盾构隧道施工中刀盘泥饼的形成机理和防治措施A

1、盾构隧道施工中刀盘泥饼的形成机理和防治措施摘要复合地层盾构掘进中 ，盾构机刀盘结泥饼的现象是城市地铁隧道施工中的一个难题。从地层地质、盾构机自身设计制造及施工控制等因素对刀盘结泥饼的原因进行了分析，提出了防治泥饼的施工措施，为类似工程提供了解决此类问题的思路和途径。1刖日随着我国大城市人口日益增多和地面交通设施的负荷日益加重，地下空间的开发利用就成了广大城市规划设计人员关注的焦点，盾构工法也在城市轨道交通工程中被广泛采用。在广州、深圳等地区的泥岩和泥质粉砂岩地层中，盾构掘进施工常常会遇到刀盘结泥饼这一难题，它的存在关系到了掘进的安全性、设备的耐久性和施工组织的合理性。2 “泥饼”的形成机理图1

2、滚刀结泥饼图示泥饼（图1、图2）是盾构刀盘切削下来的细小砂土颗粒、碎屑在土舱内重新聚集而成的半固结和固结状的块状体，早在半个世纪以前日本的盾构专家就提出过这样的问题，并在实践中不断探索解决其方法。我国从上海打浦路隧道开始修建以来，盾构工程界也在不断寻求解决“泥饼”问题的途径。泥饼的存在加重了盾构机刀盘和刀具的负荷，常常使掘进参数出现 突 变，使 施 工 效 率 大 大 降 低。图2刀盘幅条和回转体处结泥饼图示3. 1泥饼的成因3. 1. 1 地层地质因素隧道穿越的复合地层多为全一强风化的泥岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩，这几类岩层富含粘土矿物颗粒屑和粉末状，这些碎屑粉末状的粘土颗粒是形成泥-仑区间隧

3、道的施工中，技术人员对结有，在刀具的切削和刀盘的冲击作用下，岩块变成碎饼的基础材料。在很多隧道的施工中，技术人员对结有泥饼的环段取砂土样进行试验分析，试验采用冲水称重和简单的筛分法。图3是泥饼生成与地层地质关系曲线，从图中可以看出：泥岩和泥质粉砂岩的粘土粒、碎屑含量低于20%时，泥饼生成机率很小 ；当粘土粒、碎屑含量大于 25%时，随着施工工艺和施工设备的不利因素组合，泥饼发生可能性增加。图3泥饼生成与地层地质关系曲线3. 1.2 盾构机的刀盘、刀具系统缺陷盾构刀盘和刀具设计制造缺陷会导至施工掘进中“泥饼”的产生，其成因如表1所示。从表中可以看出，刀盘中心区开口率是泥岩和砂岩地层盾构进中结泥饼

4、的重要因素，地铁采用的三菱、小松、海瑞克、威尔特等盾构机开口率多在33%38%之间，可以认为33%是保证少结泥饼的开口率下限值。刀盘内的搅拌棒及幅条型式、数量也是另一泥饼产生的因素。刀具布置不合理会导致切削下的砂土块度不均、滚刀磨损，进而降低掘进和排土效率，使其产生泥饼。表1盾构机刀盘、刀具缺陷导致泥饼生成原因一览盾构机部位泥饼生成原因 刀盘-中心区域开口率过小 刀盘-搅拌棒（包括主动、被动）数量少于6根（图4） 刀盘-刀盘幅条横截面呈方形，不够圆滑（图5） 土舱-土舱容积小于20 m3,砂土临时存放能力不足 刀具-刀盘刀具平面布置不合理，有切削不到的盲区 刀具-各型滚刀、刮刀布置高差小于 2

5、0 mm,层次不分明（图6）图4 土舱内主动和被动搅拌棒图示图5呈方型的刀盘幅条图示3. 1.3施工控制因素除地层地质和刀盘刀具设计制造缺陷外，施工过程中的操作者的行为也是刀盘结泥饼的一个不可忽视的因素，归结为以下几条(1) 未能正确判断复合地层下的盾构掘进模式在土压平衡模式时土舱内土压设定值过高，导致切削下来的土砂不能顺利通过螺旋机排出，在土舱内堆积挤压 ，密实度和密度越来越大 ，最终形成泥饼。(2) 掘进施工中砂土改良不到位为改善切削砂土的和易性(干稀度、流动性),通常在刀盘和土舱内加入水、膨润土和泡沫剂，泡沫剂是一种化学物质，它对砂土有膨化、润滑和降低附着 力的作用，对降低砂土和刀盘刀具

6、温度也起主要作用。施工过程中因经验和现场判断失误，对加入的改良剂的浓度配比、注入压力、注入量等掌握不准，导致砂土得不到很好改良，促成泥饼产生。(3) 盾构机械维护保养问题因系统冷却水温度偏高，或是刀盘高速旋转后与周围土体介质摩擦生热，使土舱内温度升高，对泥饼有 “烧结促成”作用。设置在刀盘面板上的注入孔时 常被堵塞，无法适时按量加入泡沫剂，砂土和易性得不到有效改良。3. 2泥饼生成环段掘进参数分析对结有泥饼的左线隧道598环主要的盾构掘进参数进行了统计分析，其结果如图7所示。图7 万-仑区间左线隧道 598环掘进参数曲线从图中可以看出，当掘进中出现“速度逐步降低、推力明显增大、扭矩逐渐减小”的

7、情况时，刀盘及刀具已开始结泥饼。泥饼的存在，对整个盾构掘进是不利的 ，对刀盘刀具有较大的危害：滚刀偏磨(图8)、刀盘钢结构受损(图9)、刀盘中心轴向后移位。图8磨偏的单刃滚刀图示图9加焊受损的刀盘幅条图示4防结泥饼的施工措施4. 1盾构机设计、选型方面的措施设计盾构机时，应选择适当的开口率 (特别是中心位置 ),尽可能实现土体进舱顺利；在土舱内设置土压力传感器，及时反映土舱内泥土粘附情况，预防“泥饼”的形成。刀盘内侧 (土舱侧)设有搅拌棒，盾构隧道施工中刀盘泥饼的形成机 理和防治措施随刀盘一起转动，可加速土体流动及对螺旋机喂料，减少泥饼的形成。4. 2盾构掘进施工中采取的措施(1) 粘性土地层

8、砂土的土体改良在粘性土地层中的土压平衡盾构施工区段，为了降低土体间的粘聚力、减少土舱中土体压实结密的可能性、减少掘削土体与盾构机刀盘及结构间的粘着力，应改善土体的和易性，保证土舱内土压力的稳定性和出土的顺畅。在施工过程中 ，应及时观察所排土体的情况，分析土体粘性和含砂粒比例的情况，及时添加适量的土体改良剂一泡沫，进行土体改良，以减小土体粘性度和粘着力。(2) 盾构掘进参数的设定在粘性土地层中的土压平衡盾构施工区段，土压力的设定以理论的土压力为基础，并作适当降低，具体可根据实际操作作调整。 但在施工过程中必须观测分析盾构穿越地层的特性，在推进过程中应充分了解施工速度、盾构掘进性能、泥土温度之间的

9、能量转换关系及其对 “泥饼” 形成的影响。控制好推进速度 ，减少“泥饼”产生的机率。(3) 土压力传感器的设置在土舱内不同高度设置土压力传感器，通过两个固定高度点的土压力差可测出土体的表观密度；在感觉有泥饼生成前应用500 X 10 -6 /700 X 10 -6漏斗法对土样的粘度进行测量，当粘度指标大于12 s时应在注入泡沫剂和膨润土方面加强，改良砂土的和易性。(4) 控制循环水温度严格控制土砂密封温度，其密封温度与刀盘的冷却程度有很大关系，循环水是刀盘冷却系统的主要介质。当外界气温高于 30C、隧道内通风系统的功能较差时，随着单环掘进时间的增加，土舱内的温度很容易上升，因此应控制冷却水的温

10、度，必要时需使用冰水。(5) 快速均衡施工盾构施工要求“连续、快速、稳定 ”，长时间的停机会导致土舱内土压逐步升高、流动性减弱、刀盘及刀具板结泥饼的可能性增加；掘进速度太慢，通常掘进一环(1 500 mm )需要3小时以上，生成泥饼的可能性也就增加了。(6) 定期开舱、清舱盾构施工中的开舱检查好比人的体检一样，要定期进行，而不是在出现病态后才采取补救措施。定期的开舱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，对刀盘结泥饼可起到预防作用，当检查出刀盘有泥饼粘着的情况时应及时、彻底清理。5结语在我国许多城市的地铁施工中盾构工法还不是十分成熟，在刀盘结泥饼这类问题上还需要进一步探索和研究。在隧道工程中总结出了以下几点防刀盘结泥饼的经验：(1) 操作者需要有熟练的操作和判断能力以及高度的责任心。(2) 盾构机的自身设计制造要合理，刀具的配置和刀盘结构参数需优化。(3) 用于土舱内土