淺談泥水盾構在軟硬復合地層施工中的泥餅防治

2012-04-29 00:00:00吳雄杰唐梓植

建筑與文化 2012年10期

[摘要]：復合地層的盾構掘進中，盾構機刀盤結泥餅是隧道施工中的一大難題。本文以廣州地鐵2線某區間的工程為例，通過從盾構機自身的設計制造及施工控制等方面的因素分析探討盾構施工中的一些泥餅防治措施。

[主題詞]：盾構施工；刀盤；泥餅；防治措施

1 前言

隨著我國城市化進程地不斷深入，城市人口容量和地面交通設施的負荷地也越來越大，城市規劃的焦點也逐漸地轉向地下空間的開發和利用。近年來，地鐵隧道的大力發展建設使得盾構工法在施工中被廣泛使用。在廣州、深圳等地區的泥巖和泥質粉砂巖地層中，盾構施工常常會遇到刀盤結泥餅這一難題，也給盾構掘進的安全、設備的耐久性和施工組織的合理性帶來嚴峻的考驗。

2 工程概況

南浦站～南會區間中間風井隧道工程屬于廣州軌道交通二八號延長線，盾構始發井位于廣州番禺南浦島。工程主要由一組雙孔單線圓形隧道組成，隧道開挖直徑6280mm，襯砌成型后凈尺寸5400mm，隧道全長925.4雙延米。

隧道洞身穿越的地層主要為<7>強風化紅層巖、<8>中風化紅層巖和，局部為<2-1B>淤泥質土層、<2-2>海陸交相淤泥質砂層、<3-1>沖積－洪積細砂、<4-1>粉質粘土、<9>微風化紅層巖。

3 泥餅成因

3.1 地層地質因素

隧道穿越的復合地層多為強風化層、強風化層以上的全風化層、殘積土層等，這些地層的粘粒或膠粒含量太高，在刀具的切削和刀盤的沖擊作用下，巖塊變成碎屑和粉末狀。在掘進中混合著艙內的泥漿重新膠結在一起，粘附在泥水艙或泥土艙內，形成所謂的“泥餅”現象，而且會裹住滾刀使其無法轉動，從而導致掘進切削的效率急劇下降，刀盤扭矩上升，造成刀盤油溫過高，使盾構無法正常掘進。

3.2 盾構機的刀盤設置及刀具的配置

根據我們在廣州、深圳地區的盾構施工以及一些相關資料顯示，在易結泥餅的盾構施工中，盾構機刀盤和刀具設計的缺陷會大大增加出現泥餅的幾率。如果刀盤中心區開口率較小、在線速度低的情況下，刀盤極易形成面板泥餅，因此刀盤中心開口率是泥巖和砂巖地層盾構掘進中結泥餅的重要因素。參照廣州地區盾構施工的現狀，本地區采用的三菱、小松、海瑞克、威爾特等盾構機開口率基本在33%～38%之間，可以認為33%是保證少結泥餅的一個開口率下限。由于結構問題，刀盤內的攪拌棒及輻條型式、數量也是產生泥餅的另一要素。另外刀具的布置和配置是否合理也是產生泥餅的一個重要指標。刀具配置的不合理會導致切削下的砂土塊度不均、滾刀磨損，一旦出現磨損后，滾刀的切削效率將大大降低，會逐漸在刀箱、輻條處形成泥餅，隨著盾構掘進地不斷進行使泥餅情況更加嚴重。

3.3 施工控制因素

除了地質和刀盤刀具設計制造的缺陷外，施工過程中的參數制定和操作也是刀盤結泥餅的一個重要因素，主要為以下幾點：

（1）未能及時處理易結泥餅區域粘附的土團及艙內的堆積土團

泥水盾構在泥水艙內和氣艙內的不同位置均布置有大小不一的泥漿入艙管路。通過管路的開合及壓力流量的調整，可用泥漿流對切削下來的土塊及黏附在刀盤上的土團進行壓力沖切打散再通過循環泥漿流帶走，防止土團在艙內持續增大堆積。如果不能在速度，推力以及刀盤扭矩的數據的反映下及時判斷艙內的泥餅情況并采取相應措施，易結泥餅區域粘附的土團及艙內的堆積土團將越積越多，最終形成泥餅。

（2）掘進施工中泥漿調制得不到位

在泥水盾構的施工中，泥漿質量的調配及處理是保證盾構施工正常穩定開展的重要保證。在易結泥餅地層的施工中，泥漿濃度不夠會很難將土艙里面的土團攜帶出來。此外，倘若泥漿處理系統對小粒徑顆粒的分離能力的不足，也是在艙內促進泥餅產生的一個重要因素。

4 泥餅防治的施工措施

4.1 刀盤的改造及刀盤的配置

在我司完成的南浦～南會區間中間風井段里，我們盾構的掘進全斷面中不但有全斷面的巖層段，也有砂層、淤泥層和巖層等多種組合的復合地層。而且由于上部地層軟弱或上部覆土層厚度小等各種原因，使得在掘進中存在刀具磨損而不能更換的風險或需冒險更換。所以刀具配置不但要考慮在軟土地層段的耐磨損性，同時也要能在硬巖段順利掘進，根據這兩方面的要求，刀盤需配置適合硬巖掘進的刀具，即滾刀，但是滾刀存在不容易轉動、容易偏磨的風險，所以從以下幾方面配置刀盤刀具：

（1）改造刀盤

我司與海瑞克原設計的刀盤中心刀為羊角刀，在珠江新城某標段施工中使用發現該類型中心刀不能滿足破除硬巖的能力，對掘進有很大的風險，經過討論，我們對刀盤中心刀進行了改造，改造為中心滾刀形式，即把刀盤中心位置整體割除，同時加工一個整體帶4個滾刀刀箱的結構替換。

（2）增強耐磨性

為加強刀具的耐磨性，刀具選擇使用鑲合金粒的盤型滾刀，滾刀主要為九玖鑲合金雙刃滾刀，合金粒增強了滾刀的耐磨性，防止其在上軟下硬的復合巖層中掘進時出現磨損或偏磨。

4.2 刀盤中心P0泵的改造

在刀盤改造后，盡管提高了對硬巖段施工的處理能力，但也大大降低了刀盤中心的開口率，給泥餅的產生埋下隱患。為此，我司對泥漿的循環系統也同時進行了改造，在伸入刀盤回轉中心的泥漿管設置了獨立泵源Po泵，并把泥漿管口延長至刀盤面板處，在進行易結泥餅地層的掘進時，采用大壓力的泥漿沖刷，避免泥餅形成。通過實踐，這個方案對泥餅的防治工作還確實是很實用的。

4.3 盾構施工中采取的措施

（1）泥漿處理系統的設計

根據一些研究資料顯示，泥水盾構施工中泥餅的形成不但與盾構機刀盤的設置及刀具的配備有關，而且還與泥漿中粘粒的濃度大小密切相關。

混合后泥漿中粘粒的濃度

，

上式中：

γs、γw——土粒的干重度、水的重度；

v0、v——單位時間內泥漿的原始體積（即流量）、被切削土體的體積（m3）；

λ0、λ——泥漿中固體顆粒的含砂率、被切削土體的含砂率；

γ0、γ1、γ——泥漿的原始重度、混合后的泥漿重度、被切削土體的重度；

n——土體孔隙率；

D——盾構機外徑（m）；

s——單位時間內的推進長度，即推進速度（m/min）。

根據研究資料及施工過程中的摸索，我們發現當混合后泥漿中粘粒的濃度大于0.4時，就會很容易造成“泥餅”形成。特別是當盾構機行進在一些復合地層和某些特殊地層中時，掘進全斷面同時出現巖層和砂層的復合地層或出現含大量難溶顆粒的粘土質砂土地層、泥巖、泥質粉砂巖、殘積土層、全風化巖層和強風化巖層等特殊土層時，在泥漿處理系統小粒徑顆粒的分離能力不足的情況下，一方面粘粒濃度過高，含砂率大的泥漿不但使切削下來的土塊重新膠著在一起直接促進泥餅的形成；而且另一方面來說，泥漿的比重也會隨著掘進不斷地增大，泥漿質量會變得越來越差，難以順利帶出掘進中產生的土團而成為形成泥餅的材料。

對于泥漿的處理，我部采用的是每條線2臺國產的黑旋風泥漿處理系統，每臺設計處理量為500m3/h。首先，通過泥漿處理系統的組合使用，在經過一級除砂凈化處理后，能清除90%74μ以上的砂質顆粒，同時清除部分30μ～74μ的砂質顆粒；其次，倘若泥漿中的含砂量仍達不到施工要求，可增加二級除砂凈化處理，能清除泥漿中剩余的74μ以上的砂質顆粒，同時清除掉30μ以上的粉質顆粒；再次，也可以根據實際的施工情況在泥漿中加入膨潤土等化學速凝劑，調節泥漿的質量以使泥漿能順利帶出掘進倉內切削下來的土塊。大大減小泥餅出現的幾率。

（2）易結泥餅地層中盾構的常規操作

在盾構施工的過程中，中控室的各項參數是我們遇到各種掘進現象時的最直接反映。對泥餅的出現和防治，我們常通過推進的速度、推力及刀盤扭矩的變化情況來判斷及選擇相應的處理措施。一些常規操作如下：

1）增大總體環流流量，用大流量泥漿沖刷刀盤，使泥團不黏附在刀盤上，減小泥餅形成的幾率。

2）增大單個或多個管路的泥漿壓力沖刷刀盤，避免或減少渣土在刀盤上堆積。

3）提高刀盤轉速，通過刀盤離心力使渣土脫離刀盤。

4）根據地層的組成和掘進時的各項參數（扭矩、推力、土倉壓力等）以及出渣情況調節Po泵的流量。

在實際施工中，我們也常常把這些操作進行組合使用。在增大泥漿流量的同時可以利用成對對稱的管道閥門一開一關以積蓄管道壓力，并通過有規律的來回切換以提高沖刷效果。

5 結語

在我國許多城市的地鐵施工中盾構工法還不是十分的成熟，在刀盤結泥餅這類問題上還需要不斷地探索和研究。在南浦站～南會區間中間風井隧道的盾構施工中，我們對刀盤泥餅的防治做了一些探索和總結：

（1）操作者需要有熟練地操作和判斷能力以及高度的責任心；

（2）根據實際施工情況，對盾構機自身的設計進行合理的制造，刀具的配置及刀盤結構也需進行相應的優化；

（3）提高泥漿處理系統的泥漿質量，滿足施工需要。并應根據地層地質及掘進情況對泥漿的調配進行動態調整；