复合地层盾构刀盘结泥饼的三种过程及防治措施

林 正

(厦门轨道建设发展集团有限公司,福建 厦门 361007)

1 结泥饼的成因分析

在盾构施工中,刀盘“结泥饼”问题引发的施工安全、进度等问题始终困扰着盾构施工人员[1]。通过参数变化、掘进状态变化和渣土改良系统运转的变化,泥饼形成通常围绕这两个基本工况逐渐发展:1)因掘进或改良不到位造成中心区轻微结饼→管路堵塞→结饼发展。2)因注入压力问题或管路自身问题造成管路堵塞→中心区出现结饼迹象→进一步加剧管路堵塞和泥饼形成。不管是先结饼后堵管,还是先堵管后结饼,结泥饼的比较笼统的原因分析结果就是掘进过程中渣土没有得到有效的改良,在大推力的挤压过程中逐渐附着在刀盘表面的过程[2]。那么,为了不结饼,我们从渣土本身的性质来分析,把结泥饼的全过程还原,切实找到各个阶段的原因,才能针对性地制定改进措施。

2 形成泥饼的三种发展过程

针对施工过程中碰到的结泥饼问题,开仓研究结饼部位,逆向推导其发展过程,再结合参数变化和掘进状态变化正向进行拟合[3],这样通过大量数据和现场实际、图片资料对比把刀盘结泥饼的形式进行了归纳总结,主要有以下三种形式:

1)从中心区开口向内结泥饼。渣土首先在刀盘中心区开口处黏结,然后逐步向土仓内形成泥饼,泥饼形成方向及过程为中心区开口向内发展。

结合渣土改良实施情况的成因结论:刀盘中心区正面有两路喷口,一路泡沫、一路膨润土,因其管路堵塞造成中心区渣土冲刷不到位,中心区的小开口逐个被堵塞,在盾构掘进的大推力作用下逐渐向内发展,致使整个刀盘中心区被堵塞[4]。

2)从中心区牛腿向外结泥饼。渣土首先在中心区牛腿处黏结,然后逐步向外(刀盘)发展形成泥饼。泥饼形成方向为从内向外及周边发展。

结合渣土改良实施情况的成因结论:主要因其土仓内对渣土的冲刷不足,仓内渣土流动性不足,造成渣土在牛腿周边开始固结,逐渐向外发展,堵塞整个中心区。

3)从螺旋口上部向上结泥饼。渣土首先在螺旋口上部黏结,随后在土仓内向上发展形成泥饼。

结合渣土改良实施情况的成因结论:在螺旋口上部的渣土很容易堆积,尤其在停机过程中因其承受压力较大,其再次发生板结的可能增大,加之出土不畅和改良不到位等因素,逐渐堆积、固结,并向上发展[5]。

上述三种形式是土压平衡盾构掘进中结泥饼的主要形式,三种形式发生顺序不分先后,在盾构掘进过程中可能同时发生[6]。

通过这三种主要形式可以发现,泥饼的形成跟设备本身和改良系统的使用有密不可分的关系,由于设备(刀盘、牛腿、螺旋输送机)的存在,为盾构掘进过程中泥饼的形成提供了易附着点,并在易附着点附近逐步黏结发展。同时,土仓压力过高,导致切削下来的渣土不能顺利通过螺旋机排出,在土仓内堆积挤压,加之改良不到位,这种堆积的密实度越来越大,最终形成泥饼。

3 泥饼的防治措施

通过对三种泥饼形成过程的分析,泥饼的形成与渣土改良的关系极为密切,要做好泥饼的防治,重点需从加强渣土改良的方面来进行,现从以下两方面提出泥饼的防治措施。

3.1 设备微改造

渣土改良是通过盾构机的管路系统对开挖面和土仓注入水、泡沫和改良剂(泥浆、聚合物等)来改善渣土的性质,使其呈现出较好的“塑性流动状态”,这种塑性流动状态主要包括的含义为:1)土体不易固结排水;2)土体处于流塑状态;3)土体具有较低的透水率;4)土体具有较低的内摩擦角。

针对结泥饼问题,渣土改良可以从结泥饼内因的角度对其进行防治,面对不同的开挖面土质情况,通过水和改良剂的合理选用,使渣土各成分间利于结成泥饼的相互作用减弱,不易形成稳定状态的泥饼,以达到结泥饼问题的防治;从外因的角度进行防治,就是要针对性的对易附着位置进行针对性的处理,措施就是加强关键部位的冲刷,让渣土流动,不使其轻易堆积和挤压[7]。

在泥饼发展的过程中也着重提到,泥饼的形成从改良的实际效果来看与我们所采取的改良方式有着直接的关系,盾构机在设计时,已考虑到其自身的适应性问题,设计了完善的渣土改良系统。但是,在使用过程中也发现,这种设计有所欠缺,因此为确保关键部位加强冲刷对改良系统进行了微改造。

1)膨润土系统的微改造见图1。

改造前缺点:两路膨润土由一个挤压泵串联控制,容易出现管路及喷口堵塞,且不好判断堵塞位置,从而达不到保证一定的压力和流程向掌子面特定位置喷水来改良、冲刷切削渣土顺利进仓。

优化后作用:新增螺杆泵将两路膨润土优化为单管单泵控制,解决管路堵塞、堵塞位置及时快速查找、改良喷水压力及流量不足、冲刷改良位置不好确定等问题。能够改善、增大特定位置刀盘前方喷水量,配合泡沫系统保证切削土体顺利进仓,降低土体在刀盘面板前方堆积,久而久之出现面板结饼、开口堵塞的情况出现。

2)刀盘喷水系统微改造见图2。

改造前缺点:掘进过程中后方台车其他用水容易造成卸压,影响刀盘喷水流量及压力的稳定,导致刀盘背部土仓内渣土改良冲水不稳定。

优化后作用:更改连接盾膨挤压泵至刀盘喷水,专泵控制刀盘喷水系统,保证掘进过程中刀盘喷水压力、流程稳定,防止土仓内渣土堆积,排出不利,造成牛腿区域及开口渣土堆积堵塞现象出现。

3)主动搅拌棒喷水微改造见图3。

优化后作用:新增增压泵,连接三通:一路向台车膨润土箱供水,保证膨润土箱储水充足;一路向搅拌棒冲水,修正1号及3号搅拌棒顶端喷口斜向螺机口方向冲水,解决渣土在土仓内螺机口顶部堆积“盆盖”造成渣土排出不畅的问题。

3.2 改良剂的选用

复合地层在我们早期的认识中,认为硬颗粒与黏性颗粒在经水和泡沫混合、搅拌后有着较好的自改良效果,事实上我们在之前的复合地层掘进中也有过如此经过验证的工程经验。本文研究工况下易结饼的问题核心还是地层的不同,本次研究工况其地层的分布具有一定的特点,在刀盘中间位置始终有一层强风化岩层,其物理性质接近于黏土,不能呈土状进入土仓就会被磨成泥浆,加之岩层矿物成分本身就具有黏性从而能快速附着在刀盘上。

为了解决强风化岩层的附着问题和预防结泥饼,有必要选用具有分散效果的改良材料,如分散型泡沫、分散剂溶液等,能瓦解被挤压密实或固结渣土块的表面作用力,经水和泡沫浸泡后使其分散。通过对其内部机理的研究,可以委托专门的材料研究机构,配置适用于地层的分散剂溶液,并在实践中进行改进。

因此,复合地层的盾构掘进施工,除了泡沫的正常使用,在水中添加分散剂溶液有助于泥饼的防治。

3.3 施工注意事项

前文我们论述了结泥饼三种发展过程,并从设备微改造和材料方面进行了一些改进,那么在施工工艺方面,有必要重新形成一套完善的参数和施工工艺,发挥好设备和材料的性能。对施工过程的重点也有必要时刻注意,掘进工况的复杂性还需要施工过程中灵活控制。

1)掘进参数的合理设定及控制。a.土压力。随着土压平衡模式的建立,仓内的渣土会因为掘进快慢和出渣快慢的动态变化出现渣土密实度的动态变化,有必要维持掘进和出渣两个速度的动态平衡,避免仓内渣土密实度过高为泥饼形成提供条件。b.推进速度。在推进过程中应充分了解施工速度、盾构掘进改良参数、泥土温度之间的能量转换关系及其对泥饼形成的影响。控制好平稳、较快的掘进速度,意味着与之匹配的改良参数、出渣速度、渣土干稀程度要控制好,掘进速度是盾构的综合平衡指标,是掘进状态的集中体现。

2)快速均衡施工。盾构施工应快速、均衡,避免长时间停机。长时间的停机会导致土仓内渣土固结、流动性减弱、刀盘及土仓壁结泥饼的可能性增加;掘进速度太慢,渣土与刀盘、土仓壁的相互作用时间增长也容易结成泥饼;而且长时间停机,会造成渣土完全度过掘进时的高温、停机后受地下水影响的低温两个峰值,仓内土体会受温差的影响轻微收缩,有进一步结成泥饼的风险。

3)定期开仓、清仓。定期开仓可以较准确地掌握前方地层的地质状况和刀具的磨损情况,对仓内环境的直接观察最能验证渣土改良的成效;定期对刀盘和土仓环境进行清理,对刀盘结泥饼可起到预防作用,从掘进参数和掘进状态反应已出现较严重的结饼现象时,应及时开仓处置。

4)加强推进中对渣土的管理。对出土量、掘进行程等科学管理,不能因为“换斗”、拼装行程不够而刻意在不出渣状态下掘进,维持合理的动态平衡极为关键。

4 结语

盾构施工因其面对工况是不断变化的,密闭状态下的土仓环境施工人员也无法直接观察,面对时刻变化的掘进参数,盾构操作既是对当下的处理,也是对即将发生的预判,这就需要我们既有对工程的理性认识,也要有基于工程经验的感性判断,这也许正是盾构施工的魅力所在。

通过对复合地层掘进过程中出现的结泥饼的成因分析、问题的解决,使我们对复合地层的认识更深一步,在这个过程中分析结泥饼的内外机理,推导了其发展过程,也针对性地提出了解决方案,为类似工程提供了可借鉴的实例。