用,使渣土各成分間利于結(jié)成泥餅的相互作用減弱,不易形成穩(wěn)定狀態(tài)的泥餅,以達(dá)到結(jié)泥餅問題的防治;從外因的角度進(jìn)行防治,就是要針對(duì)性的對(duì)易附著位置進(jìn)行針對(duì)性的處理,措施就是加強(qiáng)關(guān)鍵部位的沖刷,讓渣土流動(dòng),不使其輕易堆積和擠壓[7]。

在泥餅發(fā)展的過程中也著重提到,泥餅的形成從改良的實(shí)際效果來看與我們所采取的改良方式有著直接的關(guān)系,盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí),已考慮到其自身的適應(yīng)性問題,設(shè)計(jì)了完善的渣土改良系統(tǒng)。但是,在使用過程中也發(fā)現(xiàn),這種設(shè)計(jì)有所欠缺,因此為確保關(guān)鍵部位加強(qiáng)沖刷對(duì)改良系統(tǒng)進(jìn)行了微改造。

1)膨潤土系統(tǒng)的微改造見圖1。

改造前缺點(diǎn):兩路膨潤土由一個(gè)擠壓泵串聯(lián)控制,容易出現(xiàn)管路及噴口堵塞,且不好判斷堵塞位置,從而達(dá)不到保證一定的壓力和流程向掌子面特定位置噴水來改良、沖刷切削渣土順利進(jìn)倉。

優(yōu)化后作用:新增螺桿泵將兩路膨潤土優(yōu)化為單管單泵控制,解決管路堵塞、堵塞位置及時(shí)快速查找、改良噴水壓力及流量不足、沖刷改良位置不好確定等問題。能夠改善、增大特定位置刀盤前方噴水量,配合泡沫系統(tǒng)保證切削土體順利進(jìn)倉,降低土體在刀盤面板前方堆積,久而久之出現(xiàn)面板結(jié)餅、開口堵塞的情況出現(xiàn)。

2)刀盤噴水系統(tǒng)微改造見圖2。

改造前缺點(diǎn):掘進(jìn)過程中后方臺(tái)車其他用水容易造成卸壓,影響刀盤噴水流量及壓力的穩(wěn)定,導(dǎo)致刀盤背部土倉內(nèi)渣土改良沖水不穩(wěn)定。

優(yōu)化后作用:更改連接盾膨擠壓泵至刀盤噴水,專泵控制刀盤噴水系統(tǒng),保證掘進(jìn)過程中刀盤噴水壓力、流程穩(wěn)定,防止土倉內(nèi)渣土堆積,排出不利,造成牛腿區(qū)域及開口渣土堆積堵塞現(xiàn)象出現(xiàn)。

3)主動(dòng)攪拌棒噴水微改造見圖3。

優(yōu)化后作用:新增增壓泵,連接三通:一路向臺(tái)車膨潤土箱供水,保證膨潤土箱儲(chǔ)水充足;一路向攪拌棒沖水,修正1號(hào)及3號(hào)攪拌棒頂端噴口斜向螺機(jī)口方向沖水,解決渣土在土倉內(nèi)螺機(jī)口頂部堆積“盆蓋”造成渣土排出不暢的問題。

3.2 改良劑的選用

復(fù)合地層在我們?cè)缙诘恼J(rèn)識(shí)中,認(rèn)為硬顆粒與黏性顆粒在經(jīng)水和泡沫混合、攪拌后有著較好的自改良效果,事實(shí)上我們?cè)谥暗膹?fù)合地層掘進(jìn)中也有過如此經(jīng)過驗(yàn)證的工程經(jīng)驗(yàn)。本文研究工況下易結(jié)餅的問題核心還是地層的不同,本次研究工況其地層的分布具有一定的特點(diǎn),在刀盤中間位置始終有一層強(qiáng)風(fēng)化巖層,其物理性質(zhì)接近于黏土,不能呈土狀進(jìn)入土倉就會(huì)被磨成泥漿,加之巖層礦物成分本身就具有黏性從而能快速附著在刀盤上。

為了解決強(qiáng)風(fēng)化巖層的附著問題和預(yù)防結(jié)泥餅,有必要選用具有分散效果的改良材料,如分散型泡沫、分散劑溶液等,能瓦解被擠壓密實(shí)或固結(jié)渣土塊的表面作用力,經(jīng)水和泡沫浸泡后使其分散。通過對(duì)其內(nèi)部機(jī)理的研究,可以委托專門的材料研究機(jī)構(gòu),配置適用于地層的分散劑溶液,并在實(shí)踐中進(jìn)行改進(jìn)。

因此,復(fù)合地層的盾構(gòu)掘進(jìn)施工,除了泡沫的正常使用,在水中添加分散劑溶液有助于泥餅的防治。

3.3 施工注意事項(xiàng)

前文我們論述了結(jié)泥餅三種發(fā)展過程,并從設(shè)備微改造和材料方面進(jìn)行了一些改進(jìn),那么在施工工藝方面,有必要重新形成一套完善的參數(shù)和施工工藝,發(fā)揮好設(shè)備和材料的性能。對(duì)施工過程的重點(diǎn)也有必要時(shí)刻注意,掘進(jìn)工況的復(fù)雜性還需要施工過程中靈活控制。

1)掘進(jìn)參數(shù)的合理設(shè)定及控制。a.土壓力。隨著土壓平衡模式的建立,倉內(nèi)的渣土?xí)驗(yàn)榫蜻M(jìn)快慢和出渣快慢的動(dòng)態(tài)變化出現(xiàn)渣土密實(shí)度的動(dòng)態(tài)變化,有必要維持掘進(jìn)和出渣兩個(gè)速度的動(dòng)態(tài)平衡,避免倉內(nèi)渣土密實(shí)度過高為泥餅形成提供條件。b.推進(jìn)速度。在推進(jìn)過程中應(yīng)充分了解施工速度、盾構(gòu)掘進(jìn)改良參數(shù)、泥土溫度之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系及其對(duì)泥餅形成的影響?？刂坪闷椒€(wěn)、較快的掘進(jìn)速度,意味著與之匹配的改良參數(shù)、出渣速度、渣土干稀程度要控制好,掘進(jìn)速度是盾構(gòu)的綜合平衡指標(biāo),是掘進(jìn)狀態(tài)的集中體現(xiàn)。

2)快速均衡施工。盾構(gòu)施工應(yīng)快速、均衡,避免長時(shí)間停機(jī)。長時(shí)間的停機(jī)會(huì)導(dǎo)致土倉內(nèi)渣土固結(jié)、流動(dòng)性減弱、刀盤及土倉壁結(jié)泥餅的可能性增加;掘進(jìn)速度太慢,渣土與刀盤、土倉壁的相互作用時(shí)間增長也容易結(jié)成泥餅;而且長時(shí)間停機(jī),會(huì)造成渣土完全度過掘進(jìn)時(shí)的高溫、停機(jī)后受地下水影響的低溫兩個(gè)峰值,倉內(nèi)土體會(huì)受溫差的影響輕微收縮,有進(jìn)一步結(jié)成泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。

3)定期開倉、清倉。定期開倉可以較準(zhǔn)確地掌握前方地層的地質(zhì)狀況和刀具的磨損情況,對(duì)倉內(nèi)環(huán)境的直接觀察最能驗(yàn)證渣土改良的成效;定期對(duì)刀盤和土倉環(huán)境進(jìn)行清理,對(duì)刀盤結(jié)泥餅可起到預(yù)防作用,從掘進(jìn)參數(shù)和掘進(jìn)狀態(tài)反應(yīng)已出現(xiàn)較嚴(yán)重的結(jié)餅現(xiàn)象時(shí),應(yīng)及時(shí)開倉處置。

4)加強(qiáng)推進(jìn)中對(duì)渣土的管理。對(duì)出土量、掘進(jìn)行程等科學(xué)管理,不能因?yàn)椤皳Q斗”、拼裝行程不夠而刻意在不出渣狀態(tài)下掘進(jìn),維持合理的動(dòng)態(tài)平衡極為關(guān)鍵。

4 結(jié)語

盾構(gòu)施工因其面對(duì)工況是不斷變化的,密閉狀態(tài)下的土倉環(huán)境施工人員也無法直接觀察,面對(duì)時(shí)刻變化的掘進(jìn)參數(shù),盾構(gòu)操作既是對(duì)當(dāng)下的處理,也是對(duì)即將發(fā)生的預(yù)判,這就需要我們既有對(duì)工程的理性認(rèn)識(shí),也要有基于工程經(jīng)驗(yàn)的感性判斷,這也許正是盾構(gòu)施工的魅力所在。

通過對(duì)復(fù)合地層掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的結(jié)泥餅的成因分析、問題的解決,使我們對(duì)復(fù)合地層的認(rèn)識(shí)更深一步,在這個(gè)過程中分析結(jié)泥餅的內(nèi)外機(jī)理,推導(dǎo)了其發(fā)展過程,也針對(duì)性地提出了解決方案,為類似工程提供了可借鑒的實(shí)例。