泥岩复合地层刀盘泥饼成因及防治技术

焦宝珊

一、工程概况

某某工程穿越江隧道长2.65km，隧道外径6.2m，采用2台气垫平衡式泥水平衡盾构机施工，开挖直径6480mm，是该城市首台泥水盾构穿越湘江地铁隧道。区间线路依次下穿湘江中路、湘江东岸防洪大堤、湘江东河汊、橘子洲（景区）、湘江西河汊、湘江西岸防洪大堤、潇湘中路、岳麓教科新村等诸多风险源，且存在溶洞发育区、岩层断裂碎裂带等不良地质，施工难度极大、风险极高。区间最大水土压力为3.2Bar，最大覆土深度28.5m，最大水深15.2m。

区间隧道主要穿越地层为:＜7-3-2＞强风化砾岩、＜7-3-3＞中风化砾岩、＜7-2-2＞强风化泥质粉砂岩、＜7-2-3＞中风化泥质粉砂岩、＜11-1-2＞强风化砂岩、＜11-1-3＞中风化砂岩、＜11-3-3＞中风化灰岩、＜11-3-4＞微风化灰岩。其中，中风化砾岩夹杂泥质粉砂岩复合地层，具有富含粘土矿物质颗粒、泥钙质胶结、遇水软化的特点，该地层粘粒含量较高，大部分为粉质粘土，特别容易导致刀盘结泥饼。

自盾构机进入泥岩复合地层以来，盾构机刀盘中心体多次出现结泥饼现象，最直接的表现为：推进油缸推力大为增加，刀盘驱动力矩维持在临界高位，泥水环流预筛分出渣减少，刀盘惯入度大为减少，掘进速度降低，严重制约了生产工期。另外，单环推进泥浆指标过高，泥浆粘稠，产生较多废浆，增加了废浆处理成本。

二、刀盘结泥饼成因分析

1.地层原因

区间隧道穿越的主要地层为泥质粉砂岩、中风化砾岩及强风化砾岩，此岩层成分胶结物成分含量很高，泥质钙结，具有富含粘土矿物质颗粒（粒径在2μm以下的细颗粒，即粘泥）、遇水软化的特点，在该地层掘进时刀盘切削岩块遇水极易形成粘泥，粘泥的附着力极强，极易附着在金属结构表面，裹结在刀盘上形成泥饼，此外通过刀盘挤压可形成较多泥团，粒径20cm～30cm不等。盾构机掘进至该地层时，从泥水分离设备预筛分出渣可判断地层为泥岩复合地层，出渣碎石块减少，泥团量逐渐增多，同时掘进参数出现突变，扭矩、推力增大，推进速度降低，数据参数严重不匹配，表明刀盘已形成泥饼。

2.刀盘面板稍大

刀盘开口率较小（38%）且面板较大，面板上及中心区域无冲刷口。粘泥附着力较强，在泥水的浸泡下软化，更容易粘附在刀盘面板及开口的结构表面，而又无较强的流体及时冲刷掉，粘泥越积越多将刀盘开口处堵塞，在刀盘的挤压力下附着的粘泥压实成密实的块状体，进一步阻止切削的渣土进入开挖仓，最后在刀盘前面形成密实的饼状泥块，当泥块厚度超过刀具切削的高度，刀具无法对掌子面形成有效的切削，此时推力骤然增大，而推进速度很小，无法正常推进，造成了结泥饼现象。

3.冲刷系统能力不足

冲刷系统的动力为一台90kW的泥浆泵，流量300m3/h，扬程80m。冲刷口主要为中心冲刷（中心滚刀后面）和辐条滚刀冲刷，4个辐条上每条布置3个冲刷口对着滚刀冲刷。中心冲刷口口径为50mm，辐条上冲刷口较多，加上中心冲刷口，估算每个辐条冲刷口冲刷流量仅为20m3/h。到刀盘上的冲刷管弯道较多，沿程损失较大，泥浆流体到达冲刷口时压力大大减小，冲刷效果不佳。而刀盘冲刷口位置布置也不合理，极易形成泥饼的面板上没有一个冲刷口，因此此冲刷系统对刀盘泥饼产生的防止作用很有限。

三、应对措施及改造方案

1.人工进仓，清理刀盘泥饼

根据地质特征分析，该地层自稳性较好，裂隙不发育，且盾构机正处于陆地段，上部覆土较厚，通过观察掌子面非常稳定，水量较小可控，故采用常压进仓清除刀盘泥饼。

常压人工进入开挖舱分别利用高压水切割、液压镐凿除、手动钢钎凿除等方式，彻底清除已板结的厚泥饼，恢复原有的光界面及流通通道，保证了切削下来的渣土进入开仓的畅通，最后利用泥水环流系统排出仓底堆积渣土。此外，需及时掌握包含总推力、贯入度在内的各项掘进参数的实际情况，采取常态化预防机制，定期进仓清饼，实现对泥饼厚度的有效控制，以免泥饼过厚。

2.改造刀盘冲刷系统

（1）结合地质特点和刀盘构造，在刀盘面板增加冲刷点，提高冲刷能力（范围和流量），及时冲掉粘结在面板泥块，降低刀盘面板结泥饼机率。

（2）刀盘冲刷管路V11，改造格栅冲刷管路V3、V4：改变原有冲刷嘴的形状和角度，冲刷口由圆形改为鸭嘴性，挺高冲刷动能。延伸V11长度，通过冲刷刀盘的方式清理该处残留的泥饼，适当加大内循环流量，将切削所得的粘土清理干净。通过泵入泥浆的作用可提高切削所得土体的流塑性，同时辅以适量的高压水，有助于降低泥浆粘度，由此提高盾构机的排泥能力，有效避免刀盘面出现泥饼现象。增设搅拌棒并将其安装在开挖舱中隔板处，此举有助于提高渣土的流动性，阻止泥饼的形成。

（3）拆除排浆口格栅，提高泥团通过率，保证泥水环流出渣顺畅，避免积仓。

3.调整掘进模式及参数

（1）加强对盾构掘进参数的观察，及时监测刀盘扭矩推力的实际值，明确其是否存在异常变化。掘进过程中持续运行循环泵和防泥饼装置，从而不断冲洗刀盘，此过程中刀盘中心注水系统协同运行，解决泥浆结饼问题。结束掘进作业后依然要维持泥浆循环状态，其目的在于深度清理刀盘和开挖舱内的渣土，以免发生渣土大量聚集的现象。

（2）提高送排泥浆流量。经切削处理后所得的渣土应得到及时的清理，不宜采用逆循环推进的模式，否则易增加刀盘的渣土堆积量。

（3）盾构机运行期间，应保证掘进速度稳定在20mm/min以内，若刀盘扭矩处于相对较小的状态可适当加快刀盘的转速，从而减少大块粘土的数量。刀盘旋转切削过程中需要时常执行正反向切换操作，避免长时间维持相同方向旋转的情况。掘进期间及时观察出渣量，若异常减少则表明开挖舱和刀盘已发生渣土堆积现象，此时应及时清理。定期清洗开挖舱，非特殊情况下每掘进30cm执行一次，及时检测开挖舱隔板的温度，以便掌握开挖舱的整体工作状况。

（4）调整盾构掘进模式，由“满仓模式”调整为“半仓欠压模式”推进，该模式适用于自稳性较好、水流量较小和隔气性相对较好的地层，可解决刀盘结泥饼问题，既降低了刀盘扭矩及总推力，又提高了推进速度。

（5）泥水盾构机在复合地层的掘进过程中，必须及时用低比重优质泥浆置换开挖舱内高指标泥浆，防止土块在刀盘和开挖舱附近堆积，保证刀盘开口处通畅。因此要选择适合泥浆指标并严格控制。

由于该地层自造浆能力强，渣土发生溶解后将促使泥浆粘度和比重大幅提高，严重制约循环泥浆的作用，降低携带渣土的能力，若此问题未得到及时处理将明显增多刀盘和开挖舱的粘土团。对此，盾构掘进时应检测泥浆指标，条件允许时每环监测三次。以泥浆实际情况为出发点合理调整排浆方式，适时加注清水，保证泥浆浓度维持在合理的范围内。

四、结语

综上所述，本区间泥水盾构在泥岩复合地层中的掘进施工顺利完成，经总结得出如下结论：

1.针对可塑、硬塑状地层的掘进作业，伴随施工时间的延长容易形成泥饼，此现象在富含粘土矿物颗粒的条件下更为明显，刀具和刀盘将提供切削作用，由此产生大量的粉末状粘土颗粒并大量聚集，随之形成泥饼。

2.盾构机设计制造过程中应从结构特点出发，采取合适的改进措施，如加大刀盘中心开口率、优化开挖舱内循环运行机制等，由此避免泥饼现象。

3.结合该地层特点（自造浆能力强），必须选择合适的泥浆参数，采用低指标泥浆推进，极大降低粘土间相互结合的能力。

4.加强盾构掘进施工管理，严格控制掘进参数，做好环流系统的配置，根据盾构掘进地层的不同地质情况及时调整操作方式。