高效黏土剝除劑在解決盾構刀盤結泥餅問題中的應用

摘 要：在復合地層盾構掘進過程中，地層黏粒含量大、刀盤發熱量高，盾構機刀盤容易結泥餅，從而導致盾構機高負荷運轉、推進速度慢、設備故障率上升、功效大幅下降等一系列施工問題。以某地鐵出入段線區間隧道為例，從地層特性、水文條件、掘進參數、渣土采樣等方面進行系統分析，采用高效黏土剝除劑對盾構機刀盤進行泡倉處理，有效改善刀盤結泥餅問題，旨在為后續類似工程項目提供技術參考。

關鍵詞：盾構施工；刀盤泥餅；剝除劑；技術要點

中圖分類號：TU586.3" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）08-0052-03

0 引言

盾構掘進過程中，隨著盾構機總推力逐漸增大，刀盤扭矩趨于穩定，逐漸會出現掘進速度慢、無進尺、出土量不易控制、渣溫高、盾構機基本處于原地空轉刀盤狀態、推進時間長等問題。盾構在高負荷運轉情況下，設備及環境溫度不斷升高，就會引起刀盤油溫報警，內循環水溫度居高不下，設備故障率明顯增加，掘進功效下降。刀盤切削土體，渣土滯留在刀盤與掌子面之間，黏附在刀盤上，在高溫和擠壓條件下，刀具逐漸被泥餅糊住，刀盤開口率降低，出現刀盤結泥餅現象，導致掘進困難。若長時間在這種條件下強行進行推進，將會導致刀盤刀圈及刀具變形、磨損，增大施工風險[1]。具體如圖1所示。

黏土剝除劑是一種盾構施工用渣土改良劑，一般應用于黏粒含量高、土體黏結性大、附著力強的盾構施工渣土改良過程中。其滲透進渣土內部，將結塊的黏土土體進行快速的分散和分離，剝離附著在刀盤上的黏泥膠團，從而實現剝離盾構刀盤泥餅的作用，避免了盾構結泥餅后的帶壓開倉作業風險，有效提高了施工工效。

1 案例工程概況

某地鐵出入段線區間盾構隧道施工，出段線接收段位置，連續下穿6戶房屋，房屋為二十世紀九十年代建造的磚砌房屋，采用條形基礎，基礎埋深1～2.5 m。該段隧道為平曲線R為250 m小轉彎半徑，覆土厚度為6.82～8.75 m，相近于1倍洞徑的淺覆土，其中 4#、5#、6#民房范圍內存在上軟下硬地層。該段地下水按賦存方式分為第四系松散層孔隙水、孔隙-裂隙水和基巖裂隙水，且全年降水量充足。接收段洞身經過的土質為淤泥夾砂、（含泥）中細砂、中風化熔結凝灰巖，如圖2所示。

2 泥餅形成過程

2.1 正常掘進

該區間出段線盾構掘進350～380環，隧道主要處于（含泥）中細砂、淤泥夾砂地層，施工參數無較大波動，基本穩定，功效良好。正常掘進段施工參數如表1所示。

2.2 參數調整

當掘進380～420環時，盾構即將進入穿越房屋掘進段。為此將此段設置為試驗段，盾構掘進中長時間采用滿倉土模式掘進，渣土改良主要為高粘度膨潤土，在確保地層無沉降的情況下，適當降低了控制土壓[2]。參數調整掘進段施工參數如表2所示。

2.3 參數變化

當掘進至421～423環時，地下水顯著增多，螺旋機有噴涌的情況，無法控制出土量，刀盤前方和盾體附近可見輕微沉降。參數變化掘進段施工參數如表3所示。

在正常掘進階段，渣土溫度為30～35℃，參數變化后由于掘進速度過慢，導致掘進時間增長，渣土溫度也隨即不斷升高，螺旋機出土口渣土溫度高達40～45℃（見圖3）。

2.4 泥餅形成

技術人員經過分析判斷認為有結泥餅現象存在，且正值穿越房屋掘進段，隨即召開研討會議，及時向各參建單位匯報盾構掘進參數情況。根據上述掘進參數及渣樣進行分析，土層地質情況發生變化，渣土中含砂量達到90%以上。土層含水量明顯增加，螺旋機出現噴涌現象，土壓力和出土量難以控制，總推力和刀盤扭矩驟變，掘進速率減慢，土倉溫度迅速升高，存在加速刀盤結泥餅風險[3]。綜合以上現象，現場技術人員及專家學者一致認為刀盤已經結泥餅。

3 高效黏土剝除劑泡倉處理步驟

第一，為避免停機期間地面沉降導致房屋開裂，選擇房屋之間地面空曠位置對盾構機刀盤進行泡倉處理。

第二，采用高粘膨潤土（見圖4）將盾構機土倉內渣土進行等壓置換，置換1/2渣土。待置換完成后，將膨潤土罐清洗干凈，倒入BT-S高效黏土剝除劑溶液，向土倉內一次注入剝除劑溶液2 t，對刀盤進行浸泡泥餅處理。

第三，浸泡時間為12 h，浸泡過程中每小時轉動刀盤540°，確保刀盤各部位浸泡到位。

第四，處理期間，盾構駕駛員嚴格控制土倉壓力，并做好停機參數記錄，地面安排專人進行巡視，每2 h進行地面監測，并分析上報監測數據。

第五，待泡倉完成后，不急于啟動推進模式，將刀盤轉速控制在1.4～1.5 r/min，反復正反轉刀盤，將泥餅從刀盤開口處甩出。采用高粘膨潤土將盾構機土倉內渣土進行等壓置換，觀察螺旋機出閘口，待渣土中泥塊含量較少時恢復掘進。恢復掘進后，施工參數明顯得到改善，推力逐漸降低，推進速度提高。

第六，后續掘進過程中向刀盤掌子面注入泡沫劑、膨潤土及其他改良劑對渣土流塑性及和易性進行改良，避免類似情況再次發生。

4 后續防結泥餅措施

在采用高效黏土剝除劑清除刀盤泥餅后，后續同類地層掘進過程中，需采取相關措施如下：①需要在土倉和刀盤面板前適量加大高質量泡沫劑的注入，或混合膨潤土漿液，進而改良土體的塑性，使渣土順利外排。②在地層相對穩定的區段，采用欠壓掘進，或者氣壓輔助掘進，保證土倉內存土較少。③采用冷卻措施降低土倉溫度。④利用膨潤土漿液置換土倉內的渣土，保證土倉壓力的同時降低結泥餅的幾率。

5 BT-S高效黏土剝除劑說明

其成分為高分子聚合物和無機物，按照一定比例復配而成。BT-S高效黏土剝除劑對各種硬質泥土具有非常好的潤濕、滲透、剝離效果。BT-S高效黏土剝除劑的作用原理是通過微觀電荷作用力，高效黏土剝除劑會吸附于泥土表面并滲透進入土體內部，與泥土產生激烈的反應，將大塊的土體進行軟化，砂石和泥土分離，使整個土體成流塑性。BT-S高效黏土剝除劑外觀為淺褐色透明液體，PH值為6.5±0.5，活性成份≥30%，在室溫25℃下密度為1.1 g/cm3。剝除劑分散黏土5 min的效果圖如圖5所示。

6 泥餅處理后施工情況

對刀盤泥餅采取強制剝除技術后，出段線盾構隧道恢復掘進，在穿越（含泥）中細砂層時，前三換掘進過程中盾構機總推力和刀盤扭矩有顯著下降，渣土溫度也從原來的40～45℃下降至30～35℃（且還有下降的趨勢），推進速率提高，功效顯著改善。后續掘進采用泡沫劑及膨潤土進行渣土改良，有效避免了結泥餅現象，順利穿越了富水砂層及上軟下硬地層掘進段。從424環掘進至隧道貫通，盾構掘進參數基本穩定（見表4），此過程中雖然由于地質變化，總推力及刀盤扭矩都出現了較小的變化，但是整體仍處于平穩狀態，有效預防了刀盤泥餅的形成[4]。

7 結束語

通過對某地鐵車站出入段線區間出段線盾構刀盤結泥餅現象及成因進行分析，應用高效黏土剝除劑有效改善刀盤結泥餅問題，使得出段線盾構在富水砂層、小半徑、淺覆土條件下順利穿越房屋，到達接收井，地面沉降及房屋開裂均滿足要求，得到各方單位的認可。

總結經驗教訓，在后續盾構施工過程中，應采取有效預防措施加強管控，發現異常情況及時上報處理，并根據地質情況及時調整掘進參數、分析渣樣進行渣土改良等措施，避免結泥餅現象的再次發生，有效地減少施工風險和成本，為類似工程項目積累了豐富的經驗。

參考文獻

[1] 郗晶.復合地層中復合式土壓平衡盾構機刀盤泥餅防治[J].中國高新科技，2018（12）：90-92.

[2] 王用斌.土壓平衡盾構機刀盤泥餅成因分析及整治[J].工程技術研究，2021（8）：134-135.

[3] 歐陽凱.盾構刀盤泥餅形成機理的理論研究[J].建筑機械化，2018（9）：44-46.

[4] 賈璐.土壓平衡盾構刀盤泥餅防止綜合技術研究及應用[J].施工技術，2015（S1）：243-246.