全断面黏土地层泥水盾构改造及高效环流出渣技术研究

戴洪伟

(中铁十四局集团有限公司，济南 250014)

全断面黏土地层泥水盾构改造及高效环流出渣技术研究

戴洪伟

(中铁十四局集团有限公司，济南 250014)

扬州瘦西湖隧道采用旧泥水盾构设备全断面穿越膨胀性黏土地层，施工过程中泥浆产量大、难以分离，并且容易引发黏土块黏附刀盘、堵塞排泥系统等问题，从而影响施工的正常进行。针对扬州瘦西湖隧道工程环流系统面临的难题，对盾构刀盘的刀具进行重新选型和配置，对冲刷系统和环流管路进行一系列改造，通过室内模拟实验揭示黏土块溶崩破碎规律，实现了黏土块的块状切削和泥浆减量化，防止了刀盘结饼、泥水管路堵塞，形成了全断面黏土地层高效环流及出渣技术，保证了工程的顺利实施，产生了极大的经济效益。

公路隧道；泥水盾构；膨胀土；泥水环流系统；改造

1 概述

近年来，大直径泥水盾构越来越广泛地应用于水下隧道的建设，如南京长江隧道、武汉过江隧道、狮子洋隧道、南京纬三路过江通道等地下隧道工程均采用泥水盾构工法进行施工[1-4]。泥水盾构利用加压泥浆支护开挖面，通过旋转刀盘切削地层土，用流体方式输送到地面，最终通过泥水分离设备进行渣浆分离[1，5]。泥浆质量的好坏影响开挖面稳定，环流系统的效率影响携渣和泥浆循环，因而对施工效率有着重要影响[6-7]。

目前，我国泥水盾构穿越地层多为砂土或砂质黏土地层[8]，类似扬州瘦西湖隧道采用泥水盾构穿越全断面膨胀性黏土地层的情况尚未见报道[9]。扬州瘦西湖隧道所用盾构为原南京长江隧道工程所用盾构机，该盾构适用于粉细砂和卵石层，将其应用于全断面膨胀性黏土地层的施工一方面可以实现机械重复利用，另一方面也将引发地层适应性的相关问题。泥水盾构在全断面黏土地层掘进过程中易发生泥浆产量大、黏粒含量高、难以分离，容易引起黏土块黏附刀盘和排泥系统，从而影响施工的正常进行。因此，如何对旧盾构进行地层适应性改造，如何实现全断面黏土地层泥水盾构的高效环流和出渣，是扬州瘦西湖隧道工程亟待解决的难题，也是国内盾构领域面临的全新课题。针对上述问题，通过室内模拟实验揭示了黏土块溶崩破碎规律，提出适合硬塑性膨胀黏土层的刀具选型及配置、环流及冲刷系统的配置和改造方案，提出防止环流系统堵塞的措施，形成全断面黏土地层高效环流及出渣技术，为类似工程提供参考。

2 工程概况及泥水系统主要问题分析

2.1 工程概况及地质条件

扬州瘦西湖隧道为扬州市规划的东西向重要城市交通通道，工程东起漕河路与史可法路交叉口，西讫杨柳青路与维扬路交叉口，隧道全长约3.6 km，盾构段全长1 275 m，单管双层设计，设计速度为60 km/h，采用1台φ14.93 m的泥水盾构掘进施工，盾构机为原南京长江隧道工程所用盾构机，管片环外径14.5 m，内径13.3 m，管片环宽2 m，厚0.6 m，混凝土强度等级C60。工程所在地层自上而下分别为填土、粉土、粉砂、黏土、粗砂、泥质砂岩全风化层和泥岩全风化层。其中黏土为本隧道工程主要穿越地层，分布于盾构开挖全断面。该地层标贯值达29～35击，含水率为21%左右，塑性指数达17.7%～22.4%，地层强度高，黏性强，黏粉粒含量高达90%以上，其地质剖面见图1。

图1 扬州瘦西湖地层纵剖面示意

2.2 泥浆环流系统主要问题

(1)泥浆产量大、密度高，难以分离

瘦西湖隧道地质勘测报告显示，隧道所穿越地层主要是黏土层。该地层黏粒含量达95%以上，自造浆能力极强，施工时会排出大量的泥浆，粗略计算盾构段施工过程中产生的泥浆量达115万m3(密度约1.15 g/cm3)。由于瘦西湖隧道位于扬州著名的国家级风景名胜区蜀岗—瘦西湖和国家重点文物保护单位扬州城遗址内，周围环境控制要求高，而黏土泥浆自重沉降很慢，废浆池的库容无法满足如此大量泥浆的存放，常规方式处理十分困难，经济成本巨大，如果泥浆问题解决不好，不但会造成环境污染和浪费，而且会引起工程进度迟缓、威胁工程安全等一系列问题。因此如何实现泥浆减量化，形成切实解决工程问题的一套综合快速泥水分离技术十分重要。

(2)黏土易黏附刀盘，堵塞泥水舱和环流管路

瘦西湖隧道黏土具有很强的黏性，因而盾构掘进过程中极易黏附刀盘，导致刀盘结泥饼[10]，在刀盘旋转摩擦和挤压作用下产生高温而发生烧结，随着泥饼增厚，刀盘扭矩不断增大，最终导致掘进参数异常、无法推进；同时，盾构施工时从开挖面掘削下来的黏土容易在泥水舱底部堆积，当搅拌力度不够或泥浆流速不足时，黏土因无法及时排出而堵塞泥水舱；黏土在环流系统中随着泥浆流动而运移，然而由于其黏性较大，容易在管路转折或泥浆泵处发生堵塞甚至爆管。这些问题的发生，均会影响工程进度和施工安全，因此，如何有效解决刀盘结泥饼和黏土堵塞的问题，是施工中的难点。

(3)旧盾构地层适应性改造问题

为实现盾构设备再制造利用以降低成本，体现工程经济性，瘦西湖隧道工程采用原南京长江隧道工程泥水平衡盾构机进行隧道掘进施工，其盾构根据穿越粉细砂和卵石层设计制造。然而扬州瘦西湖隧道所处地层为全断面全线路硬塑性膨胀黏土地层，与南京长江隧道工程的粉细砂、卵石地层差异很大，必定会带来盾构机的地层不适应的问题[11]，特别是因刀具配置、刀盘形式和泥水管路与地层不匹配带来的上述泥浆产量大、刀盘黏土结饼和环流系统堵塞的问题将会十分显著。因此必须对盾构机进行适应性改造，以确保工程项目的顺利进行。

3 盾构改造及高效环流、出渣技术

图2 环流系统示意

图2为盾构环流系统，泥水盾构利用加压泥浆支护开挖面，通过刀盘上的刀具切削地层土，地层土在泥水舱内形成较高浓度泥浆，通过排浆管路和泥水泵用流体方式输送到地面，最终通过泥水分离设备进行土块与泥浆的分离，分离后的泥浆再输入泥水舱进行循环[1，5]。

结合盾构机特点及环流系统面临的主要问题，从以下3个方面进行研究和改进。

(1) 通过对刀盘刀具型式的选择及布置，以实现黏土的块状切削。地层黏土黏粒含量高，若全部以碎块溶解于泥浆中将会造成泥浆密度过大、处理困难，通过刀头、刀盘的配置尽可能让黏土以合适大小的块体状态排出，能够大大降低泥浆处理的压力。

(2)通过泥水舱冲刷系统和泥水环流管路改造，防止刀盘结饼和泥水舱、管道堆积堵塞。通过对刀盘及泥水冲刷系统改造，能够很大程度上防治刀盘结饼，利于施工顺利进行；通过对泥水环流管路进行合理改造，能够一定程度上解决泥水舱、管道堆积堵塞的问题。

(3) 黏土块的溶崩破碎规律研究。盾构刀盘切削下的黏土块在运移过程中会不断溶解、破碎，产生大量泥浆，难以快速脱水。为了寻找解决瘦西湖隧道工程排出泥浆的量大、黏粒含量高、难以快速处理等问题，以现场挖出的土块为研究对象，结合室内模拟试验，研究黏土块在水及泥浆中的溶崩和破碎规律，预估实际工程中到达预筛时的土块的大小及破碎率，为筛分设备的选型、配置的数量及泥浆沉淀池和废浆池的设计提供参考。

3.1 黏土地层块状切削的实现

由于该盾构机是根据南京长江隧道工程水文地质而配置的刀盘刀具，原刀盘配置有可更换刮刀71把；固定刮刀118把；先行齿刀16把；螺栓式铲刀12把；焊接式铲刀6把；仿形刀2把；共225把刀具，其中8把刀具设有磨损检测装置，原刀盘刀具配置不能完全适应本工程的全断面膨胀性黏土地层，针对该地层特性，需对部分刀具进行适应性改造，见图3、图4。实施方案如下：一是将71把可更换的钝角刮刀改为尖齿型锐角刮刀；二是将中心圆柱形刮刀改为鱼尾型刮刀；三是将16把先行齿刀取消，改为刀盘冲刷孔；四是保留原有118把固定刮刀形式。通过这种改造方案，可以让黏土以合适大小的块体状态排出，大大降低了泥浆处理的压力。

图3 刀盘刀具改造示意

图4 刀口贯入度示意

3.2 设备堵塞、刀盘结饼的防治

为了使刀盘切削下的黏土及时被舱内泥水带走，防止在泥水舱内堆积，堵塞出浆管吸口，造成压力波动、循环系统排浆不畅等问题，将出浆口处原有格栅拆除、碎石机挂起，增加大黏土块的切割机具，使泥水携带渣土流畅。增加2对高压冲刷喷头，以协助渣土输送，使黏土块更快进入排浆管。同时增大进泥浆流量，确保进泥浆流速达到3.5 m/s，保证泥浆密度不大于1.08 g/cm3、泥浆黏度控制在20 s以内。通过这一系列措施，可以使刀盘切削下的渣土，及时通过排浆吸口带走，解决了泥水舱底部渣土堆积、管道堵塞、携渣不畅等难题，加快了掘进进度，保证工程的顺利进行。

为了防止刀盘结饼，将刀盘表面原16把先行齿刀改为冲刷孔，增加刀盘的冲刷能力，并在冲刷孔外设置保护块，防止刀盘切削泥块堵塞孔口，孔口冲刷方向与刀盘面平行，以便更好地冲刷刀体及盘面，使刀盘不易被黏土黏结。刀盘中心由于线速度小，属于易黏结泥饼，为了更好的实现冲刷效果，专门从中心回转接头处连接一个独立的中心冲刷管路，中心冲刷设置6个冲刷口，分别布置在泥水及渣土汇流集中处，冲刷口布置见图5。

图5 冲刷改造示意

在对冲刷系统进行改造过程中，为了使冲刷系统发挥最佳效益，对冲刷喷头进行了重新计算和设计(图6、图7)，并采用Solidworks与AMESim软件，对冲刷系统进行了优化分析。结果表明：喷头末端最佳型式为等径圆柱形、喷嘴最佳锥角为12°～13°、喷管最佳长度为L=max(3.5d1，200 mm)(d1为喷头进口直径)，并选用了最佳冲刷压力和冲刷流量。

图6 冲刷喷头设计(单位：mm)

图7 冲刷喷头仿真计算

通过刀盘冲刷系统的改造和应用，有效地解决了刀盘面黏土黏结和刀盘易结泥饼的现象，确保了工程的正常掘进施工。

3.3 黏土块的溶崩破碎规律研究

盾构刀盘切削下的黏土块在运移过程中会不断地溶解、破碎，产生大量高黏粒含量泥浆，难以快速脱水。为了解决这一问题，需要以现场挖出的土块为研究对象，结合室内模拟试验，研究黏土块在水及泥浆中的溶崩和破碎规律，预估实际工程中到达预筛时土块的大小及破碎率，以便为筛分设备的选型、配置的数量及泥浆沉淀池和废浆池的设计提供参考。

3.3.1 试验材料及方法

试验材料为扬州瘦西湖隧道地层膨胀性黏土土块，如图8所示。膨胀土崩解试验仪器为崩解试验装置(图9)，参照黄土大试块崩解仪的原理制作而成[12]。内筒为浮筒，内筒外壁上固定有4个防倾斜牛角。试验时向外筒中注入约50 cm高的蒸馏水，切取10 cm×10 cm×10 cm的立方体试样放入悬挂网格中，然后将网格挂在内筒底座的挂钩上，置于外筒中，开始计时并记下液面初始读数与内筒底座高度，每隔一定时间读一次液面读数与内筒底座高度，至试验完成后计算崩解量。

破碎试验仪器主要在30 L搅拌机的基础上加工改进(图10)。此搅拌机的转速分为3档：45、120、218 r/min。搅拌翼的加工主要是在搅拌翼表面加一个外套，用以模拟实际工程中土块的运移，去除搅拌翼的外套，可以模拟实际工程中土块的切削。试验时，称取一定质量的黏土块，加入对应的溶剂，混合放入搅拌桶中，开始搅拌；搅拌至规定时间后，倒出试样，过2 mm土工筛；烘干2 mm以上的土粒，即得出未破碎的土体质量。

图8 试验材料

图9 土体浸水崩解仪(单位：cm)

图10 改进的搅拌仪

3.3.2 试验结果及分析

取3组扬州瘦西湖黏土地层中原状土进行溶崩试验，得到溶崩量随时间变化曲线，见图11。从图11可以看出，黏土块在遇水后的短期内溶崩迅速，到后期趋于平缓，试样外围土体软化，出现较大范围的黏土块和黏稠状半固体块脱离试样母体，在静水中溶崩成2 mm以内的颗粒约占试样总量的30%。后期通过采用不同pH值、不同NaCl含量的溶液和不同密度的泥浆进行溶崩试验表明：酸性溶液对黏土块的破碎有促进作用，碱性溶液和NaCl溶液有抑制作用；泥浆溶液中破碎率明显小于在水中的破碎率，泥浆密度越大，破碎率越小。

图11 崩解率变化曲线

如图12所示，室内模拟破碎试验研究表明，黏土块在动水中随着搅拌时间的增加，溶解破碎程度变大；在相同的条件下，在5%的膨润土泥浆中黏土的溶解破碎程度比在纯水中有所降低；搅拌翼模拟泥浆泵叶片切削，使黏土块破碎率增加。另外，实验室内模拟试验的结果比之现场施工的实际结果偏大(现场施工黏土团42%，泥浆58%)，其原因如下：(1)黏土块从现场运送到实验室的过程中，不可避免地被颠簸导致其裂隙变大，并有较为严重的失水现象；(2)实际施工时，黏土块在管道内运移时，会发生重黏结现象；(3)泥浆泵的叶片切削与实验室内的模拟存在较大差异。

图12 瘦西湖黏土块溶解破碎试验

根据上述研究结果，在施工中控制了泥浆密度为1.08 g/cm3左右，并且在泥浆中掺入少量NaCl溶液，并且通过减少中继泵数量而增加功率以减小泥浆泵对黏土块的切削，有效抑制了黏土块的溶崩，减小了泥浆总量，降低了泥浆密度。

4 现场实测评价

施工现场的实际破碎率是通过监测进浆管、排浆管中泥浆密度及流量的变化，根据质量守恒定律计算得出的，计算公式如下

式中，t为推进一环的时间；Q为一环的平均流量；ρ为一环的平均密度；V为高压水枪一环注入的水的体积；k=0.335 44，是根据排出土块的含水率与地层含水率计算获得的常数。

根据现场实测计算出的结果，绘制出第12环～408环黏土块到达预筛时的破碎率曲线，如图13所示。

图13 现场实测黏土溶崩破碎率曲线

由图13可知，由于采用合适的泥浆携渣，前200环黏土的溶崩破碎率缓慢降低；在250环至350环掘进时，由于泥浆管路过长，流速不足，导致多次出现大黏土块堵管现象；在350环时增加了第二个泥浆泵，黏土块的溶崩破碎率明显下降，并保持在50%上下。盾构机改造及采取相关措施后，很大程度上减少了黏土的溶崩，直接排出了黏土块达到50%以上，减少75万m3泥浆，极大地减轻了泥浆排放压力，保证了工程顺利实施。

同时，对盾构施工速度进行跟踪发现，盾构掘进速度增大明显，在最初施工掘进时，掘进一环时间为10 h，在完全应用改造和环流、出渣技术之后，掘进速度提高到3.5 h每环，并且在后期创造了最高日掘进6环、12 m最高纪录，施工时没有发生刀盘结饼、排泥管路堵塞现象。

5 结语

(1)室内模拟试验揭示了黏土块溶崩破碎规律，明确了黏土块溶崩破碎的条件，提出了防止环流系统堵塞的措施，并结合刀具选型、布置和环流系统改造，形成了全断面黏土地层高效环流及出渣技术，有效地解决了全断面全线路黏土地层泥水盾构掘进时泥浆中黏粒含量高、难以分离以及弃浆困难等导致盾构无法施工的问题。

(2)针对原来使用于粉细砂和卵石地层的大直径泥水盾构，为使之适用于硬塑黏土地层的掘进，综合分析了刀盘和环流系统冲刷的多工况方案，并结合现场实际对其进行了改造，取得了良好的掘进效果，是盾构再制造的成功案例。

(3)在应用了整个盾构改造及高效环流、出渣技术后，扬州瘦西湖泥水盾构掘进效率提升了近3倍(由10 h一环提高到3.5 h一环)，创造了全黏土地层平均日掘进4环、8 m，最高日掘进6环、12 m最高纪录，节约资金2 560万元，社会效益和经济效益显著，为类似工程项目规划设计和施工提供参考。

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Research on Slurry TBM Modification and High Efficiency Circulating Slag in Whole Section of Clay stratum

DAI Hong-wei

(China Railway 14th Construction Bureau Co.， Ltd.， Ji’nan 250014, China)

Using old slurry TBM in whole section of clay geology at Yangzhou Shouxihu Tunnel produces a lot of slurry in construction and it is difficult to separate it， which is likely to cause clay adhesion on cutter and clogging of discharge system and to affect normal construction. With a view to those problems at Yangzhou Shouxihu Tunnel， cutter tools are reselected and configured and modifications on flushing and circulation system are made. With indoor simulation experiments， the law of clay collapse is revealed and block-shaped cutting is fulfilled and mud reduction is quantized to prevent clay-cake formation， slurry pipeline jam. As a result， high efficiency circulating slag in whole section of clay geology is realized to ensure smooth construction and great economic benefit．

Highway tunnel; Slurry TBM; Expansive soil; Slurry circulation system; Modification

2015-06-05；

2015-06-15

戴洪伟(1965—)，男，高级工程师，1988年毕业于石家庄铁道学院桥梁工程专业，E-mail：ldshta@163.com。

1004-2954(2015)10-0103-05

U455.43

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.024