粘土地层盾构机掘进

1、粘土地层盾构机掘进盾构机在粘土地层中的掘进，目前在国内外都还是一个技术难题。在广东LNG工程盾构穿越项目中，我们在盾构始发后，就遇到了粘土地层，不仅如此，掘进断面上半部分及超过十多米的覆盖层上全是粗砂和砾砂，而下半部分是残积的粘土。这样的地质断面水压大，透水性很强，砂层中极易发生超挖和欠挖导致坍塌，在工程技术上几组技术参数相互矛盾：1、要求泥浆指标高，要保证适当的粘度、比重、失水，保持足够的护壁性能，但是粘土特别是残积性粘土，自身有很强的造浆性能，很容易黏附在刀盘内形成泥饼，独塞进渣孔和刀孔，导致刀具的偏磨。2、结构松散，自稳性差，很容易却削和携带，不需要切削仅通过泥浆抽吸就能大面积脱落，但粘

2、土结构致密，自稳性强，很难形成大块却削；针对实际地质情况和设备情况，我们主要采取了以下一些措施。一、盾构机刀具配置根据目前的刀具配置不适合粘土层隧道掘进，刀盘刀具布置图如下所示：刀盘布置示意图针对粘土、砾砂混合地层，这种刀具配置不适合，开孔率太小，并且滚刀间的缝隙比较小，容易造成堵赛，刀具不能自转，容易产生偏磨，进而损坏刀体；另外由于粘土中含砂量高，刀孔堵塞后，刀具在自转过程中被包裹在刀圈周围的泥砂磨损，而且磨损速度快，特别是刀圈的两侧，越磨越薄，最终导致刀具完全磨损。如下图所示。刀具发生偏磨刀具均匀磨损因此在粘土地层中掘进拟采用先行齿刀替换双滚刀，这种先行齿刀自身不转动，只能作微小的摆动，有

3、效的防止了因刀具自转而产生的磨损，又能有效的切割软土，中心滚刀亦采用线形齿刀代替，如下图所示：替换滚刀的线型齿刀中心线型板力采用先行齿刀能有效切削掘进面，并且增加了刀盘的开口率，防止在刀盘中心部位形成泥饼，减少刀盘被堵的几率，能明显提高掘进速度。针对本盾构设备的刀盘，拟对中心刀1#4#,双滚刀5#10#都采用先行齿刀替换，保留外圈的保径滚刀。二、泥水喷嘴配置在粘土层中掘进，要防止粘土堵塞刀孔和刀盘，则需及时地把切削下来的磴料排出，防止因排出不及时而形成泥饼，这就需要泥浆在刀盘里产生环流，以便及时有效的排出磴料。但M606盾构设备没有泥浆喷嘴直接进入刀盘前面，无法有效形成环流，青色管路为后增加进

4、浆管路，如下图所示：糠管路示意圉针对这个问题，经过和海瑞克技术人员磋商，决定增加两路3寸泥浆管进入刀盘前，如上图青色管路所示，但经过一段时间试验，发现效果比不理想，由于管径所限，进入刀盘前的泥浆非常有限，起不到冲洗刀盘的效果，无法根本解决问题。由于目前不可能停止掘进，来彻底改造泥浆管路，所以目前只能是采取停机后多循环的方法来减少刀盘被堵的几率。三、泥水处理系统本工程泥水系统采用二级泥水处理。采用一台宜昌黑旋风工程机械有限公司生产的ZX-500泥浆处理系统对泥水进行分离，其最大处理能力3500m3/h。处理的过程为：由排浆管排出的泥浆进入ZX-500泥浆处理系统，利用震动分离筛将泥块、碎石进行首

5、次分离，由振动筛分离出来的泥浆，进入泥水分离旋流器内，进行循环分离，分离粒径45仙m以上的砂土，分离器分离出来的泥浆，进入泥浆池中进行循环使用。由于粘土中的含砂量特别大，经过泥水分离设备分离后含砂量仍然能达到1%左右，对泥浆的比重影响比较大，另外泥浆中的砂对刀具的磨损特别严重，在掘进到一百米的时候，旋流器就被磨穿了，内衬材料被磨损变形，直接影响旋流器的分离效果，如下图所示。旋流器磨损对此我们加工改造了沉砂嘴，口径由原来的25mmt曾加到35mm以增加旋流器的分离效果。另外由于含砂量大，对旋流器的磨损也特别严重，影响泥浆的分离效果，我们调研了旋流器生产厂家，经过双方磋商后，对旋流器内衬选材进行调

6、整，由原来的聚氨酯内衬改为新型的KM复合材料，并把沉砂嘴材质由原来的聚氨酯材料更换成高铝陶瓷材料，增加旋流器的抗磨性能，提高泥浆的分离效果。采用二级处理的主要目的是控制泥浆的粘度和含砂率，控制泥浆的比重，防止过多的粘土、砂粒溶入泥浆中，降低泥浆的比重，减缓刀具的磨损程度，提高泥浆的使用周期，减少废浆的排放。四、膨润土的选择为防止粘土水化糊死刀具，增加泥浆的输送能力，特采用易钻(Hydraul-EZ?),它是一种高造浆率,经过特别化学处理的200目钠基膨润土，它具有如下特点：1、 混合快速；2、 高浓缩、高造浆率；3、 极佳的悬浮输送钻屑能力；4、 作用时间长，混合后可长时间保持泥浆性能稳定；5

7、、 可形成薄的、致密的滤饼层以防止泥浆漏失；6、 可最大限度的保持钻孔的完整性；7、 可消除粘土的水化膨胀、胶结黏附，防止钻具糊钻；这种澎润土针对粘土的水化增加了一些添加齐L来抑制粘土的水化，防止粘土与水胶结，产生泥饼、泥团，能有效的保护刀盘和刀具不至于被粘土糊死，保证掘进的速度。另外为消除粘土的水化膨胀，亦可在澎润土中添加外加剂-万用王(Insta-Vis?Plus),不仅能够抑制水花作用，而且还可以起到润滑作用，以降低刀盘的扭矩值。同样可以提高掘进速度。在掘进中有大量的切屑下来的粘土颗粒溶入泥浆中，泥浆粘度上升很快，往往在掘进一两环后就必须排掉部分泥浆，然后加入清水，然后再检测泥浆的各种性

8、能参数，适当添加一下外加齐L来保持泥浆的失水率、切力等。废弃泥浆则排入废浆池，然后又船运往废浆处理厂处理。五、掘进参数的控制由于切削下来的粘性土与泥浆、地下水混合后，形成粘性很大的泥团，容易粘连在整个刀盘上，使滚刀无法转动，并导致掘进速度大幅下降，甚至还有可能造成大刀盘频繁发卡，如下图所示，极大的影响盾构机切削能力，降低掘进效率。施工中应注意以下问题：1、在掘进过程中，一定要加强对地上地下设备参数的监测，经常切换刀盘转向，并切换泥浆喷嘴，保证泥浆对整个刀盘面都进行有效的冲洗，另外掘进完成后不要立即停止泥浆循环，而应利用泥浆循环对刀盘进行冲洗，尽量排空刀盘里的土体，并且每间隔23环，利用高压清洗

9、管和高压水泵对刀盘面进行冲洗。2、加大进排泥浆流量，泥浆进排量控制380m3/h400m3/h,以便清洗刀盘和及时将渣料排出，尽量避免刀具被粘土糊住，刀具发生偏磨，进而磨损刀盘刀盘中形成泥团3、掘进过程中，严格控制泥浆的各种性能指标，包括黏度、切力、密度和失水率，性能指标为：泥浆密度1.051.15g/cm3;泥浆粘度3545s（马氏漏斗粘度）；30min滤失水量15ml;屈服值1525Pa。最好使用低粘、低切、低密度、低失水的泥浆，并添加万用王等添加齐L来抑制粘土水化，减小摩阻，降低刀盘扭矩。4、在粘土层等软地层中掘进要密切注意干砂量的变化，掘进速度要根据干砂量的变化来调整，防止出现超挖和欠挖。如果开挖土量超过盾构机掘进过程中实际应开挖量，就会出现超挖，引起地层沉降；相反，如果开挖土量少于盾构机掘进过程中