盾構機泥漿堵塞的形成機理和解決方案

陳純潔

（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450001）

0 引言

泥漿堵塞一般指泥漿在盾構機刀盤上形成泥餅，堵塞刀盤泄渣口、致使掌子面渣土無法順利排出、盾構機總推力無限增大、嚴重可導致盾構機掘進段地面隆起、坍塌、導致盾構機被掩埋等重大風險。

1 泥漿堵塞的形成原因和黏附機理

泥餅形成的主要原因是由于黏土遇水后，黏土中的陽離子在水里解離，形成擴散雙電子層，而刀盤表面帶負電，由于同性電荷互相排斥，刀盤上的片狀結構分散開來，導致黏土膨脹，形成泥餅。刀盤上附有泥餅后，盾構機在推力、扭矩、推進速度3 個參數上發生明顯變化，會使盾構機不能正常工作，渣土溫度逐漸升高，因為盾構機工作都在地下，環境溫度不高，所以可以看見渣土上有非常明顯的水蒸氣，如果盾構機在刀盤結泥餅的情況下掘進時間過長，盾構機往往會出現刀盤主驅動溫度過高的現象，因為刀盤扭矩增大、大盤旋轉做功產生熱量無法散出，可能出現“主驅動齒輪油溫度過高”故障報警。

高分子聚合物一般在液態下會呈現3 種狀態：玻璃態、高彈態、黏流態。而黏土在地下壓力作用下，對水分的吸收處于飽和狀態，在進行盾構機掘進時，黏土的壓力變成常壓，泥土和水分充分接觸，呈現黏流態。黏流態高分子聚合物在外力作用下發生形變不能自發恢復，所以泥土就會一直附著在刀盤表面。隨著時間的累積，泥土在刀盤上不斷累積，泥中的水分不斷被擠出，導致泥土與刀盤表面黏附作用力變得越來越大，因此泥土在刀盤表面上形成泥餅，導致盾構機的堵塞情況。

2 泥漿堵塞實驗

2.1 選取實驗原料

選取成都市地鐵五號線某標段隧道泥巖，市面上能夠購買的蒙脫土。

2.2 選取實驗設備

選取試驗設備為模擬盾構機刀盤和黏土對比試驗設備。

2.3 實驗樣本處理

將隧道泥土用水攪拌，過濾雜質選取上層泥漿水，進行靜置。等到上層清液和下次泥漿水完全分層，將清液分離，取出下層泥漿水進行離心機分離，分離出的泥土用烘干箱進行烘干。將烘干的泥土粉水后作為本次實驗的試驗樣本。

2.4 測試試驗樣本的黏流態水分

取出10 g 的試驗樣本泥土，放入燒杯中，一邊加水攪拌，一般測量樣本的黏度變化，記錄黏度最大時，水的添加量。

2.5 盾構機刀盤模擬實驗

將試驗樣本加入一定量的水，使試驗樣本達到黏度最大時的水量。充分攪拌試驗樣本，放入實驗隧道中，使試驗樣本充分分布在隧道內壁上，再加入適量的水分進行浸泡，一段時間后倒出水分，使用盾構機刀盤進行模擬試驗，當盾構機刀盤沿逆時針方向旋轉困難后，取出盾構機刀盤，測量盾構機刀盤前進的深度。

2.6 試驗樣本保水性的測量

將試驗樣本加入一定量的水，使試驗樣本達到黏度最大時的水量。充分攪拌試驗樣本，做出泥餅，切成大小質量基本一致的小泥塊，分別放入燒杯中，加入同樣重量的水，設定0.5 h、1 h、2 h、3 h 時間，分別倒出燒杯中剩余的水，計算泥塊的吸水率，用黏土對比試驗設備測量泥塊的黏度變化。

3 實驗結果和討論

3.1 試驗樣本泥土的黏流態水分

選取10 g 試驗樣本和市面上購買的蒙脫土，放入不同的燒杯中，一邊加水攪拌，一般測量樣本的黏度最大值，加入水的用量見表1。

通過試驗樣本和市面上的蒙脫土洗水后最大黏度時的水量進行對比得到，試驗樣本和市面上的蒙脫土土樣性質是有區別的，并且市面上的蒙脫土達到最大黏度時需要的水量更大。

表1 兩組不同來源土樣的黏度最大時的水量

3.2 試驗樣本保水性的測量

根據2.6 試驗，分別計算不同時時間內泥土的吸水量，結果見表2。

由表2 可得，試驗樣本在最開始吸水量隨時間的延長是在逐漸增加的，在2 h 時吸水量最高達到3.22 mL，隨后逐漸降低。同時試驗樣本的黏度隨吸水量的增加也在增加，2 h 后吸水量逐漸減少，黏度也在隨之減少。

表2 樣本在不同時間的吸水量和黏度

3.3 盾構機設備和形成泥餅的因素

通過對盾構機進行分析，對泥餅產生的因素進行統計，見表3。

表3 泥餅產生的影響因素

由表3 可知：造成泥漿堵塞的主要影響因素在刀盤和刀具上，如果刀盤和刀具的選擇不合理，就很容易形成泥餅，造成泥漿堵塞，影響到盾構機的正常工作

4 泥漿堵塞的解決方案

4.1 對當地土樣進行充分了解

解決盾構機泥漿堵塞的方法就是改變泥土的液態形態，使其不變成黏流態，所以在進行相應的盾構機工程時，需要對當地的土樣進行充分了解。對工程地下土樣進行分析，得到當地土樣的最大吸水率和黏度，以便更好得施展工程。同時工作人員可以研究相應的水藥劑，能夠使當地的土樣在水藥劑的作用下失去黏性，從而在液態下不會變成黏流態，附著在盾構機的刀盤上，形成泥餅，就不會造成泥漿堵塞的情況，影響盾構機的正常工作。

4.2 對刀盤進行改進創新

在進行盾構機工作上，隧道的泥土難免會遺留到刀盤上，所以防治刀盤上形成泥餅的最好方式，就是對刀盤進行改進創新[1]。近幾年來盾構機制作商嘗試在刀盤上添置高壓水沖洗裝置，其目的是想在盾構機工作后用水及時清洗掉刀盤上的泥土，防治泥土形成泥餅，影響盾構機的正常工作。但實際上用水沖洗這樣的方法并達不到預期效果，反而會增加隧道中泥土的黏流性，更容易形成泥餅。而后經過試驗，將刀盤正面的渣土改良劑改為加水，其目的是將隧道中的泥土和刀盤上的水充分混合，就不會過多依附到刀盤表面，同時水能夠降低盾構機工作的溫度，從而降低泥餅形成，有效改善泥餅形成的問題。這樣的措施雖然已經有較大改善，但仍然不能完全解決泥漿堵塞的問題。

4.3 盾構機的刀具合理選擇

盾構機刀具的平面布置和軌跡間隙選擇不合理都會造成泥餅的形成，所以在刀具的選擇上需要注意合理選擇，需要充分考慮到刀具的均衡性，和刀具的破巖機理[2]。由于地下泥土多屬于符合地層，其特點是部分地質松散或節理較為發育，即刀具剛進入土壤還未進行刮刀作用，泥土已經剝落。這樣的情況就很容易造成刮刀清除渣土不徹底，如果清除渣土不徹底，遺留在刀具面板上的渣土風化后的顆粒與刀盤摩擦會產生大量的熱量，使黏土水分流失，黏在刀具表面上，再經過盾構機正常工作產生的熱量，不斷加溫，黏土的面積不斷擴大，形成泥餅，就會影響到刀具的正常工作，從而影響到盾構機的正常工作。

4.4 加強對盾構機施工的監管

由于盾構機泥漿堵塞會影響到盾構機的正常工作，影響盾構機的工作效率，造成非常大的經濟損失。所以相關施工部門應該要重視對盾構機施工的監管，設立相關的監管人員對盾構機施工進行監管。①施工前，對隧道泥土、施工設備的檢查工作進行監管，確保施工能夠順利進行；②施工時，對盾構機的工作狀態以及盾構機操作人員進行監督，保證盾構機能夠正常工作，同時盾構機操作人員具備專業的掘進技術，能夠保障盾構安全施工。一旦施工中發生任何問題，監管人員也可以及時發現并上報處理，最大化降低盾構機的問題；③施工結束后，需要對當天的工作進度進行統計，對工作完的設備進行檢查，確保盾構機上沒有泥漿堵塞的情況，一旦發現刀盤上、刀具上、環流系統、出渣口形成泥餅，需要對泥餅進行沖洗，必要時候可以通過人工清理的方式進行清除泥餅，能夠有效保障盾構機第二天的正常工作，防止因為形成泥餅，而對刀具造成磨損，影響盾構機的正常工作[3]。

盾構機的監管工作必須要認真落實完成，必要時需要對盾構機進行定期檢查，這樣才能保證盾構機的正常施工，同時相關的工作人員也需要定期對復合底層的地質情況，刀具磨損情況進行登記，以便更好的進行工作。

5 結語

盾構機的泥漿堵塞一般指泥漿在盾構機刀盤上形成泥餅，影響盾構機的正常工作。研究得出，盾構機容易發生泥漿堵塞的地方在刀具和刀盤上，少部分發生在環流系統、出渣口，可以在對刀盤進行改進創新方面和盾構機的刀具選擇方面進行改進，工作人員需要定期對隧道泥土進行檢驗，可以使用水藥劑控制泥土不會形成黏流態，而形成泥餅，影響盾構機工作。同時需要設立相應的監督崗位，對盾構機工作進行監督，確保每天盾構機上都沒有形成泥餅，來保證到第二天的正常工作。