大斷面長距離泥質粉砂巖地層泥水盾構結泥餅現象及對策

池凌杰CHI Ling-jie

（騰達建設集團股份有限公司，杭州 310000）

0 引言

依托工程位于錢塘江北岸，采用超大直徑泥水平衡盾構機施工，隧道開挖直徑15.03m，管片外徑為14.5m，管片內徑為13.3m，環長2m。隧道分南、北線，其中南線盾構隧道長度約1.2km，北線約1.4km，隧道最大縱坡1.75%，最小轉彎半徑750m，最小覆土8.40m，最大覆土21.88m。

主要穿越地層為中風化凝灰質含礫砂巖、中風化泥質粉砂巖、淤泥質粉質粘土、含粘性土碎石、含碎石粉質粘土、圓礫層等。

1 隧道穿越斷面情況

南、北線隧道盾構穿越的地層情況基本一致，主要可分為兩個階段，第一階段穿越地層主要為20a-3中風化泥質粉砂巖（最大抗壓強度14.8MPa）、20C-3中風化凝灰質含礫砂巖（最大抗壓強度23.4MPa）。該段長度約400 米，其中泥質粉砂巖占比約73%，泥質粉砂巖掘進過程中刀盤易結泥餅，刀具易發生磨損。

第二階段是九溪沖溝段。隧道頂部④1 為淤泥質粉質粘土，其工程性能較差。施工中容易擊穿冒頂。?4 圓礫層最大粒徑10～18cm，?1、?2 礫石最大粒徑50cm 以上。容易發生堵倉堵管堵泵的情況，該段盾構掘進工作面均一性差，且?4 圓礫層?2 含粘性土碎石層，滲透系數大，地含水量較高，施工具有較大風險。

2 盾構機防結泥餅針對性設計

2.1 刀盤開口率設置

刀盤整體開口率較大且分布均勻，開口率設置為38%，有利于渣土順利進入泥水倉內部。

2.2 刀具配置

刀具采用立體式布置方式，刀具類型包括：滾刀、刮刀、邊刮刀、超挖刀等。

刀具配置具體為：中心采用18 寸雙聯滾刀、正面至最外軌跡為19 寸單刃滾刀，同時刀盤邊緣弧形區域最外軌跡布置三把滾刀，次外軌跡及倒數第三軌跡布置兩把滾刀，提高了刀盤邊緣滾刀抗磨損能力。刀盤一共設計有91個刀具軌跡，中心及正面刀間距為90mm，具體間距尺寸見圖1 所示。

圖1 滾刀軌跡圖

2.3 刀盤設置大流量高壓沖刷

刀盤背部中心區域的沖刷泥漿均由P0.1 泥漿泵增壓后供漿，P0.1 泵最大沖刷流量1000m3/h，降低刀盤中心結泥餅的概率。（圖2）

圖2 刀盤沖刷設置

3 刀盤結泥餅現象及原因分析

3.1 刀盤結泥餅現象

根據南線隧道推進情況可知，在79 環之前推進速度較為正常，當時盾構機掘削斷面以20C-3中風化凝灰質含礫砂巖為主，平均推進速度在20mm/min，總推力62000kN，刀盤扭矩在17000-20000kN·m。

隨著斷面中20a-3中風化泥質粉砂巖的含量增加，刀盤扭矩逐漸增大，推進速度有所減緩，從81 環后，盾構機開挖面已經進入全斷面中風化泥質粉砂巖，總推力增加到65000kN，刀盤扭矩增加到21000～23000kN·m 之間，推進速度下降到12mm/min。

掘進至98 環時，總推力已從65000kN 驟增到74000kN，刀盤扭矩增加到24000～25000kN·m 之間，推進速度已下降到6～8mm/min。

為此，在101 環時組織工作人員進倉檢查。檢查后發現氣墊艙有約5m 的積碴，且堆積密實，刀盤面板、刀箱、牛腿均有不同程度的結泥餅情況，滾刀刀箱泥餅較硬，需要高壓水槍配合撬棍才能清理。

同時，對整盤刀具進行了檢查量測，撕裂刀和刮刀正常，發現共有偏磨滾刀22 把，其中外周的21 把滾刀全部偏磨，其余滾刀也有不同程度的磨損。

本次進倉作業對氣墊艙、面板、牛腿、刀箱所結泥餅均進行了清理，同時對偏磨刀具進行了更換。作業完成后，掘進參數恢復正常，見圖3。

圖3 掘進參數變化曲線圖

3.2 刀盤結泥餅原因分析

泥質粉砂巖地層中掘進時，刀盤將泥質粉砂巖崩解后溶于泥漿，泥漿比重將會迅速上升，進漿比重1.10g/cm3的循環泥漿在掘進1m 后即達到1.20g/cm3，若過程中不棄漿調整，在完成一環推進后進漿比重會達到1.25g/cm3以上。

并且由于當時干化設備數量不足，無法通過分離系統及時外棄廢漿進行有效地泥漿指標調整，粘性顆粒在刀盤面板、開口、牛腿、刀箱等處堆積形成板結的泥餅，導致滾刀也無法隨刀盤轉動也會造成外圈滾刀的偏磨。

4 緩解泥餅現象管理措施

4.1 泥水指標管理

前400 環為長距離、大斷面中風化泥質粉砂巖、中風化凝灰質含礫砂巖地層，其中中風化泥質粉砂巖地層在該段中的含量超過70%，且該地層自造漿能力極強，根據顆粒分析報告，其中小于25μ 的粘性顆粒含量83%。

因此，為了降低在該地層中掘進時循環泥漿中粘性顆粒的含量，應通過棄漿稀釋的方式盡量降低泥水比重。為了在盾構掘進過程中進漿比重始終保持在1.15g/cm3左右，每一環的棄漿量約為1000m3。

根據過程中的參數監控，由于結泥餅導致的掘進參數第一次出現在90 環左右，后階段通過降低泥水比重的措施，第二次參數異常出現在216 環附近，說明該方式對于緩解結泥餅現象是有效的。

4.2 進排泥流量與掘進速度的匹配

通常排漿比重可根據下式進行計算：

式中：ρ1-進漿比重，kg/m3；ρ2-排漿比重，kg/m3；ρ3-該地層平均比重，kg/m3；υ-掘進速度，m/min；Q-排漿流量，m3/h。從公式可以看出，在流量一定的情況下，排漿比重是由進漿比重和掘進速度所決定的，通過調配合理比重的進漿來保證泥漿具有良好的攜渣能力，同時通過控制掘進速度來控制排漿比重，防止盾構掘削下來的土碴由于管路里的流量不足導致在泥水倉或者氣墊倉內沉積。因此，泥質粉砂巖地層中掘進時還應對推進速度進行控制。應控制掘進速度在10-15mm/min，刀盤轉速1.5r/min，確保同流量下的管路排渣能力，防止渣土在泥水倉中滯排。

4.3 優化環流流量分配

刀盤面板及刀箱結泥餅的原因之一是細顆粒在刀盤上附著堆積，導致開口逐漸縮小，導致渣塊在開口處的通過能力也減弱，一旦卡在空隙處無法通過，會引起聚團效應，直至開口堵死。這也引起來泥水無法順暢進入開挖倉，渣塊更不容易隨著泥水排出，如此惡性循環。

因此，在易結泥餅地層中掘進時，需要盡可能分配更多的泥水流量進入開挖倉，讓環流系統有效地攜渣帶出土渣，減少面板開口或刀箱空隙處被泥塊堵塞的概率。

4.4 措施效果

本臺盾構機初裝刀為6 把18 寸鑲齒中心雙刃滾刀+83 把19 寸光圓單刃滾刀。在掘進完成100 環后，外周的21 把滾刀全部偏磨，其余刀具基本正常。第一次（101 環）進倉主要對外周偏磨滾刀進行更換。

根據第二次（216 環）進倉檢查和刀具量測結果所示，第一次所更換的21 把外周滾刀僅有2 把發生偏磨，其余滾刀為3～20mm 的正常磨損。而第一次磨損量在3～25mm的未更換刀具磨損量發展至10～35mm。

通過兩次進倉檢查，說明調整泥水指標和加強環流排渣是可以緩解刀盤結泥餅，從而延長刀具的使用壽命。

5 不同類型滾刀使用壽命研究

5.1 本工程刀具磨損情況

本臺盾構機初裝刀為6 把18 寸鑲齒中心雙刃滾刀+83 把19 寸光圓單刃滾刀。

第一次（101 環）進倉主要對外周偏磨滾刀進行更換，所更換的刀具仍為光圓單刃滾刀。第二次（216 環）進倉也更換了20 把滾刀，其中10 把鑲齒滾刀，10 把光圓滾刀。第三次（357 環）進倉量測刀具后發現，第一次（101 環）所更換的光圓滾刀在使用257 環后磨損也達到24～29mm，基本達到更換標準。第二次（216 環）更換的鑲齒滾刀的磨損量基本在4mm 以內。

說明相對于光圓滾刀，鑲齒滾刀可以更好地適用于此類軟巖地層，磨損量更小。

5.2 滾刀破巖機理

滾刀的破巖原理為滾壓破碎巖石，其特點是靠滾刀滾動產生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用，達到破碎巖石的目的。在盾構機頂推力的作用下，刀盤前端的滾刀緊壓巖面，隨著刀盤的轉動，滾刀不僅繞刀盤中心公轉，同時也繞自身的軸心自轉。當頂推力超過巖石的強度時，滾刀接觸面上的巖石直接被擠壓破碎，其接觸點周圍的巖石會逐漸剝落。

5.3 滾刀壽命預測

5.3.1 影響刀具使用壽命的因素

通常盾構刀具的磨損量由下式計算：

式中：δ－磨損量(mm）；K－磨耗系數（mm/km）；D－刀具軌跡直徑（m）；N－刀盤的轉動速度（r/min）；L－掘進距離（m）；V－掘進速度（cm/min）。

其中，當同一軌跡上配備有多把滾刀時，磨耗系數K應變為下式：

式中：K－1 條軌跡配置1 把切削刀時的磨耗系數；Kn－1 條軌跡配置n 把切削刀時的磨耗系數。

為計算在允許磨損量下的刀具可掘進距離，可以變式為：

式中：Pe－刀具的切入量，即刀具每轉的切入深度（cm/r）；K－磨耗系數（mm/Km）；λ－刀具轉動距離壽命，即達到刀具限定磨損量時，邊掘削開挖面邊轉動的可能距離（km）；t－限定磨損量，即刀具磨損量δ 的最大限定值（mm）；R－刀具中易磨損的最外周刀具安裝半徑（m）。

從計算公式中不難看出，影響刀具使用壽命的因素主要為刀具材質、地質條件、刀盤外徑、轉速、掘進速度以及掘進長度。

5.3.2 滾刀使用壽命計算

根據南線巖層段進倉刀具實測數據，按照刀具壽命計算公式可以反算得到光圓滾刀和鑲齒滾刀在該地層中的磨耗系數，如表1 所示。

表1 南線刀具磨耗系數

假設限定磨損量為25cm，根據公式分別對光圓滾刀和鑲齒滾刀在泥質粉砂巖地層中的使用壽命進行計算，如表2、表3 所示。

表2 光圓滾刀使用壽命計算

表3 鑲齒滾刀使用壽命計算

在進行盾構刀具使用壽命預測時，刀具的限定磨損量應根據刀具的材質、刀具的安裝半徑、施工段的地質條件以及類似工程的施工經驗進行確定。

在做好刀具使用壽命預測后，可以根據理論壽命編制刀具采購計劃以及提前選擇安全的換刀點，有利于提高盾構施工管理效率。

6 總結

對泥水盾構在泥質粉砂巖地層中掘進時面臨的刀盤易結泥餅、刀具易磨損等難題，根據工程應用結果表明，在掘進該類地層時：①控制掘進參數進漿比重在1.10g/cm3～1.15g/cm3，減少環流系統中的粘性顆粒。②控制掘進速度與進排漿流量相匹配，確保環流排渣能力。③提高泥漿流量進入開挖倉部分的占比，確保開口過流能力。④耐磨合金鑲齒滾刀在該地層中使用壽命更長。