黏性地层盾构刀盘泥饼崩解特性试验研究

魏力峰，叶来宾，黄际政，刘鹏程，方 勇，*

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.深圳市地铁集团有限公司，广东 深圳 518040)

0 引言

我国城市轨道交通建设现已进入加速发展阶段，其中以地铁建设尤为突出。盾构法作为城市地铁隧道建设的常用工法，面对各地区差异化的地质条件，存在诸多技术难题亟待解决[1]。以黏性地层为例，盾构刀盘结泥饼现象普遍存在，且会给掘进带来各种困难[2-3]，如刀盘堵塞、刀具偏磨、刀盘转矩过大等，严重影响施工效率。

针对刀盘结泥饼这一问题，国内外学者从泥饼成因机制、泥饼防治措施2方面出发，开展了大量的研究工作。泥饼成因机制方面，竺维彬等[4]、李志军等[5]依托工程实际，指出盾构在富含黏土矿物颗粒的地层中掘进时易结泥饼，并强调黏土矿物是形成泥饼的物质基础；董祥宽[6]、傅鑫晖等[7]结合现场施工情况，发现土舱压力过高时未及时排出的渣土会被挤压密实，最终附着在刀盘上形成泥饼，而高土压掘进引起的刀盘局部高温会加速渣土的烧结作用；王明胜[8]、李波等[9]结合开舱检测结果，分析指出刀盘中心开口率过小、刀盘喷水及泡沫喷口堵塞等问题是泥饼形成的主要原因。相关研究及实践经验表明，泥饼形成主要涉及到地层地质、设备缺陷及施工控制等方面。为此，Langmaack[10]通过室内试验，分析研究了不同改良剂的地层适应性问题，指出渣土改良有利于提高掘进效率；钟长平等[11]、Liu等[12]提出通过加入分散剂可加快土体的分散，进而溶解泥饼；贾璐等[13]结合现场施工情况，指出当刀盘仅出现轻微程度结泥饼时，可通过冲刷系统用高压水或泥浆冲洗刀盘；张家年等[14]、王助锋等[15]依托工程实际，对盾构刀盘刀具配置进行了适应性改进，实践表明新制刀盘可在一定程度上减轻结泥饼问题；邓如勇[16]对刀盘结泥饼问题的处置措施进行了总结介绍，并根据所建立的“梁桥模型”分析设计了一种刀盘径向冲洗装置。

综上，目前国内外针对刀盘结泥饼问题的研究多集中在土壤与刀盘的黏附机制上，对泥饼本身特性的研究很少；研究提出的措施多是如何防止或减轻刀盘结泥饼，对于已形成泥饼缺少彻底有效的处理方法，且多基于工程经验，不具备普遍适应性。国内各地盾构施工如遇到结泥饼问题，多数采取开舱人工清除。为避免开舱处理带来的安全隐患及工期滞后，常通过盾构原有泡沫管路向刀盘和土舱中注入分散剂溶液等[17]，此过程涉及泥饼的崩解现象。

崩解试验目前主要用于研究自然土体的崩解性，泥饼崩解相关研究很少。本文以深圳市轨道交通13号线留仙洞站—白芒站区间软岩段为背景，通过自行改进的崩解仪对不同试验条件下原状泥饼的崩解特性进行研究，分析分散剂溶液及其他影响因素对泥饼崩解特性的影响规律，并据此提出化学分散法处理刀盘泥饼的应用建议，以期为解决类似工程问题提供理论基础和参考依据。

1 泥饼崩解机制

泥饼崩解与岩土体的崩解近似，泥饼可视作较为致密的土块。注入溶液前，经高压作用，泥饼内部颗粒呈片状，黏土矿物晶片较厚，整体结构多呈现不规则叠片状，颗粒间吸力、斥力处于相对平衡状态，结构较为稳定；溶液经喷头注入后，水分沿泥饼表面孔隙渗入，泥饼内部颗粒周围水膜增厚，颗粒间斥力增大、吸力减小，结构出现软化。泥饼崩解作用过程如图1所示。

图1 泥饼崩解作用过程

泥饼内部的黏土矿物颗粒吸水会产生体积膨胀，并以膨胀压力的形式作用在周围非膨胀区域内的颗粒上(见图1)。由于黏土矿物颗粒在泥饼内部分布的非均匀性，膨胀过程中的力学作用也是不均匀的，这种不均匀的力学作用将促进泥饼内部裂隙的发展。同时，黏土颗粒的水化作用引起的表层双电层结构的变化也将削弱泥饼内部颗粒在联结部位的强度[18]，泥饼的强度和稳定性因此降低，并最终发生崩解破坏。

Gamble[19]指出岩土体遇水发生崩解的主要内因是岩土体含水率的变化和内部水分的迁移。岩土体内部膨胀性矿物发生水化膨胀、水体入侵导致岩土体裂隙或结构缺陷部位因空气压缩而产生超张应力等也是导致岩土体崩解破坏的重要因素[20-21]。

2 泥饼崩解室内试验

2.1 试验背景

深圳市轨道交通13号线留仙洞站—白芒站区间位于深圳市南山区，区间隧道沿线地层结构较为复杂，左线某施工段盾构刀盘结泥饼问题严重(见图2)，泥饼主要分布在刀盘中心区域。由于土舱压力较高，导致泥饼结构较为致密，高压水冲洗效果不佳，主要采取带压开舱人工处理。

(a) (b) (c) (d)

研究区间隧道穿越地层为强风化混合花岗岩地层，现场破碎下来的原状泥饼的测定含水率为11.07%，矿物成分中黏土矿物主要为高岭石。

2.2 试验设计

为了研究刀盘泥饼的崩解特性及各影响因素对泥饼崩解特性的影响规律，对不同试验条件下的泥饼试样进行室内崩解试验，溶液体积分数、泥饼尺寸、初始含水率、干湿循环次数作为主要考察因素。试验溶液由常用的分散剂制备，选用硅酸钠和六偏磷酸钠[22]。为使试验结果有所参照，各组试验前均设置纯水作用下的崩解对照试验。试验分组及具体方案见表1。

表1 试验分组及具体方案

采用崩解量和崩解速度作为泥饼崩解现象的定量描述指标。

2.3 试验仪器

标准崩解试验难以保证记录数据的准确性，且通过传统崩解仪的曲面桶身难以观察试样变化情况，故在此基础上自行设计改进了试验仪器和试验方法，改进后的崩解仪如图3所示。崩解过程中试样的质量变化由拉力计测定，崩解量和崩解速度可按式(1)、式(2)计算。

图3 改进后的崩解仪示意图

(1)

式中：At为试样在时间t时的崩解量；F0为试验开始时拉力计对链条顶端的拉力，N；Ft为时间t时拉力计对链条顶端的拉力，N；C为未放置泥饼的情况下将不锈钢网板与链条浸入溶液中时拉力计的数值，N，置零后取C=0 N。

(2)

2.4 试验流程

试验前，需根据试验设计方案制备所需大小的立方体试样及试验所需溶液，并将试验仪器各部件连接固定。试验开始后，试验数据由软件同步记录，试验过程中注意观察泥饼试样产生气泡大小多寡、试样崩解性状、溶液浑浊程度、试样崩解颗粒大小等，待泥饼试样完全崩解或长时间不再崩解时，视作崩解完成。试验流程见图4。

图4 崩解试验流程图

3 泥饼崩解敏感性分析

3.1 分散剂溶液及溶液体积分数对泥饼崩解性的影响

取边长5 cm的立方体试样进行不同溶液体积分数条件下的泥饼崩解试验。由纯水作用下的泥饼崩解试验结果(见图5)可知，泥饼试样的崩解曲线大致呈“S”形，经历崩解开始—崩解发展—崩解稳定3个阶段。试验开始后的12 min，泥饼试样几乎不崩解，且存在吸水增重现象；随着浸水时间的增长，试样崩解由开始阶段的细小颗粒脱离发展为成块剥落，甚至出现类似“滑坡”的小型整体滑动破坏，直至崩解完成。崩解过程水中产生大量气泡，未崩解部分较大且含水率较高，测定含水率约为18.91%，接近饱和含水率19.83%。试样最终崩解量约为0.74，崩解完成所需时间为59 min，崩解发展阶段的崩解速度多在0.005～0.035 min-1，崩解较为缓慢。

图5 纯水作用下泥饼的崩解曲线

分散剂主要作用于泥饼内部的黏土矿物颗粒，可削弱黏土颗粒之间的连接[22]。不同体积分数的分散剂溶液作用下泥饼的崩解试验结果如图6所示。可以发现，试样的崩解启动时间较纯水作用下明显缩短，崩解速度均在试验开始后的5 min内达到最大。对于六偏磷酸钠溶液，随着溶液体积分数的提高，泥饼试样的最终崩解量也相应增大，最终崩解量为0.94～0.97，基本可实现试样的完全崩解。但此崩解促进效果对应的溶液体积分数存在阈值，当六偏磷酸钠的体积分数超过4%后，提高溶液体积分数对于泥饼试样崩解的提升效果有限。

(a)硅酸钠溶液

但对于硅酸钠溶液，各体积分数对应的最终崩解量均低于纯水作用，且崩解量、崩解速度同溶液体积分数呈负相关。当体积分数超过8%后，泥饼试样几乎不崩解，这是因为硅酸钠与黏土中的高价金属离子(或在pH值低于9时)易生成硅酸钙镁沉淀或硅胶颗粒，会堵塞颗粒间孔隙并形成化学胶结作用[23]；同时，随着钠离子体积分数增加，水化膜变薄，黏土颗粒的水化能力削弱，泥饼崩解受到抑制。可见，分散剂溶液对刀盘泥饼的作用影响存在适应性差异，且与溶液体积分数相关。

3.2 泥饼尺寸对泥饼崩解性的影响

泥饼尺寸关系到崩解时其与溶液的作用面积，会对其崩解规律产生一定影响。取边长为3、5、7 cm的立方体试样进行泥饼崩解试验，试验溶液选用4%六偏磷酸钠。纯水作用下和六偏磷酸钠溶液作用下试验结果分别如图7和图8所示。

图7 纯水作用下不同尺寸泥饼的崩解曲线

图8 六偏磷酸钠溶液作用下不同尺寸泥饼的崩解曲线

由图7可知，边长3 cm的立方体试样的崩解量、崩解速度较其他尺寸试样有明显提升，最终崩解量约为0.91，最大崩解速度达0.09 min-1，崩解完成所需时间仅28 min，未崩解部分的含水率在17.5%～19%，接近饱和含水率。泥饼试样浸水后，水分的渗入会破坏泥饼表层结构，当颗粒间斥力大于引力时，表层土体将由渗透层转化为崩解层，渗透层则逐渐向泥饼内部扩散。当试样尺寸较小时，渗透层扩散较快，颗粒间的力学平衡变化剧烈，土体内部结构破坏严重[18]。随着泥饼尺寸增大，崩解层转化时间延长，当外部土体完成崩解时，内部土体已接近饱和，水分难以渗入泥饼内部，无法再形成新的崩解层，即崩解完成。

对于4%六偏磷酸钠溶液，泥饼试样的崩解量随着尺寸的增大呈小幅缩减，边长7 cm的立方体试样的最终崩解量较3 cm减小约10%，可见试样尺寸增大引起的内部含水率接近饱和的问题在分散剂溶液中依然存在。由于试样尺寸相较泥饼的真实尺寸要小得多，实际生产中若采用化学分散法处理刀盘泥饼，泥饼内部含水率因接近饱和而抑制崩解的问题仍旧是普遍存在的。若结合泥饼形成的预测手段(如刀盘测温系统)判断泥饼形成规模，通过现场应用效果来决定分散剂溶液注入时机，以尽量减小泥饼尺寸对于分散剂溶液崩解促进效果的影响，则可改善化学分散法处理刀盘泥饼的应用效果。

3.3 初始含水率对泥饼崩解性的影响

各地区刀盘泥饼的干湿情况各异，处理难度也不同。取边长5 cm的立方体试样，通过30 ℃恒温烘箱和水膜转移法，将其含水率控制在0%、2%、5%、8%、11%、14%、18%。纯水作用下和六偏磷酸钠溶液作用下的崩解试验结果分别如图9和图10所示。

图9 纯水作用下不同初始含水率泥饼的崩解曲线

图10 六偏磷酸钠溶液作用下不同初始含水率泥饼的崩解曲线

由图9可以看出，在纯水作用下，初始含水率小于5%的泥饼试样均能实现完全崩解，完全崩解所需时间随初始含水率的提高而延长。初始含水率为18%的泥饼试样含水率较高，表层结构的稳定性较差，浸水后表层迅速溃散，直接进入发展阶段；但由于其含水率接近饱和，最终崩解量仅为0.178。研究表明[24]，土体浸水后内部结构破坏作用的强烈程度与其吸水速度有关。对于非饱和土而言，其吸水速度与基质吸力相关，基质吸力等于孔隙气压与负孔隙水压之差。泥饼含水率较低时，水分渗入土体会造成孔隙水压迅速提升，孔隙内气体以气泡形式排出，基质吸力增大，泥饼试样的吸水速度增大，浸水后破坏作用也就越强烈。不同含水率泥饼崩解情况如图11所示。

(a) (b) (c)

由图10可知，在4%六偏磷酸钠溶液作用下，初始含水率小于11%的泥饼试样均能实现完全崩解，崩解速度在试验开始后的5 min内达到最大。为了整体反映泥饼试样在纯水和4%六偏磷酸钠溶液中崩解的快慢及难易程度，通过计算试样最终崩解量与最终崩解所需时间的比值得到平均崩解速度。不同初始含水率的泥饼平均崩解速度如图12所示。可以发现，泥饼的平均崩解速度随着初始含水率的减小而明显提升。在采用分散剂溶液浸泡处理刀盘泥饼前，若结合现场应用效果采取必要措施，将刀盘泥饼的含水率降至5%及以下，可有效提高泥饼处理效率。

图12 不同初始含水率的泥饼平均崩解速度

3.4 干湿循环对泥饼崩解性的影响

由前文研究可知，泥饼崩解性对失水非常敏感，烘干则显然会加快泥饼失水速度，且烘干温度越高，失水速度越快，岩土体内部结构性破坏越严重[18]。

为了研究烘干次数对于泥饼内部结构破坏的累加效应，取边长5 cm的立方体试样进行不同干湿循环次数作用下的泥饼崩解试验。泥饼试样通过水膜转移法增湿至20%的含水率，密封保湿24 h后，再由30 ℃恒温烘箱烘干至恒重，即完成1次干湿循环，循环结束后需将试样增湿至11%的含水率并静置48 h，方可进行试验。由于此作用主要在泥饼结构破坏本身，无关所用溶液，故仅使用纯水进行试验，试验结果如图13所示。

图13 纯水作用下不同干湿循环后泥饼的崩解曲线

由图13可以看出，经过干湿循环作用后的泥饼试样在纯水中也能实现完全崩解，所需时间随着干湿循环次数的增加而减少。当干湿循环次数大于2次时，试样崩解启动迅速，经历3次干湿循环作用，试样完全崩解仅需16 min，最大崩解速度接近0.1 min-1。但当干湿循环次数大于3次后，干湿循环次数的增加对于泥饼崩解速度的提升有限。

干湿循环过程中，泥饼试样反复失水、增湿。失水引起的不均匀收缩会使其产生微裂隙，增湿时这些微裂隙将自发地吸附水分子覆盖裂隙表面，产生楔裂压力[25]；随着干湿循环次数的增加，泥饼内部裂隙逐渐向纵深扩展，泥饼内部结构破坏加重，但当结构破坏到某一程度时，崩解效果则趋于饱和。考虑到干湿循环在常规盾构设备掘进中难以实现，若对刀盘进行适应性改进，在刀盘中心区域等易结泥饼位置增设加热装置，如焊接温控电阻丝、利用电热效应等，并经预设喷头对刀盘泥饼进行增湿，可在实际生产中实现干湿循环作用。

4 结论与建议

1)泥饼的崩解现象主要经历崩解开始—崩解发展—崩解稳定3个阶段。在分散剂溶液作用下，泥饼崩解启动迅速，崩解开始阶段可以忽略不计。

2)分散剂溶液对刀盘泥饼的作用影响存在适应性差异，且与溶液体积分数相关，崩解促进效果对应的溶液体积分数存在阈值。工程中若采用化学分散法处理刀盘泥饼，可通过室内崩解试验选出与工程相匹配的分散剂溶液。

3)泥饼尺寸的增大会导致其内部含水率接近饱和，使水分或溶液难以进入泥饼内部，进而抑制崩解。若采用化学分散法处理刀盘泥饼，建议结合泥饼形成的预测手段判断泥饼形成规模，通过现场应用效果来决定分散剂溶液注入时机，以尽量减小泥饼尺寸对于分散剂溶液崩解促进效果的影响。

4)初始含水率对刀盘泥饼崩解特性的影响显著，对于含水率较低的地层，可直接使用分散剂溶液处理；含水率较高的地层，建议结合现场应用效果，采取必要措施，将刀盘泥饼的含水率降至5%及以下，以提高泥饼处理效率。

5)干湿循环会加速刀盘泥饼内部结构破坏，随着干湿循环次数的增加，泥饼内部结构破坏逐渐加重，一般经历3次干湿循环作用，泥饼处理难度会有所降低。

本文通过自行改进的崩解仪，对原状泥饼进行了不同试验条件下的室内崩解试验，试验结果验证了分散剂溶液浸泡的泥饼处理方法的有效性。初始含水率的降低、干湿循环对于降低泥饼处理难度有积极作用，此过程涉及温度对于泥饼内部结构的影响，但尚未对此展开研究。因此，将在后续研究中对泥饼形成温度及处理温度的作用影响作进一步探讨。