土壓平衡盾構機刀盤泥餅成因分析及整治

中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400

1 泥餅現象及成因

1.1 刀盤結泥餅現象

（1）當盾構刀盤出現結泥餅現象時，盾構機的總推力，即總推力逐步增加，刀盤扭矩先增加后降低至接近無推進速度，刀盤基本原地旋轉。

（2）隨著推進速度的降低和總推力的增加，推進時間持續增長，設備滿負荷運轉，設備及環境溫度會持續升高，液壓系統容易出現滲漏油、油溫高等現象，設備故障率明顯增加，人員作業環境的溫度過高，施工溫度環境變化明顯。

（3）刀盤結泥餅后導致作業及土倉內溫度持續增高，高溫條件下易造成泥餅燒結，擠壓密實度越來越高，形成強度較高的泥餅，對泥餅的清理及掘進造成極大困難。若在推進速度極低、總推力極高的情況下持續強行推進施工，會導致刀盤、刀具在高溫條件下變形、損壞、磨損。

1.2 泥餅形成原因

（1）在風化泥質黏性土地層推進過程中，控制倉內土壓力過高，特別是滿倉掘進時推進阻力較大，易形成高溫環境，導致渣土燒結成泥餅。

（2）受到地下水影響，倉內壓力難以降低，為避免出現噴涌現象，增加了土倉內控制壓力，導致倉內積土較多，而土質黏性較高，使推進阻力增加，作業溫度升高。

（3）渣土改良的效果不佳，導致渣土流速性及和易性較差。

（4）刀盤及土倉壁板中心開口處未合理設計改良劑注入口，對渣土沖刷效果不佳，注入孔壓力及流量不足。

（5）刀盤及土倉壁板未合理設計主被動攪拌棒，不利于渣土攪拌，造成渣土堆積結塊。

（6）在易結泥餅地質隧道施工中未合理設計刀盤開口率，不利于將切削渣土排入土倉，開口率過低造成較大塊渣土堵塞刀盤開口，會加速泥餅的形成。

（7）未合理設計刀具配置以及刀具高差布置不合理，不便于渣土切削和破碎，造成渣土堆積。

（8）在復合地層中盾構掘進，盾構司機對地質特性缺乏了解，盾構操作經驗不足，應變及處理問題能力欠缺。

（9）盾構機設備維保不到位，導致刀盤驅動系統溫度過高。

2 案例工程概況

佛山地鐵三號線的3202-3標段東樂路站—大良站隧道施工采取盾構法，從大良站向東樂路站方向掘進施工，隧道外徑為6m，內徑為5.4m，管片環寬1.5m。隧道左線長1237.141m，最大縱向坡為+27.6‰，平面曲線半徑的最小數值為663m，其覆土厚度約為22.536m。該段盾構施工過程中所受干擾因素多為具有承壓的基巖風化裂隙水，且全年降水量充足。左線隧道洞身經過的土質為粉質黏土、淤泥質粉細砂、全風化和強風化及中風化泥質粉砂巖。

3 泥餅形成過程

3.1 正常掘進

該區間左線盾構掘進120～188環，隧道主要處于中、強風化泥質粉砂巖地層，控制土壓不高于200kPa，推進速度約為50mm/min，總推力為11000～12000kN，刀盤扭矩為1200～1500kN·m。施工參數較為穩定，基本無較大波動。

3.2 參數調整

當掘進至189～193環時，發現地層中含有中風化泥質粉砂巖，且含量逐漸增多，因此在確保地層無沉降的情況下適當降低了控制土壓（逐漸降低至160kPa），并配合部分氣壓，以保護刀盤刀具，減小刀具損壞及磨損，推進速度為40～50mm/min，總推力為12000～13000kN，刀盤扭矩為1600～1800kN·m。在190環的渣土取樣以強風化的泥質粉砂巖為主，含有少量中風化的泥質粉砂巖。

3.3 參數變化

（1）當掘進至194～199環時，地下水顯著增多，且中風化泥質粉砂巖含量也較之前增加，螺旋機可見噴涌的情況。將土壓力控制在180kPa，調整盾構推力為16000kN，掘進速度為20mm/min，刀盤扭矩為2500kN·m，刀盤前方和盾體附近可見輕微沉降。

（2）當掘進至200～202環時，地下水較多，推進中螺旋機出現噴涌量較大的情況，因此不能確保出土量，于是增加總推力至20000kN，推進速度最多為10mm/min，刀盤扭矩為2800～3400kN·m，添加膨潤土進行渣土改良，總推力及刀盤扭矩仍有增大趨勢。

（3）在參數正常階段的施工過程中，渣土溫度為28～30℃，參數突變后由于推進時間的增加，渣土溫度也有逐漸增加趨勢，螺旋機出土口渣土溫度高達35～38℃。

3.4 泥餅形成

技術人員經過分析判斷有結泥餅現象存在，項目部隨即召開研討會議，準備進行開倉作業。開倉作業后，可見刀盤中心及面板外側開口處出現了比較嚴重的結泥餅現象，施工人員立即清理泥餅。首先從倉門處向下清理至中心回轉處，然后旋轉刀盤清理下一個工作面，最后清理刀盤外側開口處。

4 預防結泥餅的有效措施

（1）采用分散性泡沫劑加強對渣土的改良，每環檢查發泡效果及渣土改良情況，及時調整泡沫參數配比（原液∶水=1∶24，混合液∶空氣=1∶8）。每次都要在確認渣土改良情況以及發泡效果后方可添加泡沫劑，并再次確認每次的配比。

（2）當發現施工參數出現異常波動或出現停機倒班情況時，為預防施工參數惡化的情況，需要及時增添土倉的分散劑與水混合液（分散劑∶水=1∶4），確保其達到完全攪拌狀態，浸泡需要超過8h，并利用分散劑對土塊土體進行分散與分離處理，避免出現泥餅。再次恢復掘進時，施工參數均有所好轉。

（3）當發現地下水對掘進施工有影響時，立即在盾體后方進行雙液二次注漿，封堵后方地下水。應合理采用雙液漿對盾體后方5～7環位置進行二次注漿，同時密切留意周邊與后方地下水情況。

（4）在中、強風化泥質粉砂巖地層中掘進時，根據沉降監測的結果，嚴格按照操作規程使用氣壓輔助推進，降低控制土壓力前需要確保沉降處于可控范圍內，減小推進阻力。當需要調整姿態時，可適當增加控制的土壓力，以及增加總推力及總油壓，便于調整盾構姿態。

（5）在作業現場，認真指導司機的操作，確保掘進參數符合設計標準，進一步提升司機的作業技能與緊急情況下的應對能力。

（6）對渣土溫度進行認真檢測，通常渣土溫度為28～31℃，并認真分析渣樣。

5 泥餅處理后施工情況

5.1 隧道左線恢復掘進施工情況

自泥餅被清除后，在盾構穿越中風化地層時，從204環恢復掘進至320環，總推力為18000～23000kN，刀盤扭矩為2500～3400kN·m，推進速度為30～40mm/min，總推力及刀盤扭矩仍然較高。然后，及時調整了泡沫注入配比，選用分散性泡沫劑浸泡土倉，并保持連續施工作業，進行二次注漿止水，有效避免了結泥餅現象，順利穿越了中風化泥質粉砂巖地段以及地下水豐富區域。

從321環掘進至目前610環時，總推力為12000～15000kN，刀盤扭矩為1000～1800kN·m，推進速度為50～60mm/min，盾構施工參數基本穩定，地質變化不大，隨著隧道埋深的增加，目前受地下承壓水影響較小。此過程中由于地質變化，總推力及刀盤扭矩出現了較小的變化，但總體處于穩定可控狀態，避免了泥餅的形成。

5.2 隧道右線掘進施工情況

在隧道右線施工中，通過提前加強以上預防措施及對設備進行改造，吸取左線經驗教訓，合理調整了施工參數，及時改良了渣土。正常掘進段從40環至目前443環，總推力為8000～1000kN，刀盤扭矩為1200～1800kN·m，推進速度為40～55mm/min，各項施工參數均較穩定。在380～420環時，地質由強風泥質粉砂巖變化為中風化的泥質粉砂巖，且地下水突增，總推力、刀盤扭矩及推進速度等施工參數出現部分波動，推進的總推力變為14000～17000kN，刀盤的扭矩變為2200～3000kN·m，推進速度降低為30～40mm/min；推進至420環后，地質變化為強風化泥質粉砂巖，但地下水仍較多，施工參數基本恢復正常穩定，右線施工中有效避免了泥餅的形成。

6 結束語

佛山地鐵三號線3202-3標段東樂路站—大良站隧道施工中，根據對刀盤結泥餅現象以及成因的分析，并結合東樂路站—大良站區間左線結泥餅施工情況，吸取了經驗教訓，后續盾構施工過程中，通過提前預防并做好過程管控、發現異常及時處理、調整施工參數、進行渣土改良等措施，避免了結泥餅現象的再次發生，也為類似工程項目積累了豐富的經驗。