超大直徑泥水盾構(gòu)常壓刀盤防結(jié)泥餅措施的探討

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程加快和地下空間不斷開發(fā)，超大直徑泥水盾構(gòu)施工在穿越江、河、湖、海等復(fù)雜水文地質(zhì)條件的隧道工程得到廣泛應(yīng)用。大直徑泥水盾構(gòu)的隧道斷面一次成型，因能承受高水壓下掘進(jìn)和在常壓下更換刀具而被廣泛地應(yīng)用于穿越江、河、湖、海等復(fù)雜地質(zhì)的隧道建設(shè)中。此類盾構(gòu)配備的常壓刀盤一般開口偏小，在面對淤泥質(zhì)土類、黏土類具有低承載力、高壓縮性的地質(zhì)更容易引起刀盤結(jié)泥餅。刀盤結(jié)泥餅會阻礙排漿口，增大盾構(gòu)刀盤扭矩，影響施工的安全和進(jìn)度。本文結(jié)合工程實(shí)際，研究大直徑泥水盾構(gòu)結(jié)泥餅的主要原因，找出防治刀盤結(jié)泥餅的一些措施。

1 工程概況

某海灣盾構(gòu)隧道工程長約3 000m，采用直徑?15m 的泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，配置常壓刀盤。盾構(gòu)掘進(jìn)施工范圍內(nèi)地層以淤泥、淤泥混砂、淤泥質(zhì)土為主；局部地層中摻雜粉質(zhì)黏土、中粗砂、粉細(xì)砂；在隧道進(jìn)出口段隧道范圍的基巖中含微風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖。

2 泥餅形成的主要原因

泥餅是盾構(gòu)刀盤切削的小顆粒、殘?jiān)谕僚搩?nèi)與刀盤附近匯集而成半固結(jié)和固結(jié)的塊狀體。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)分析，泥餅形成的主要原因一般分為以下幾點(diǎn)。

2.1 地質(zhì)原因

在盾構(gòu)施工過程中容易形成泥餅的地層主要有黏土類地層和母巖為花崗巖的殘積土層等。

一般而言，在花崗巖風(fēng)化的過程中，只有微量元素會淋濾流失，如Ca、Na、K，而Si、A1類礦物多數(shù)得以保留。殘積的花崗巖及全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化地層中，雖然還存有長石類礦物晶體結(jié)構(gòu)的表面，內(nèi)部已風(fēng)化成為黏土礦物，并且其總含量基本保持未變。這類花崗巖一旦遇水或者卸荷，礦物晶體結(jié)構(gòu)的表面就被破壞，黏土礦物吸收水分后發(fā)生擴(kuò)張，在不同含水量的情況下顯示出流動(dòng)性和粘結(jié)性。泥餅形成的物質(zhì)基礎(chǔ)是黏土礦物。

2.2 盾構(gòu)選型

盾構(gòu)施工是否形成泥餅的關(guān)鍵原因是選型，與泥餅形成相關(guān)的因素主要有盾構(gòu)系統(tǒng)刀盤配置、渣土攪拌、泥漿沖刷等系統(tǒng)。

2.2.1 刀盤系統(tǒng)

開口率是造成盾構(gòu)施工中結(jié)泥餅的重要因素，本工程盾構(gòu)刀盤為常壓換刀刀盤，開口率僅為28%，刀盤厚度較大，刀孔為封閉狀，渣土的流動(dòng)性較差。

刀盤中心部位采用6 組雙聯(lián)滾刀，造成刀盤中心區(qū)域幾乎無空隙，粘性顆粒在刀盤中心附近集聚容易形成板結(jié)泥餅。主梁與輔梁的中間焊有筋板相連，將輔梁分割成為4 個(gè)獨(dú)立的小格，渣土流動(dòng)不暢時(shí)極易將小格填滿形成泥餅。刀具配置為6 個(gè)主梁面板上安裝常壓可更換滾刀和常壓可更換刮刀以及帶壓刮刀，6 個(gè)輔梁上全部為帶壓刮刀，其中常壓滾刀突出刀盤面板225mm，常壓刮刀突出刀盤面板185mm，刀的高差為40mm。在黏土地層掘進(jìn)時(shí)，黏土極易粘結(jié)于滾刀刀筒附近造成滾刀無法轉(zhuǎn)動(dòng)使?jié)L刀出現(xiàn)旋磨，導(dǎo)致滾刀和刮刀的高差進(jìn)一步變小，最后使刀盤行成大面積泥餅。刀盤結(jié)構(gòu)形式圖如圖1 所示。

圖1 刀盤結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 渣土攪拌系統(tǒng)

在盾構(gòu)土艙內(nèi)對渣土起攪拌作用的裝置主要有3 類。一種是刀盤支持梁，它隨著刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌艙內(nèi)的渣土；二是活動(dòng)式攪拌棒，它固定在刀盤的背后面板和刀盤的側(cè)面；三是固定式攪拌棒，它大多安裝在盾體前艙艙壁上。攪拌臂的長度及其可靠性影響著泥水艙底部的渣土流動(dòng)，如果對渣土的攪拌松動(dòng)不足，渣土容易集聚阻礙吸漿口進(jìn)而增加刀盤行成泥餅的概率。

2.2.3 沖刷系統(tǒng)

在施工過程中，對刀盤和艙內(nèi)的沖刷流量不足或沖刷管路設(shè)計(jì)角度不當(dāng)?shù)榷紩沟侗P結(jié)泥餅概率增加。

2.3 掘進(jìn)參數(shù)的控制

施工過程中盾構(gòu)的參數(shù)控制也是造成刀盤結(jié)泥餅的一個(gè)重大因素。若是不能根據(jù)地層變化的情況調(diào)節(jié)參數(shù)；對刀盤結(jié)泥餅后導(dǎo)致的參數(shù)變化缺少理解，將造成掘進(jìn)困難、泥餅進(jìn)一步形成。

3 防結(jié)泥餅措施

3.1 盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造

為解決刀盤中心區(qū)域大面積無泄渣口、渣土停留，刀盤中心面板區(qū)域和主梁面板設(shè)置有沖洗口，最大流量可達(dá)1 500m3/h，沖刷方向?yàn)榈侗P徑向方向，用于沖掉尚未形成的泥餅，即不會損傷掌子面泥膜，又能有效解決刀盤面板區(qū)域渣土滯留問題，降低刀盤面板泥餅的形成概率。刀盤面板沖刷如圖2 所示。在刀盤開口夾角位置，為了防止由于開口不暢堵塞而形成泥餅，在主梁側(cè)面預(yù)留沖刷噴口。

圖2 刀盤沖刷示意圖

3.2 控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

加強(qiáng)對盾構(gòu)施工過程中參數(shù)的觀察分析，及時(shí)地調(diào)整推進(jìn)的速度和刀盤旋轉(zhuǎn)的速度，時(shí)刻注意刀盤扭矩和總推力的變化。掘進(jìn)施工過程中推進(jìn)速度不應(yīng)過快，如果刀盤扭矩不大，可以考慮適當(dāng)加快刀盤轉(zhuǎn)速，減少大塊粘土生成幾率。此外，要經(jīng)常改換刀盤的正反向，不宜讓刀盤長時(shí)間在同一方向工作。

掘進(jìn)至容易結(jié)泥餅的地質(zhì)時(shí)要加大對泥漿環(huán)流系統(tǒng)的控制力度。加大進(jìn)出泥漿流量，保證渣土及時(shí)排走，時(shí)刻注意出渣量的變化，當(dāng)出渣的量反常時(shí)，停止推進(jìn)并對土倉和刀盤進(jìn)行清倉。

根據(jù)本工程地質(zhì)勘探資料，在掘進(jìn)至不良地層時(shí)為了防止刀盤結(jié)泥餅，開始降低并控制泥漿比重，在每掘進(jìn)50cm 時(shí)停機(jī)循環(huán)清艙1 次，每次清艙時(shí)間不少于10min。從表1 部分掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表可以看出，經(jīng)采取上述程序后，總的推力和刀盤扭矩等參數(shù)出現(xiàn)縮小趨勢，表明刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象得到改善。

表1 部分掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.3 嚴(yán)格控制泥漿質(zhì)量

泥水盾構(gòu)在粘土和中、強(qiáng)風(fēng)化巖地層施工時(shí)，需要用低比重泥漿更換土倉內(nèi)的高粘性土，以阻止土塊在刀盤和土倉附近集聚。因此要嚴(yán)格控制泥漿的質(zhì)量。

1）施工過程中，嚴(yán)控泥漿的各種數(shù)值。根據(jù)粘土地層和中、強(qiáng)風(fēng)化巖巖土特點(diǎn)，通過對施工土層的取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用適合工程實(shí)際的泥漿。

2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，控制的主要值應(yīng)為：黏稠度18～20s；密度1.05～1.15g/cm3。在掘進(jìn)初期，可以往泥漿內(nèi)添加藥劑，減少刀盤上形成泥餅的幾率。

3）施工過程中，泥漿會因?yàn)樵恋娜芙?，引起泥漿參數(shù)的升高，使泥漿對渣土的攜帶力下降，容易造成粘土在刀盤倉內(nèi)滯留。因此，在盾構(gòu)施工過程中，要及時(shí)對泥漿的指標(biāo)進(jìn)行檢測，特殊情況下每5min 檢測一次。如果泥漿指標(biāo)超高，通過排漿設(shè)備抽走超標(biāo)漿液或添加清水，稀釋高濃度泥漿。

3.4 增加水刀沖刷設(shè)備

在施工中項(xiàng)目部根據(jù)盾構(gòu)具體情況訂制一套鉆桿式高壓沖刷設(shè)備，安裝于盾體內(nèi)適宜位置，在工序停機(jī)期間將沖刷鉆桿從艙壁隔板預(yù)留孔伸入刀盤開口內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式?jīng)_刷。該套沖刷設(shè)備由鉆進(jìn)系統(tǒng)和高壓水系統(tǒng)組成，在鉆頭部位安裝高壓噴頭，鉆桿內(nèi)部為高壓水通道，后部拖車安裝兩套高壓水泵，通過變頻器控制水泵水壓大小。根據(jù)本工程使用經(jīng)驗(yàn)，沖刷水壓力控制在300bar時(shí)對刀盤開口的沖刷效果較好，較好地預(yù)防了刀盤開口處結(jié)泥餅的現(xiàn)象。沖刷裝置原理如圖3 所示。

圖3 沖刷裝置示意圖

4 結(jié)語

盾構(gòu)的選型和掘進(jìn)過程中各參數(shù)的控制對于泥餅的預(yù)防和治理十分重要。雖然目前我國的盾構(gòu)施工技術(shù)已日趨成熟，但盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象這一問題仍未得到徹底解決，仍然屬于一個(gè)長期性的研究課題。