復合地層盾構刀盤結泥餅的三種過程及防治措施

林 正

(廈門軌道建設發展集團有限公司,福建 廈門 361007)

1 結泥餅的成因分析

在盾構施工中,刀盤“結泥餅”問題引發的施工安全、進度等問題始終困擾著盾構施工人員[1]。通過參數變化、掘進狀態變化和渣土改良系統運轉的變化,泥餅形成通常圍繞這兩個基本工況逐漸發展:1)因掘進或改良不到位造成中心區輕微結餅→管路堵塞→結餅發展。2)因注入壓力問題或管路自身問題造成管路堵塞→中心區出現結餅跡象→進一步加劇管路堵塞和泥餅形成。不管是先結餅后堵管,還是先堵管后結餅,結泥餅的比較籠統的原因分析結果就是掘進過程中渣土沒有得到有效的改良,在大推力的擠壓過程中逐漸附著在刀盤表面的過程[2]。那么,為了不結餅,我們從渣土本身的性質來分析,把結泥餅的全過程還原,切實找到各個階段的原因,才能針對性地制定改進措施。

2 形成泥餅的三種發展過程

針對施工過程中碰到的結泥餅問題,開倉研究結餅部位,逆向推導其發展過程,再結合參數變化和掘進狀態變化正向進行擬合[3],這樣通過大量數據和現場實際、圖片資料對比把刀盤結泥餅的形式進行了歸納總結,主要有以下三種形式:

1)從中心區開口向內結泥餅。渣土首先在刀盤中心區開口處黏結,然后逐步向土倉內形成泥餅,泥餅形成方向及過程為中心區開口向內發展。

結合渣土改良實施情況的成因結論:刀盤中心區正面有兩路噴口,一路泡沫、一路膨潤土,因其管路堵塞造成中心區渣土沖刷不到位,中心區的小開口逐個被堵塞,在盾構掘進的大推力作用下逐漸向內發展,致使整個刀盤中心區被堵塞[4]。

2)從中心區牛腿向外結泥餅。渣土首先在中心區牛腿處黏結,然后逐步向外(刀盤)發展形成泥餅。泥餅形成方向為從內向外及周邊發展。

結合渣土改良實施情況的成因結論:主要因其土倉內對渣土的沖刷不足,倉內渣土流動性不足,造成渣土在牛腿周邊開始固結,逐漸向外發展,堵塞整個中心區。

3)從螺旋口上部向上結泥餅。渣土首先在螺旋口上部黏結,隨后在土倉內向上發展形成泥餅。

結合渣土改良實施情況的成因結論:在螺旋口上部的渣土很容易堆積,尤其在停機過程中因其承受壓力較大,其再次發生板結的可能增大,加之出土不暢和改良不到位等因素,逐漸堆積、固結,并向上發展[5]。

上述三種形式是土壓平衡盾構掘進中結泥餅的主要形式,三種形式發生順序不分先后,在盾構掘進過程中可能同時發生[6]。

通過這三種主要形式可以發現,泥餅的形成跟設備本身和改良系統的使用有密不可分的關系,由于設備(刀盤、牛腿、螺旋輸送機)的存在,為盾構掘進過程中泥餅的形成提供了易附著點,并在易附著點附近逐步黏結發展。同時,土倉壓力過高,導致切削下來的渣土不能順利通過螺旋機排出,在土倉內堆積擠壓,加之改良不到位,這種堆積的密實度越來越大,最終形成泥餅。

3 泥餅的防治措施

通過對三種泥餅形成過程的分析,泥餅的形成與渣土改良的關系極為密切,要做好泥餅的防治,重點需從加強渣土改良的方面來進行,現從以下兩方面提出泥餅的防治措施。

3.1 設備微改造

渣土改良是通過盾構機的管路系統對開挖面和土倉注入水、泡沫和改良劑(泥漿、聚合物等)來改善渣土的性質,使其呈現出較好的“塑性流動狀態”,這種塑性流動狀態主要包括的含義為:1)土體不易固結排水;2)土體處于流塑狀態;3)土體具有較低的透水率;4)土體具有較低的內摩擦角。

針對結泥餅問題,渣土改良可以從結泥餅內因的角度對其進行防治,面對不同的開挖面土質情況,通過水和改良劑的合理選用,使渣土各成分間利于結成泥餅的相互作用減弱,不易形成穩定狀態的泥餅,以達到結泥餅問題的防治;從外因的角度進行防治,就是要針對性的對易附著位置進行針對性的處理,措施就是加強關鍵部位的沖刷,讓渣土流動,不使其輕易堆積和擠壓[7]。

在泥餅發展的過程中也著重提到,泥餅的形成從改良的實際效果來看與我們所采取的改良方式有著直接的關系,盾構機在設計時,已考慮到其自身的適應性問題,設計了完善的渣土改良系統。但是,在使用過程中也發現,這種設計有所欠缺,因此為確保關鍵部位加強沖刷對改良系統進行了微改造。

1)膨潤土系統的微改造見圖1。

改造前缺點:兩路膨潤土由一個擠壓泵串聯控制,容易出現管路及噴口堵塞,且不好判斷堵塞位置,從而達不到保證一定的壓力和流程向掌子面特定位置噴水來改良、沖刷切削渣土順利進倉。

優化后作用:新增螺桿泵將兩路膨潤土優化為單管單泵控制,解決管路堵塞、堵塞位置及時快速查找、改良噴水壓力及流量不足、沖刷改良位置不好確定等問題。能夠改善、增大特定位置刀盤前方噴水量,配合泡沫系統保證切削土體順利進倉,降低土體在刀盤面板前方堆積,久而久之出現面板結餅、開口堵塞的情況出現。

2)刀盤噴水系統微改造見圖2。

改造前缺點:掘進過程中后方臺車其他用水容易造成卸壓,影響刀盤噴水流量及壓力的穩定,導致刀盤背部土倉內渣土改良沖水不穩定。

優化后作用:更改連接盾膨擠壓泵至刀盤噴水,專泵控制刀盤噴水系統,保證掘進過程中刀盤噴水壓力、流程穩定,防止土倉內渣土堆積,排出不利,造成牛腿區域及開口渣土堆積堵塞現象出現。

3)主動攪拌棒噴水微改造見圖3。

優化后作用:新增增壓泵,連接三通:一路向臺車膨潤土箱供水,保證膨潤土箱儲水充足;一路向攪拌棒沖水,修正1號及3號攪拌棒頂端噴口斜向螺機口方向沖水,解決渣土在土倉內螺機口頂部堆積“盆蓋”造成渣土排出不暢的問題。

3.2 改良劑的選用

復合地層在我們早期的認識中,認為硬顆粒與黏性顆粒在經水和泡沫混合、攪拌后有著較好的自改良效果,事實上我們在之前的復合地層掘進中也有過如此經過驗證的工程經驗。本文研究工況下易結餅的問題核心還是地層的不同,本次研究工況其地層的分布具有一定的特點,在刀盤中間位置始終有一層強風化巖層,其物理性質接近于黏土,不能呈土狀進入土倉就會被磨成泥漿,加之巖層礦物成分本身就具有黏性從而能快速附著在刀盤上。

為了解決強風化巖層的附著問題和預防結泥餅,有必要選用具有分散效果的改良材料,如分散型泡沫、分散劑溶液等,能瓦解被擠壓密實或固結渣土塊的表面作用力,經水和泡沫浸泡后使其分散。通過對其內部機理的研究,可以委托專門的材料研究機構,配置適用于地層的分散劑溶液,并在實踐中進行改進。

因此,復合地層的盾構掘進施工,除了泡沫的正常使用,在水中添加分散劑溶液有助于泥餅的防治。

3.3 施工注意事項

前文我們論述了結泥餅三種發展過程,并從設備微改造和材料方面進行了一些改進,那么在施工工藝方面,有必要重新形成一套完善的參數和施工工藝,發揮好設備和材料的性能。對施工過程的重點也有必要時刻注意,掘進工況的復雜性還需要施工過程中靈活控制。

1)掘進參數的合理設定及控制。a.土壓力。隨著土壓平衡模式的建立,倉內的渣土會因為掘進快慢和出渣快慢的動態變化出現渣土密實度的動態變化,有必要維持掘進和出渣兩個速度的動態平衡,避免倉內渣土密實度過高為泥餅形成提供條件。b.推進速度。在推進過程中應充分了解施工速度、盾構掘進改良參數、泥土溫度之間的能量轉換關系及其對泥餅形成的影響?？刂坪闷椒€、較快的掘進速度,意味著與之匹配的改良參數、出渣速度、渣土干稀程度要控制好,掘進速度是盾構的綜合平衡指標,是掘進狀態的集中體現。

2)快速均衡施工。盾構施工應快速、均衡,避免長時間停機。長時間的停機會導致土倉內渣土固結、流動性減弱、刀盤及土倉壁結泥餅的可能性增加;掘進速度太慢,渣土與刀盤、土倉壁的相互作用時間增長也容易結成泥餅;而且長時間停機,會造成渣土完全度過掘進時的高溫、停機后受地下水影響的低溫兩個峰值,倉內土體會受溫差的影響輕微收縮,有進一步結成泥餅的風險。

3)定期開倉、清倉。定期開倉可以較準確地掌握前方地層的地質狀況和刀具的磨損情況,對倉內環境的直接觀察最能驗證渣土改良的成效;定期對刀盤和土倉環境進行清理,對刀盤結泥餅可起到預防作用,從掘進參數和掘進狀態反應已出現較嚴重的結餅現象時,應及時開倉處置。

4)加強推進中對渣土的管理。對出土量、掘進行程等科學管理,不能因為“換斗”、拼裝行程不夠而刻意在不出渣狀態下掘進,維持合理的動態平衡極為關鍵。

4 結語

盾構施工因其面對工況是不斷變化的,密閉狀態下的土倉環境施工人員也無法直接觀察,面對時刻變化的掘進參數,盾構操作既是對當下的處理,也是對即將發生的預判,這就需要我們既有對工程的理性認識,也要有基于工程經驗的感性判斷,這也許正是盾構施工的魅力所在。

通過對復合地層掘進過程中出現的結泥餅的成因分析、問題的解決,使我們對復合地層的認識更深一步,在這個過程中分析結泥餅的內外機理,推導了其發展過程,也針對性地提出了解決方案,為類似工程提供了可借鑒的實例。