盾构机泥浆堵塞的形成机理和解决方案

陈纯洁

（中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450001）

0 引言

泥浆堵塞一般指泥浆在盾构机刀盘上形成泥饼，堵塞刀盘泄渣口、致使掌子面渣土无法顺利排出、盾构机总推力无限增大、严重可导致盾构机掘进段地面隆起、坍塌、导致盾构机被掩埋等重大风险。

1 泥浆堵塞的形成原因和黏附机理

泥饼形成的主要原因是由于黏土遇水后，黏土中的阳离子在水里解离，形成扩散双电子层，而刀盘表面带负电，由于同性电荷互相排斥，刀盘上的片状结构分散开来，导致黏土膨胀，形成泥饼。刀盘上附有泥饼后，盾构机在推力、扭矩、推进速度3 个参数上发生明显变化，会使盾构机不能正常工作，渣土温度逐渐升高，因为盾构机工作都在地下，环境温度不高，所以可以看见渣土上有非常明显的水蒸气，如果盾构机在刀盘结泥饼的情况下掘进时间过长，盾构机往往会出现刀盘主驱动温度过高的现象，因为刀盘扭矩增大、大盘旋转做功产生热量无法散出，可能出现“主驱动齿轮油温度过高”故障报警。

高分子聚合物一般在液态下会呈现3 种状态：玻璃态、高弹态、黏流态。而黏土在地下压力作用下，对水分的吸收处于饱和状态，在进行盾构机掘进时，黏土的压力变成常压，泥土和水分充分接触，呈现黏流态。黏流态高分子聚合物在外力作用下发生形变不能自发恢复，所以泥土就会一直附着在刀盘表面。随着时间的累积，泥土在刀盘上不断累积，泥中的水分不断被挤出，导致泥土与刀盘表面黏附作用力变得越来越大，因此泥土在刀盘表面上形成泥饼，导致盾构机的堵塞情况。

2 泥浆堵塞实验

2.1 选取实验原料

选取成都市地铁五号线某标段隧道泥岩，市面上能够购买的蒙脱土。

2.2 选取实验设备

选取试验设备为模拟盾构机刀盘和黏土对比试验设备。

2.3 实验样本处理

将隧道泥土用水搅拌，过滤杂质选取上层泥浆水，进行静置。等到上层清液和下次泥浆水完全分层，将清液分离，取出下层泥浆水进行离心机分离，分离出的泥土用烘干箱进行烘干。将烘干的泥土粉水后作为本次实验的试验样本。

2.4 测试试验样本的黏流态水分

取出10 g 的试验样本泥土，放入烧杯中，一边加水搅拌，一般测量样本的黏度变化，记录黏度最大时，水的添加量。

2.5 盾构机刀盘模拟实验

将试验样本加入一定量的水，使试验样本达到黏度最大时的水量。充分搅拌试验样本，放入实验隧道中，使试验样本充分分布在隧道内壁上，再加入适量的水分进行浸泡，一段时间后倒出水分，使用盾构机刀盘进行模拟试验，当盾构机刀盘沿逆时针方向旋转困难后，取出盾构机刀盘，测量盾构机刀盘前进的深度。

2.6 试验样本保水性的测量

将试验样本加入一定量的水，使试验样本达到黏度最大时的水量。充分搅拌试验样本，做出泥饼，切成大小质量基本一致的小泥块，分别放入烧杯中，加入同样重量的水，设定0.5 h、1 h、2 h、3 h 时间，分别倒出烧杯中剩余的水，计算泥块的吸水率，用黏土对比试验设备测量泥块的黏度变化。

3 实验结果和讨论

3.1 试验样本泥土的黏流态水分

选取10 g 试验样本和市面上购买的蒙脱土，放入不同的烧杯中，一边加水搅拌，一般测量样本的黏度最大值，加入水的用量见表1。

通过试验样本和市面上的蒙脱土洗水后最大黏度时的水量进行对比得到，试验样本和市面上的蒙脱土土样性质是有区别的，并且市面上的蒙脱土达到最大黏度时需要的水量更大。

表1 两组不同来源土样的黏度最大时的水量

3.2 试验样本保水性的测量

根据2.6 试验，分别计算不同时时间内泥土的吸水量，结果见表2。

由表2 可得，试验样本在最开始吸水量随时间的延长是在逐渐增加的，在2 h 时吸水量最高达到3.22 mL，随后逐渐降低。同时试验样本的黏度随吸水量的增加也在增加，2 h 后吸水量逐渐减少，黏度也在随之减少。

表2 样本在不同时间的吸水量和黏度

3.3 盾构机设备和形成泥饼的因素

通过对盾构机进行分析，对泥饼产生的因素进行统计，见表3。

表3 泥饼产生的影响因素

由表3 可知：造成泥浆堵塞的主要影响因素在刀盘和刀具上，如果刀盘和刀具的选择不合理，就很容易形成泥饼，造成泥浆堵塞，影响到盾构机的正常工作

4 泥浆堵塞的解决方案

4.1 对当地土样进行充分了解

解决盾构机泥浆堵塞的方法就是改变泥土的液态形态，使其不变成黏流态，所以在进行相应的盾构机工程时，需要对当地的土样进行充分了解。对工程地下土样进行分析，得到当地土样的最大吸水率和黏度，以便更好得施展工程。同时工作人员可以研究相应的水药剂，能够使当地的土样在水药剂的作用下失去黏性，从而在液态下不会变成黏流态，附着在盾构机的刀盘上，形成泥饼，就不会造成泥浆堵塞的情况，影响盾构机的正常工作。

4.2 对刀盘进行改进创新

在进行盾构机工作上，隧道的泥土难免会遗留到刀盘上，所以防治刀盘上形成泥饼的最好方式，就是对刀盘进行改进创新[1]。近几年来盾构机制作商尝试在刀盘上添置高压水冲洗装置，其目的是想在盾构机工作后用水及时清洗掉刀盘上的泥土，防治泥土形成泥饼，影响盾构机的正常工作。但实际上用水冲洗这样的方法并达不到预期效果，反而会增加隧道中泥土的黏流性，更容易形成泥饼。而后经过试验，将刀盘正面的渣土改良剂改为加水，其目的是将隧道中的泥土和刀盘上的水充分混合，就不会过多依附到刀盘表面，同时水能够降低盾构机工作的温度，从而降低泥饼形成，有效改善泥饼形成的问题。这样的措施虽然已经有较大改善，但仍然不能完全解决泥浆堵塞的问题。

4.3 盾构机的刀具合理选择

盾构机刀具的平面布置和轨迹间隙选择不合理都会造成泥饼的形成，所以在刀具的选择上需要注意合理选择，需要充分考虑到刀具的均衡性，和刀具的破岩机理[2]。由于地下泥土多属于符合地层，其特点是部分地质松散或节理较为发育，即刀具刚进入土壤还未进行刮刀作用，泥土已经剥落。这样的情况就很容易造成刮刀清除渣土不彻底，如果清除渣土不彻底，遗留在刀具面板上的渣土风化后的颗粒与刀盘摩擦会产生大量的热量，使黏土水分流失，黏在刀具表面上，再经过盾构机正常工作产生的热量，不断加温，黏土的面积不断扩大，形成泥饼，就会影响到刀具的正常工作，从而影响到盾构机的正常工作。

4.4 加强对盾构机施工的监管

由于盾构机泥浆堵塞会影响到盾构机的正常工作，影响盾构机的工作效率，造成非常大的经济损失。所以相关施工部门应该要重视对盾构机施工的监管，设立相关的监管人员对盾构机施工进行监管。①施工前，对隧道泥土、施工设备的检查工作进行监管，确保施工能够顺利进行；②施工时，对盾构机的工作状态以及盾构机操作人员进行监督，保证盾构机能够正常工作，同时盾构机操作人员具备专业的掘进技术，能够保障盾构安全施工。一旦施工中发生任何问题，监管人员也可以及时发现并上报处理，最大化降低盾构机的问题；③施工结束后，需要对当天的工作进度进行统计，对工作完的设备进行检查，确保盾构机上没有泥浆堵塞的情况，一旦发现刀盘上、刀具上、环流系统、出渣口形成泥饼，需要对泥饼进行冲洗，必要时候可以通过人工清理的方式进行清除泥饼，能够有效保障盾构机第二天的正常工作，防止因为形成泥饼，而对刀具造成磨损，影响盾构机的正常工作[3]。

盾构机的监管工作必须要认真落实完成，必要时需要对盾构机进行定期检查，这样才能保证盾构机的正常施工，同时相关的工作人员也需要定期对复合底层的地质情况，刀具磨损情况进行登记，以便更好的进行工作。

5 结语

盾构机的泥浆堵塞一般指泥浆在盾构机刀盘上形成泥饼，影响盾构机的正常工作。研究得出，盾构机容易发生泥浆堵塞的地方在刀具和刀盘上，少部分发生在环流系统、出渣口，可以在对刀盘进行改进创新方面和盾构机的刀具选择方面进行改进，工作人员需要定期对隧道泥土进行检验，可以使用水药剂控制泥土不会形成黏流态，而形成泥饼，影响盾构机工作。同时需要设立相应的监督岗位，对盾构机工作进行监督，确保每天盾构机上都没有形成泥饼，来保证到第二天的正常工作。