渣土改良對刀盤結泥餅的影響分析

摘要：隧道盾構施工穿越不良地質易發(fā)生結泥餅現(xiàn)象，進而引起刀盤磨損、施工進度延緩等問題。基于此，以長沙地鐵1號線南湖路-鐵道學院區(qū)間隧道為研究對象，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析盾構掘進參數(shù)異常現(xiàn)象。結合塌落度試驗、滲透試驗、直剪試驗，分析不同泡沫摻入比對改良渣土的塌落度、滲透性以及抗剪強度的影響。研究結果表明：當隧道掘進至不良地質后，盾構掘進參數(shù)發(fā)生異常，在合理的范圍內添加泡沫改良劑，有利于盾構機掘進施工。

關鍵詞：盾構刀盤；結泥餅；機理；防治措施

0 引言

不同于傳統(tǒng)掘進方法，盾構施工因其施工快速、綠色環(huán)保、對周邊擾動小、安全性高等優(yōu)點，被廣泛應用。但當盾構隧道穿越不良地質時，常出現(xiàn)刀盤結泥餅現(xiàn)象，這不僅會延緩工程進度，還會損壞盾構機，嚴重時造成人員傷亡。因此，隧道盾構施工工藝研究已逐漸成為巖土工程的熱點之一。

眾多學者通過現(xiàn)場監(jiān)測法、室內試驗法、數(shù)值模擬法等不同手段開展一系列渣土改良方面研究，并取得了一定成果。本文依托長沙地鐵1號線南湖路站-鐵道學院站區(qū)間隧道，結合現(xiàn)場監(jiān)測及室內試驗，提出了防治結泥餅的最佳措施。

1 工程概況

本標段含一站三區(qū)間，均為全地下敷設，分別為鐵道學院站、南湖路站-黃土嶺站、黃土嶺站-涂家沖站、涂家沖站-鐵道學院站，其中最長區(qū)間隧道長1737m。隧道外徑6.0m，內徑5.4m，采用盾構法施工，采用兩臺ZTE6250土壓平衡盾構機施工。

區(qū)間隧道沿芙蓉路敷設，地貌單元屬湘江Ⅳ～Ⅴ級階地，地形開闊，地形有起伏，地面標高55～80m。湘江階地多向北微傾斜。湘江Ⅳ～Ⅴ級階地京廣線以北覆蓋層，主要由第四系中更新統(tǒng)洞井鋪組地層及第四系中更新統(tǒng)新開鋪組地層組成，均為網紋狀粉質黏土、砂礫石層組成，具明顯的二元結構。

人工填土下伏湘江Ⅳ～Ⅴ級階地的粉質黏土、卵石層、殘積粉質黏土，下伏基巖為白堊系神皇山組紫紅色泥質砂巖類及第三系棗市組紫紅色礫巖類，地層分布較簡單，層面較平緩，覆蓋層厚度15.50～29.15m，局部大于50m，基巖埋深較淺。

2 盾構施工異常現(xiàn)象

在盾構隧道施工初期，盾構機的推力維持在1200～

1450t范圍內波動，掘進速度維持在約45mm/min，刀盤扭矩維持在約1400kN·m，其余相關掘進參數(shù)均維持在正常水平。當隧道開挖至黏性土層后，盾構掘進參數(shù)發(fā)生顯著變化，尤其是掘進速度迅速下降至約15mm/min。此外，刀盤扭矩迅速增大，扭矩波動更為劇烈，且常發(fā)生堵艙、排渣困難的問題。

工作人員進入盾構機檢查，發(fā)現(xiàn)刀盤發(fā)生結泥餅現(xiàn)象，刀盤刀具合金局部出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，雖滾刀未完全損壞，但出現(xiàn)了各種程度的磨損。進入淤泥質黏性土、黏性土層前后，掘進速度和刀盤扭矩的變化曲線如圖1所示。

3 刀盤結泥餅防范措施

3.1 常用防范措施

日常施工中，可通過以下措施防止刀盤結泥餅情況的發(fā)生。

3.1.1 控制好推進速度

在施工過程中，根據(jù)盾構穿越地層的特性，充分了解施工速度、盾構掘進性能、泥土溫度之間的能量轉換關系，及其對泥餅形成的影響，控制好推進速度，以減少泥餅產生的機率。

3.1.2 嚴格控制土砂密封溫度

土砂密封溫度與刀盤的冷卻程度有很大關系，循環(huán)水是刀盤冷卻系統(tǒng)的主要介質，當外界氣溫高于30℃、隧道內通風系統(tǒng)的功能較差時，隨著單環(huán)掘進時間的增加，土艙內的溫度很容易上升，導致泥餅產生，因此應嚴格控制冷卻水的溫度，必要時可使用冰水。

3.1.3 快速均衡施工

盾構施工要求“連續(xù)、快速、穩(wěn)定”。長時間的停機，會導致土艙內土壓逐步升高、流動性減弱、刀盤及刀具板結泥餅的可能性增加。而快速均衡施工可降低結泥餅的機率。

3.1.4 摻入改良劑

施工過程中，在土倉內摻入改良劑，可置換出掌子面處渣土部分土顆粒和水分，從而使得渣土粘聚力和內摩擦角減小，提升渣土的流塑性，避免出現(xiàn)結泥餅現(xiàn)象。同時有利于降低盾構機負荷，減小刀盤扭矩。

4 渣土改良效果分析

4.1 試驗方案選取

本文從渣土改良的角度，選擇3%濃度的發(fā)泡溶液作為改良劑，對不同摻入比的改良渣土開展塌落度試驗、滲透試驗、直剪試驗，分析其對改良渣土的塌落度、滲透性以及抗剪強度的影響。具體試驗方案詳見表1。

4.2 塌落度值隨泡沫摻入比的變化

對不同摻入比下改良渣土開展塌落度試驗，表2給出了不同工況下改良渣土塌落度值和狀態(tài)，并將塌落度值繪制于圖2。從表2和圖2可得，隨著泡沫摻入比的提升，改良后渣土的塌落度值先緩慢增大，當摻入比超過15%后，改良后渣土的塌落度值迅速增大。

當泡沫摻入比從0提升至15%時，塌落度值從71mm增大至101mm，增大了約42%。當泡沫摻入比從15%提升至25%時，塌落度值從101mm增大至172mm，增大了約70.3%。當泡沫摻入比從25%提升至35%時，塌落度值從172mm增大至200mm，增大了約16.3。可見，泡沫摻入比對渣土的塌落度有顯著影響，且當泡沫摻入比在15%～25%范圍內，塌落度改善效果最佳。

進一步觀察表1可知，當泡沫摻入比小于20%時，改良渣土混合均勻且流塑性差，改良效果差，不能滿足施工要求。當泡沫摻入比大于25%時，改良渣土流塑性過大，難以達到要求。綜上所述，當泡沫摻入比在15%～20%范圍內，對渣土塌落度的改良效果最佳。

4.3 抗剪強度隨泡沫摻入比的變化

對不同摻入比下改良渣土開展直剪試驗，表3給出了垂直壓力200kPa時，改良渣土的內摩擦角和粘聚力值，并將其繪制于圖3。

從表3和圖3a可知，隨著泡沫摻入比的增大，改良渣土的黏聚力迅速降低，但當泡沫摻入比大于25%后，改良渣土的黏聚力降低有限。初始渣土黏聚力為29.1kPa，當摻入20%的泡沫后，渣土黏聚力降低至22.7kPa，降低了約22.0%。當摻入25%的泡沫后，渣土黏聚力降低至18.9kPa，降低了約35.1%。

從圖3b可知，在渣土中摻入泡沫可以減小渣土的內摩擦角，達到改良渣土的效果。隨著泡沫摻入比的增加，改良渣土的內摩擦角先緩慢減小，在泡沫摻入比從15%增大至20%過程中，改良渣土的內摩擦角顯著降低，當泡沫摻入比超過20%后，改良渣土的內摩擦角降低有限。初始渣土內摩擦角為12.4°，當摻入15%的泡沫后，渣土內摩擦角降低至11.0°，降低了約11.3%。當摻入20%的泡沫后，渣土內摩擦角降低至7.5°，降低了約39.5%。

4.4 滲透系數(shù)隨泡沫摻入比的變化

對不同摻入比下改良渣土開展?jié)B透試驗，圖4給出了滲透系數(shù)隨泡沫摻入比的變化曲線。從圖4可以看出，渣土摻入泡沫后，其滲透系數(shù)不同程度的減小，摻入泡沫越多，改良渣土的滲透系數(shù)越低。

當摻入15%泡沫后，渣土的滲透系數(shù)從4.33×10-5cm/s降低至0.58×10-5cm/s，降低了約86.7%；泡沫摻入比從15%提升至25%后，渣土滲透系數(shù)降低有限。綜上所述，本工程選用摻入比20%的泡沫改良劑效果最佳。

5 結束語

本文基于南湖路站-鐵道學院站區(qū)間隧道工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測總結了盾構異常現(xiàn)象，并提出了泡沫改良劑的防治措施。主要獲得以下結論：

當隧道開挖至黏性土層后，盾構掘進參數(shù)發(fā)生異常，掘進速度顯著減小，扭矩顯著提升；當增加盾構總推力時，推進速度提升不明顯，刀盤扭矩顯著增大。

隨著泡沫摻入比的提升，改良后渣土的塌落度值先緩慢增大，當摻入比超過15%后，改良后渣土的塌落度值迅速增大。

增加泡沫摻入比，能有效改善渣土的抗剪性能，當泡沫摻入比為15%～25%范圍內，渣土抗剪性能改良效果最佳；渣土摻入泡沫后，其滲透系數(shù)不同程度的減小，摻入泡沫越多，改良渣土的滲透系數(shù)越低；綜合改良渣土塌落度、滲透系數(shù)、抗剪強度，當泡沫摻入比為20%，渣土的改良效果最佳。

參考文獻

[1] 張明富， 袁大軍， 黃清飛， 等. 砂卵石地層盾構刀具動態(tài)磨損分析[J]. 巖石力學與工程學報， 2008， 27 （2）： 397-402.

[2] 唐益群， 宋永輝， 周念清， 等. 土壓平衡盾構在砂性土中施工問題的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2005（1）： 52-56.

[3] 馬騰. 基于離散元數(shù)值模擬的砂卵石地層盾構掘進刀盤磨損特性研究[J]. 鐵道標準設計， 2017， 61 （11）： 85-89.

[4] 魏康林. 土壓平衡式盾構施工用泡沫混和土透水性試驗研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術， 2005， （5）： 20-24.

[5] 楊志勇， 程學武， 江玉生. 泥水平衡盾構刀盤扭矩計算及其影響因素分析[J]. 鐵道工程學報， 2016， 3 （5）： 59-63+77.

[6] 鐘毅， 楊龍才， 房師濤，等. 砂卵石地層的土壓平衡盾構施工渣土改良試驗研究[J]. 華東交通大學學報， 2015（6） ： 44.