盾構(gòu)隧道施工中刀盤泥餅的形成機(jī)理和防治措施A

1、盾構(gòu)隧道施工中刀盤泥餅的形成機(jī)理和防治措施復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)中，盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)泥餅的現(xiàn)象是城市地鐵隧道施工中的一個難題。從地層地質(zhì)、盾構(gòu)機(jī)自身設(shè)計制造及施工控制等因素對刀盤結(jié)泥餅的原因進(jìn)行了分析，提出了防治泥餅的施工措施，為類似工程提供了解決此類問題的思路和途徑。1刖日隨著我國大城市人口日益增多和地面交通設(shè)施的負(fù)荷日益加重，地下空間的開發(fā)利用就成了廣大城市規(guī)劃設(shè)計人員關(guān)注的焦點(diǎn)，盾構(gòu)工法也在城市軌道交通工程中被廣泛采用。在廣州、深圳等地區(qū)的泥巖和泥質(zhì)粉砂巖地層中，盾構(gòu)掘進(jìn)施工常常會遇到刀盤結(jié)泥餅這一難題，它的存在關(guān)系到了掘進(jìn)的安全性、設(shè)備的耐久性和施工組織的合理性。2. “泥餅”的形成機(jī)理圖1滾刀

2、結(jié)泥餅圖示泥餅（圖1、圖2）是盾構(gòu)刀盤切削下來的細(xì)小砂土顆粒、碎屑在土艙內(nèi)重新聚集而成的半固結(jié)和固結(jié)狀的塊狀體，早在半個世紀(jì)以前日本的盾構(gòu)專家就提出過這樣的問題，并在實(shí)踐中不斷探索解決其方法。我國從上海打浦路隧道開始修建以來，盾構(gòu)工程界也在不斷尋求解決“泥餅”問題的途徑。泥餅的存在加重了盾構(gòu)機(jī)刀盤和刀具的負(fù)荷，常常使掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)突變，使施工效率大大降低。圖2刀盤幅條和回轉(zhuǎn)體處結(jié)泥餅圖示3. 1泥餅的成因4. 1.1地層地質(zhì)因素隧道穿越的復(fù)合地層多為全一強(qiáng)風(fēng)化的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖，這幾類巖層富含粘土礦物顆粒屑和粉末狀，這些碎屑粉末狀的粘土顆粒是形成泥-侖區(qū)間隧道的施工中，技術(shù)人員對結(jié)有，

3、在刀具的切削和刀盤的沖擊作用下，巖塊變成碎餅的基礎(chǔ)材料。在很多隧道的施工中，技術(shù)人員對結(jié)有泥餅的環(huán)段取砂土樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)采用沖水稱重和簡單的篩分法。圖3是泥餅生成與地層地質(zhì)關(guān)系曲線，從圖中可以看出：泥巖和泥質(zhì)粉砂巖的粘土粒、碎屑含量低于20%時，泥餅生成機(jī)率很??；當(dāng)粘土粒、碎屑含量大于25%時，隨著施工工藝和施工設(shè)備的不利因素組合，泥餅發(fā)生可能性增加。圖3泥餅生成與地層地質(zhì)關(guān)系曲線3. 1.2盾構(gòu)機(jī)的刀盤、刀具系統(tǒng)缺陷盾構(gòu)刀盤和刀具設(shè)計制造缺陷會導(dǎo)至施工掘進(jìn)中“泥餅”的產(chǎn)生，其成因如表1所示。從表中可以看出，刀盤中心區(qū)開口率是泥巖和砂巖地層盾構(gòu)進(jìn)中結(jié)泥餅的重要因素，地鐵采用的三菱、小松、

4、海瑞克、威爾特等盾構(gòu)機(jī)開口率多在33%38%之間，可以認(rèn)為33%是保證少結(jié)泥餅的開口率下限值。刀盤內(nèi)的攪拌棒及幅條型式、數(shù)量也是另一泥餅產(chǎn)生的因素。刀具布置不合理會導(dǎo)致切削下的砂土塊度不均、滾刀磨損，進(jìn)而降低掘進(jìn)和排土效率，使其產(chǎn)生泥餅。表1盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具缺陷導(dǎo)致泥餅生成原因一覽盾構(gòu)機(jī)部位泥餅生成原因刀盤-中心區(qū)域開口率過小刀盤-攪拌棒（包括主動、被動）數(shù)量少于6卞g（圖4）刀盤-刀盤幅條橫截面呈方形，不夠圓滑（圖5）土艙-土艙容積小于20m3,砂土臨時存放能力不足刀具-刀盤刀具平面布置不合理，有切削不到的盲區(qū)刀具-各型滾刀、刮刀布置高差小于20mm,層次不分明（圖6）圖4土艙內(nèi)主動和被動攪

5、拌棒圖示圖5呈方型的刀盤幅條圖示3. 1.3施工控制因素除地層地質(zhì)和刀盤刀具設(shè)計制造缺陷外，施工過程中的操作者的行為也是刀盤結(jié)泥餅的一個不可忽視的因素，歸結(jié)為以下幾條(1)未能正確判斷復(fù)合地層下的盾構(gòu)掘進(jìn)模式在土壓平衡模式時土艙內(nèi)土壓設(shè)定值過高，導(dǎo)致切削下來的土砂不能順利通過螺旋機(jī)排出，在土艙內(nèi)堆積擠壓，密實(shí)度和密度越來越大，最終形成泥餅。(2)掘進(jìn)施工中砂土改良不到位為改善切削砂土的和易性(干稀度、流動性，通常在刀盤和土艙內(nèi)加入水、膨潤土和泡沫劑，泡沫劑是一種化學(xué)物質(zhì)，它對砂土有膨化、潤滑和降低附著力的作用，對降低砂土和刀盤刀具溫度也起主要作用。施工過程中因經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場判斷失誤，對加入的改良劑

6、的濃度配比、注入壓力、注入量等掌握不準(zhǔn)，導(dǎo)致砂土得不到很好改良，促成泥餅產(chǎn)生。(3)盾構(gòu)機(jī)械維護(hù)保養(yǎng)問題因系統(tǒng)冷卻水溫度偏高，或是刀盤高速旋轉(zhuǎn)后與周圍土體介質(zhì)摩擦生熱，使土艙內(nèi)溫度升高，對泥餅有“燒結(jié)促成”作用。設(shè)置在刀盤面板上的注入孔時常被堵塞，無法適時按量加入泡沫劑，砂土和易性得不到有效改良。3. 2泥餅生成環(huán)段掘進(jìn)參數(shù)分析對結(jié)有泥餅的左線隧道598環(huán)主要的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，其結(jié)果如圖7所示。圖7萬-侖區(qū)間左線隧道598環(huán)掘進(jìn)參數(shù)曲線從圖中可以看出，當(dāng)掘進(jìn)中出現(xiàn)“速度逐步降低、推力明顯增大、扭矩逐漸減小”的情況時，刀盤及刀具已開始結(jié)泥餅。泥餅的存在，對整個盾構(gòu)掘進(jìn)是不利的，對刀盤

7、刀具有較大的危害：滾刀偏磨(圖8)、刀盤鋼結(jié)構(gòu)受損(圖9)、刀盤中心軸向后移位。圖8磨偏的單刃滾刀圖示圖9加焊受損的刀盤幅條圖示4防結(jié)泥餅的施工措施4. 1盾構(gòu)機(jī)設(shè)計、選型方面的措施設(shè)計盾構(gòu)機(jī)時，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)拈_口率(特別是中心位置),盡可能實(shí)現(xiàn)土體進(jìn)艙順利；在土艙內(nèi)設(shè)置土壓力傳感器，及時反映土艙內(nèi)泥土粘附情況，預(yù)防“泥餅”的形成。刀盤內(nèi)側(cè)(土艙側(cè))設(shè)有攪拌棒，盾構(gòu)隧道施工中刀盤泥餅的形成機(jī)理和防治措施隨刀盤一起轉(zhuǎn)動，可加速土體流動及對螺旋機(jī)喂料，減少泥餅的形成。4. 2盾構(gòu)掘進(jìn)施工中采取的措施(1)粘性土地層砂土的土體改良在粘性土地層中的土壓平衡盾構(gòu)施工區(qū)段，為了降低土體間的粘聚力、減少土艙中

8、土體壓實(shí)結(jié)密的可能性、減少掘削土體與盾構(gòu)機(jī)刀盤及結(jié)構(gòu)間的粘著力，應(yīng)改善土體的和易性，保證土艙內(nèi)土壓力的穩(wěn)定性和出土的順暢。在施工過程中，應(yīng)及時觀察所排土體的情況，分析土體粘性和含砂粒比例的情況，及時添加適量的土體改良劑一泡沫，進(jìn)行土體改良，以減小土體粘性度和粘著力。(2)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定在粘性土地層中的土壓平衡盾構(gòu)施工區(qū)段，土壓力的設(shè)定以理論的土壓力為基礎(chǔ)，并作適當(dāng)降低，具體可根據(jù)實(shí)際操作作調(diào)整。但在施工過程中必須觀測分析盾構(gòu)穿越地層的特性，在推進(jìn)過程中應(yīng)充分了解施工速度、盾構(gòu)掘進(jìn)性能、泥土溫度之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系及其對“泥餅”形成的影響?？刂坪猛七M(jìn)速度，減少“泥餅”產(chǎn)生的機(jī)率。(3)土壓力傳

9、感器的設(shè)置在土艙內(nèi)不同高度設(shè)置土壓力傳感器，通過兩個固定高度點(diǎn)的士壓力差可測出土體的表觀密度；在感覺有泥餅生成前應(yīng)用500X10-6/700X10-6漏斗法對土樣的粘度進(jìn)行測量,當(dāng)粘度指標(biāo)大于12s時應(yīng)在注入泡沫劑和膨潤土方面加強(qiáng)，改良砂土的和易性。(4)控制循環(huán)水溫度嚴(yán)格控制土砂密封溫度，其密封溫度與刀盤的冷卻程度有很大關(guān)系，循環(huán)水是刀盤冷卻系統(tǒng)的主要介質(zhì)。當(dāng)外界氣溫高于30C、隧道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的功能較差時，隨著單環(huán)掘進(jìn)時間的增加，土艙內(nèi)的溫度很容易上升，因此應(yīng)控制冷卻水的溫度，必要時需使用冰水。(5)快速均衡施工盾構(gòu)施工要求“連續(xù)、快速、穩(wěn)定”，長時間的停機(jī)會導(dǎo)致土艙內(nèi)土壓逐步升高、流動性減

10、弱、刀盤及刀具板結(jié)泥餅的可能性增加；掘進(jìn)速度太慢,通常掘進(jìn)一環(huán)(1500mm)需要3小時以上，生成泥餅的可能性也就增加了。(6)定期開艙、清艙盾構(gòu)施工中的開艙檢查好比人的體檢一樣，要定期進(jìn)行，而不是在出現(xiàn)病態(tài)后才采取補(bǔ)救措施。定期的開艙可以較準(zhǔn)確地掌握前方地層的地質(zhì)狀況和刀具的磨損情況，對刀盤結(jié)泥餅可起到預(yù)防作用，當(dāng)檢查出刀盤有泥餅粘著的情況時應(yīng)及時、徹底清理。5結(jié)語在我國許多城市的地鐵施工中盾構(gòu)工法還不是十分成熟，在刀盤結(jié)泥餅這類問題上還需要進(jìn)一步探索和研究。在隧道工程中總結(jié)出了以下幾點(diǎn)防刀盤結(jié)泥餅的經(jīng)驗(yàn)：(1)操作者需要有熟練的操作和判斷能力以及高度的責(zé)任心。(2)盾構(gòu)機(jī)的自身設(shè)計制造要合理，刀具的配置和刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)需優(yōu)化。(3)用于土艙內(nèi)土體