泥質(zhì)砂巖地層中雙輪銑結(jié)泥餅形成機理與防治*

吳曄暉，程學昌，朱六兵，董耀俊，丁小彬

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510330； 2.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

0 引言

目前，雙輪銑是世界上較為先進的地下連續(xù)墻成槽設(shè)備，與傳統(tǒng)的成槽機械如液壓抓斗和重錘相比，具有掘進能力強、成槽質(zhì)量高、深度大、糾偏能力強以及施工污染較小等優(yōu)點[1-4]。國內(nèi)學者對雙輪銑快速成槽技術(shù)進行了大量研究，劉加峰[5]從可行性、工效性與經(jīng)濟性等方面比較了雙輪銑與傳統(tǒng)地下連續(xù)墻成槽裝備；李有道等[6]采用雙輪銑配合重錘的工法在極硬花崗巖風化層中進行成槽，該工法不僅能提升雙輪銑的進尺效率還能減小其機械損耗；沈婕等[7]研究了花崗巖地層中不同的雙輪銑成槽工藝；王勝利[8]研究了雙輪銑配合不同成槽輔助機械的工效差異；吳獻等[9]對雙輪銑在軟土地區(qū)地下連續(xù)墻成槽工藝進行了研究，提出了液壓抓斗配合雙輪銑的快速成槽工藝；詹濤等[10]針對南昌泥質(zhì)砂巖地層雙輪銑成槽效率慢與雙輪銑的結(jié)泥餅等問題進行了深入的研究。盡管雙輪銑在各種地層中都顯示出極強的適應性，但若在含泥量較高的地層中選型或者施工參數(shù)調(diào)整不合理，銑輪容易結(jié)泥餅。銑輪在形成泥餅之后，若不能及時清理則會導致銑輪扭矩異常增大，增加雙輪銑的機械損耗、故障率與施工成本；泥餅清理耗時長、易反復，在槽段內(nèi)上提銑頭時，銑頭處的泥餅會刮擦槽壁，增加槽段塌孔的風險與槽底沉渣，降低雙輪銑成槽質(zhì)量與效率。為提高泥質(zhì)砂巖地層中雙輪銑的成槽質(zhì)量與效率，降低不必要的機械損耗與施工風險，應對雙輪銑泥餅的形成機理、治理與防治措施進行深入研究。

廣州地鐵18號線沙溪站與琶洲西站位于廣泥巖與粉砂巖分布區(qū)域，所在位置的巖層含泥量較大，雙輪銑破巖產(chǎn)生的巖屑細小，施工過程中循環(huán)泥漿的分離效果不理想且泥漿攜帶土渣的能力變差，因此出現(xiàn)了雙輪銑結(jié)泥餅現(xiàn)象。本文結(jié)合沙溪站與琶洲西站地下連續(xù)墻雙輪銑施工數(shù)據(jù)與地質(zhì)水文資料，深入研究了泥質(zhì)砂巖地層中雙輪銑泥餅的形成機理與施工影響因素，并根據(jù)現(xiàn)場的施工數(shù)據(jù)總結(jié)歸納了泥餅的防治措施，旨在為泥質(zhì)砂巖地層中雙輪銑的快速成槽與泥餅防治提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

沙溪站為地下3層四線島式越行站，總長度為465.350m，標準段寬度為34.1m，車站底板埋深約約為28.0～30.0m，車站及停車線段均采用明挖順作法施工，基坑開挖深度約為28.20～30.20m，采用1 200mm厚地下連續(xù)墻，深度約為33.20～35.20m。琶洲西站為地下3層3跨帶越行線的四線單島式站臺車站，總長度(包含主體結(jié)構(gòu))為439.0m，標準段寬度(包含主體結(jié)構(gòu))為 34.1m，車站采用明挖順作法施工，車站主體基坑開挖深度約為 28.87～30.70m，采用1 000mm厚地下連續(xù)墻。車站共設(shè)6個出入口，3組風亭和1個換乘通道，其中1，2，3號風亭采用800mm厚地下連續(xù)墻，基坑深度為19.65m；1，2，3，4，6號出入口及換乘通道采用600mm厚地下連續(xù)墻，基坑深度為12.35m。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

沙溪站與琶洲西站地質(zhì)條件相似，車站基坑深度范圍內(nèi)的土層由上至下為：人工填土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂土、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖殘積土層、全風化泥質(zhì)砂巖、強風化泥質(zhì)砂巖以及中風化泥質(zhì)砂巖，且?guī)r層中黏粒含量較高。花崗巖的巖土施工工程分級Ⅲ～Ⅳ，其中全風化泥質(zhì)粉砂巖呈密實土狀、遇水易軟化與崩解；強風化泥質(zhì)砂巖呈半巖石半土狀或堅硬土狀，風化裂隙發(fā)育，遇水易軟化，為極軟巖；中風化泥質(zhì)砂巖巖體較破碎，富水性差，透水性弱。場地水文地質(zhì)條件復雜，主要含水層是砂層和破碎風化層。本場地范圍內(nèi)地表水不發(fā)育，車站大里程端距珠江邊約為90m，小里程端距三支香水道約430m，與地下水存在一定水力聯(lián)系。場地地下水為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。

2 雙輪銑泥餅的形成機理

2.1 地質(zhì)條件

土體性質(zhì)是泥餅產(chǎn)生的先決條件，不同土體黏附在金屬機械表面的能力是不同的，而土壤黏附力的現(xiàn)象可由分子力與膠體電荷作用共同解釋。從微觀角度而言，土壤與金屬之間的黏附效應可用綜合黏附力進行表征，其包含土壤-金屬之間的摩擦阻力與黏附阻力，單位接觸面積上的綜合黏附力F為：

F=faP

(1)

式中：fa為綜合黏附系數(shù)；P為單位面積的接觸壓力(kN)。

為便于工程中直接判定土體的黏附特性，Markus Thewes[11]深入研究了土體的塑性指數(shù)、黏度指數(shù)以及軟硬程度對土壤黏附特性的影響，給出了土體黏附發(fā)生的概率分布(見圖1)，還將黏附等級劃分：高程度黏附、中-高等程度黏附、中等程度黏附、低等程度黏附等4級。Zumsteg[12]通過室內(nèi)試驗定義了土壤黏附系數(shù)λ，并發(fā)現(xiàn)黏附系數(shù)與Markus Thewes的黏附預測圖有較強的相關(guān)性(見圖2)，認為λ<0.2為低黏附風險，λ>0.4為高黏附風險，其間為中等黏附風險。

圖1 金屬黏附土體預測

圖2 膨潤土黏附系數(shù)曲線

根據(jù)地質(zhì)報告，沙溪站與琶洲西站的強風化地層塑性指數(shù)為9.4～13.63，稠度指數(shù)為1.0～1.8，為中等程度黏附。可以認為琶洲西站與沙溪站有較大可能產(chǎn)生雙輪銑結(jié)泥餅現(xiàn)象，應采取后續(xù)的施工措施，減小銑輪泥餅形成的概率。

2.2 銑齒類型

雙輪銑槽機銑齒的類型主要分為：標準齒(板齒)、錐齒和球齒。銑齒破巖可分兩步：首先，銑齒隨銑輪向下運動，接觸巖體并對巖體產(chǎn)生沖擊而貫入巖體；與此同時，銑輪旋轉(zhuǎn)帶動銑齒切削巖體。銑齒的類型與巖體強度決定了銑齒貫入巖體的深度與切削的巖屑顆粒的大小。

因為錐形齒呈錐狀，標準齒呈平面狀，故切削巖體時標準齒的磨損面積Sd相對較大。錐形齒的切削厚度更大,即銑齒受力大小相同時，錐形齒的貫入度越大[13]。

當巖石硬度較大時，因切削厚度不同，雙輪銑標準齒與錐形齒刮削巖石所形成的巖屑大小是不同的。標準齒剛度相對較小時，刮削巖體時所產(chǎn)生的巖屑為較細小顆粒，且銑齒磨損大。錐形齒剛度較大，則刮削產(chǎn)生的巖塊較大，大顆粒巖塊與銑齒碰撞，降低了黏土黏附在銑齒上的可能性。詹濤等[10]發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)砂巖強度較大(15MPa)時，標準齒難以充分切削巖面，巖屑相對細小，為雙輪銑泥餅的形成提供了有利條件，當其將標準齒換為錐形齒且調(diào)整泥漿參數(shù)后，雙輪銑不再出現(xiàn)泥餅。

當巖體強度相對較小時(如沙溪站與琶洲西站的中風化泥質(zhì)砂巖強度為8MPa，巖體易碎并且遇水易崩解)，標準齒與錐形齒的磨損量均較小，因此切削厚度差異不大。標準齒與錐形齒均能夠充分地刮削與打磨巖體，巖屑均呈細小狀。此時，銑齒面盤大小及銑刀間距對泥餅的形成有較大影響。沙溪站裝備錐形齒與標準齒的雙輪銑均出現(xiàn)泥餅，但是裝配錐形齒的雙輪銑出現(xiàn)泥餅的概率更大，這是由于銑輪的標準齒數(shù)目為100個，錐齒的數(shù)目有156個，裝配錐形齒的雙輪銑銑齒分布更加密集，銑齒板面間距更小(見圖3)。當銑齒分布密集、齒板高度相對大時，銑齒之間的土體更容易殘留且無法被泥漿沖刷掉。

圖3 沙溪站雙輪銑結(jié)泥餅示意

2.3 泥漿參數(shù)

地下連續(xù)墻施工過程中，泥漿具有護壁、冷卻與潤滑作用。泥漿的各項參數(shù)中泥漿密度、黏度與含砂率等因素對雙輪銑泥餅的形成有重要影響[14-15]。

1)泥漿密度 雙輪銑循環(huán)泥漿的密度應嚴加控制，宜2h測定1次。泥漿密度過大，影響混凝土澆筑，且其流動性差導致泥漿循環(huán)設(shè)備的功率消耗與槽底沉渣厚度變大。密度偏低，分離難以充分，產(chǎn)生廢漿較多且外運成本高。

2)泥漿黏度 泥漿黏度是液體內(nèi)部阻礙其相對流動的一種特性。黏度較低時，泥漿攜渣的能力與泥膜的質(zhì)量較差，會影響槽段的施工安全；黏度較高則影響泥漿分離設(shè)備的分離效果，使刀盤容易形成泥糊。

3)含砂率 泥漿含砂率過大時，會增大泥漿泵、雙輪銑銑齒和泥漿分離裝置的機械磨損。并且含砂率過大時，槽底沉渣厚度變大。

泥質(zhì)砂巖地層中防止雙輪銑結(jié)泥餅的泥漿控制指標[10]：密度1.05～1.15，黏度20～25s，含砂率<4%。沙溪站與琶洲西站地下連續(xù)墻循環(huán)泥漿的基本參數(shù)與泥漿參數(shù)分析如表1所示。

表1 泥質(zhì)砂巖地層地下連續(xù)墻泥漿基本參數(shù)

沙溪站北段左線盾構(gòu)井地下連續(xù)墻W1-7/1-9槽段內(nèi)泥漿黏度較小，漿液攜帶巖屑能力較差，槽段內(nèi)的巖屑不能被及時排出。隨著施工的進行，殘余巖屑積攢越來越多，雙輪銑銑齒上的黏附顆粒越來越多，逐漸形成泥糊。

琶洲西站地下連續(xù)墻A108/146/137/3槽段內(nèi)泥漿黏度較大，漿液攜帶巖屑能力雖有提高，但是不利于泥漿離析裝置進行離析，循環(huán)泥漿質(zhì)量下降；同時黏度較大時，漿液黏附性提高，有助于細小顆粒黏附于銑齒，逐漸形成泥糊。

2.4 溫度

溫度對黏土絮集沉降的影響不容忽視，溫度升高則布朗運動更加劇烈，細粒黏土顆粒碰撞與黏附的概率增大。陳曦[16]研究了長江口細顆粒泥砂在靜水中的沉降速度與溫度之間的關(guān)系，試驗表明在一定溫度范圍內(nèi)，細顆粒沉降的速度會隨溫度的升高而變大。喬光全等[17]模擬了不同溫度條件下黏性泥砂的沉降過程，得出升高溫度可以加速泥砂沉降的結(jié)論。于珊珊等[18]研究了焙燒溫度對淤泥土吸附能力的影響，發(fā)現(xiàn)當溫度低于500℃時，隨著溫度的提升，黏土的吸附能力逐漸增強。

雙輪銑切削巖體時，會產(chǎn)生大量的熱量，而銑頭與巖體摩擦、黏附在銑頭的土體與周圍土體摩擦而進一步生熱，銑頭土體溫度隨之升高，同時銑頭與槽底巖層不斷發(fā)生擠壓。可見，黏附在銑齒與銑輪上的土體處在熱壓狀態(tài)，溫度的升高促進了細顆粒巖屑的絮集和沉降，增大了刀盤上的土體黏附量，而銑輪與巖體之間的擠壓作用不斷壓密刀盤上黏附的土體。當銑輪上黏附的土體高度與銑齒接近時，銑齒切削巖體的能力大幅下降，并且隨著銑輪向槽底不斷擠壓，銑輪扭矩異常增大，甚至損壞銑槽機。

沙溪站與琶洲西站地下連續(xù)墻在施工中雙輪銑結(jié)泥餅的程度嚴重，形成的泥餅完全糊住銑輪。雙輪銑扭矩異常增大時未能及時調(diào)整泥漿泵泵送量或加快循環(huán)泥漿散熱來降低循環(huán)泥漿溫度，這大大加快了泥餅的成長與發(fā)展。

3 雙輪銑結(jié)泥餅防治措施

1)降低銑頭溫度 首先，要加快循環(huán)泥漿散熱，可以通過擴建泥漿池與安裝泥漿棚頂?shù)却胧?；其次，增大泥漿泵的功率與擴大泥漿管直徑，通過加大泥漿流量達到快速降低銑頭溫度的效果。

2)加強泥漿參數(shù)控制 當泥漿指標控制為泥漿相對密度1.05～1.15、黏度20～25s、含砂率<4% 時，可以提高泥漿攜帶渣土的能力并減小巖石粉末和土層中黏土附著在刀盤上的概率，并且合理的泥漿參數(shù)能有效保障成槽質(zhì)量，有利于后續(xù)施工操作。同時還可以增大泥漿泵功率，增大泥漿流量也可以增強泥漿攜的渣能力，減少巖屑沉積。

3)合理選取銑齒類型 巖體強度較小時，應注意銑齒面板高度、面積以及銑齒間距；巖體強度較大時，應選取貫入度較大的銑齒以增大銑輪破巖的能力，形成較大的巖塊巖屑，增大較大顆粒與銑齒間的摩擦以減小細小顆粒在銑齒上的黏附程度。

4)適時反轉(zhuǎn)刀盤 雙輪銑銑輪長時間單方向旋轉(zhuǎn)時更容易產(chǎn)生泥餅，因此在進尺達到巖層一半時，應停止掘進，將銑輪刀盤反轉(zhuǎn)1min，避免長時間單方向旋轉(zhuǎn)形成泥餅。

5)增強雙輪銑硬巖中的破巖效率，減少磨損。當泥質(zhì)砂巖地層較硬時，雙輪銑在切削時銑齒磨損大，不利于雙輪銑銑輪的轉(zhuǎn)動，將降低雙輪銑進尺效率，較低的刀盤轉(zhuǎn)動速度將增大黏土渣粒吸附于銑齒、銑盤的概率?？山Y(jié)合旋挖鉆、沖擊鉆、重錘等輔助機械，降低硬巖強度，提高破巖效率，減小雙輪銑機械損耗，預防泥餅產(chǎn)生。

4 結(jié)語

1)地質(zhì)條件是雙輪銑泥餅形成的重要先決條件。沙溪站與琶洲西站兩地強風化泥質(zhì)砂巖地層塑性指數(shù)為9.4～13.63，稠度指數(shù)為1.0～1.8，為中等程度黏附。表明該地層在施工過程中有較大可能產(chǎn)生泥餅。

2)中風化泥質(zhì)砂巖強度相對較小時，銑齒的類型與布局對泥餅的形成有不可忽視影響。當標準齒和錐形齒對巖體的刮削都相對充分時，銑齒面盤越大、銑齒齒板相對高度越大以及銑齒分布越密集，則銑齒之間的黏性土更容易黏附在銑齒上而無法被泥漿沖刷掉。

3)泥漿參數(shù)對雙輪銑結(jié)泥餅有重要影響，沙溪站與琶洲西站部分地下連續(xù)墻成槽時因泥漿參數(shù)不合理，極大增大了雙輪銑結(jié)泥餅的發(fā)生。合理控制泥漿密度、黏度與含砂率對雙輪銑泥餅的防治是有效的。

4)溫度對泥餅的形成有較強的促進作用，應在施工過程增大泥漿循環(huán)量與加快循環(huán)泥漿溫度的降低，以減少泥餅產(chǎn)生的概率。

而在實際工程中，針對泥質(zhì)砂巖中雙輪銑的結(jié)泥餅現(xiàn)象，可以通過降低銑頭溫度、提高泥漿質(zhì)量、合理選取銑齒類型、適時反轉(zhuǎn)刀盤、增強刀盤破巖能力以及增強泥漿泵功率的措施，來減少雙輪銑結(jié)泥餅現(xiàn)象的發(fā)生。