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1、2011年6月第12卷第2期June. 2011Vol. 12 No. 2长沙铁道学院学报（社会科学版）泥水平衡盾构机刀盘泥饼形成机理及防治技术陈乔松打刘篦智'，杨军宁2 ,雷金山2（1 广州市地下铁道总公司建设总部，广东广州510380；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075）播 要：盾构机在中、强风化岩和粘土地层的掘进过程中挖掘面的粘性土体受到刀盘的碾压极易自刀盘中心位置向四周 逐步在刀盘面和土仓内燮上形成附着的泥饼，坚咬的泥饼将会把刀盘开口堵寒尸重降低了膚构机提进能力；泥饼的存在加重 膚了构机刀盘和刀具的负荷，常常使掘进参数出现突变大大降低施工效率；此外，当刀盘泥饼与土仓
2、中隔板的长时间摩擦会 导致中隔板等位置的温度快速升高从而引起回转中心橡胶密封件性能的下降，威胁盾构施工的安全本文根据广州轨道交通 六号线某标杖世盾构施工情况，开展对泥水f衡膚构机泥紡形成机理和处治枝术进行研究，取得明显的效果。关键词：地挟施工；盾构区阎；泥水平衡盾构机；粘土地层；刀盘泥饼；形成机理；防治技术技术2142011年6月第12卷第2期June. 2011Vol. 12 No. 22142011年6月第12卷第2期June. 2011Vol. 12 No. 2收稿 F1 期：2011 -04-21作者简介:陈乔松（1969 - ） 男，岛级工程师，硕上。随着城市高速的发展地下轨道交通建
3、设也飞速发展宵 构施工技术在城r|j轨道交通建设中的应用也越来越广泛给 地F工稈施匸带来了极大便利。但盾构机在中、强风化岩和 粘七地层的掘进过程中挖掘面的粘性土体受到刀盘的碾压, 极易自刀盘中心位垃向四周逐步在刀盘而和土仓内壁上形成 附着的泥饼坚便的泥饼将会把刀盘开口堵塞严亀降低了盾 构机掘进能力。但在盾构施I：中往往受场地和地质条件的 制约不能采取人工开仓淸除泥饼的处理措施。但是土仓内 一旦形成严重泥饼将引起泥水盾构机上仓圧力的频繁波动, 不利于地面沉降的控制。在富水地层中，容易诱发土压平衡 盾构机喷涌现象甚至发生地面塌方和盾构机损坏。此外刀 盘泥饼与土仓中隔板的氏时间漳擦会导致中隔板等位置
4、的 温度快速升高从而引起冋转中心橡胶密対件性能的F降威 胁盾构施工的安全。因此盾构施工的泥饼问题是厉构法施工 较域内的一大难题所在，因此研究盾构防泥饼的技术具有深 远的意义。泥饼是盾构刀盘切削下来的细小砂土颗粒碎解在土仓 内輩新聚集而成的半固结和固结状的块状体泥饼的存在加 更盾了构机刀盘和刀具的负荷當常使掘进参数出现突变大 大降低施效率。早在半个世纪以前日本和欧洲很早就就 提岀过这样的何题并在生产实践中不断探索解决的方法。一 泥饼形成原因在盾构掘进屮容易形成泥饼的地层有可级.硬須状的地 层、粘土质砂土地层、泥岩、泥质粉砂岩、母岩为花岗岩的残积 土层、全风化岩层和强分化料层这几类岩层富含粘七矿物
5、颗 粒,在刀具的切削和刀盘的冲击作用下岩块变成碎眉和粉末 状这些碎屑粉末状的粘土頼粒是形成泥饼的基础材料和前 提条件。盾构刀盘和刀具设卄制造的缺陷诱导施匸掘进中“泥 饼”的产牛，如刀盘中心区开【1率小、刀具线速度低是泥岩和 砂岩地层馬构按进中结泥饼的直要因索；刀盘内的搅拌棒及 禍条型式、数虽是泥饼产牛.的另一因索。同时刀貝布置不合 理会导致切削砂土的块度不均、滚刀陳损，进而降低捌进和排 土效率导致泥饼产生。除地広地质和刀盘刀具设计制造缺陷外施工过程中的 操作行为也是刀盘结泥饼的一个不可忽视的因索如未能正 确判断芨合地层下的盾构搠进模式盾构撼进各种参数及直 不合理;掘逬施工中渣土改良不到位（土压
6、平衡盾构）或泥 浆性能参数不合理（泥水平衡盾构）；盾构机械维护保养存在 问题部分设备功能不能充分有效利用。二.泥水平衡盾构结泥饼的防治技术本文根据广州轨追交通六号线某标段的盾构施工悄况, 仅对泥水平衡盾构机泥饼形成和处理进行分析和研究。（一）泥水半衡曆构机的工作原理星本工作原理是通过支撑环前而装置隔板的泥水舱中注 入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥般，支承正面土体并 由安装在止面的大刀盘切削上体表层泥膜即泥水对掘削面 上的土体作用有-定的压力（与推进力对应），该压力称为泥 水压力。切削土体与泥水混合后，形成岛密度泥浆然后由泥 浆泵及背道把泥浆输送到地面处理。在泥水舱内和拿子面间 建立泥水平衡是
7、泥水盾构机掘进的根本要求，另外由于盾构 掘进过程中采用管片背填同步注浆（双液浆或单液浆）方式 来填充管片与围岩的间隙从而达到减小地层沉降限制管片 位移和变形，提高结构稳定性加强隧逍防水性能的冃的。如 此不断循环完成掘削排土、推进因为址泥水压力使掘削面 稳定半衡故称为泥水平衡盾构。在该馬构区间施工中采用 2台日本三菱泥水平衡盾构机进行施匸.管片背填同步注浆 采用双液浆。（二）工程概况此盾构区间穿过的全风化带、强风化带、残积土层、冲洪 积土层所占比例接近21%,其中全风化带、强风化带岩性大部 分为泥质粉砂岩泥钙质胶结具遇水软化特点残积十层亦 具冇遇水软化待点该地层粘粒含虽较岛大部分为粉质粘 土待别
8、定残积土层、强风化带泥质粉砂岩地层，易结泥饼。 其中左线盾构机因提前进入了上述地层未能及时采取增强 土仓内循环等相关措施风化泥质粉砂岩地层遇水软化和刀 盘掘进挤斥形成泥团堆积固结后将力盘及刀盘牛腿包表致 使刀盘出现空转鳳逬效率低下掘进速度由原来8 - 10环/d 卜降到2环/&但丙隧道匕方覆土为淤泥质粉细砂等软弱地 层且含水相当丰富.透水性极强，不具备丿F仓和化学处理条 件°嚴终在盾构机前方从地面预先施做了加固体在炳构机 进入加固体后进行了开仓处理。（三）防治措施虽然盾构法施工的应用时间已经较长，刀般发生结泥饼 何题一宜都足盾构法施工中的一大难题。但至今也没有一 种能够彻底消
9、除盾构泥饼发生的技术方法。在施工技术上更2142011年6月第12卷第2期June. 2011Vol. 12 No. 2214多的是各个施工单位结合自己积累的施工经验进行分析研 究主要集中在对泥水性能的控制和盾构掘进参数的控制选 择上。在对已形成的泥饼处理方面主要还是采取人工开仓 消除等方式。1 盾构机设备改造泥饼是在掘进过程中，泥质粉砂岩地层遇水软化和刀盘 掘进挤压形成泥团堆积附若在刀盘及刀盘牛腿上不断確圧 后形成的。因而增强土仓内循环的能力降低粘土的附看对 减轻盾构泥饼的形成有非常重要的作用。结合泥水看构机环 流系统的待点设计了一套土仓内循环装置该装程能同时进 行刀盘注水和对刀盘中心开口处
10、送入循环泥浆(见图1)。该装置的旋转管前端与刀卷连接，中部孔与刀盘注水通 道相通固定支座安装在盾构机中隔板上后端与循环余的送 泥管相连。在旋转管内设登的隔板将管内分成购个隔离的 内腔。循环泵将循环泥浆泵送至后腔经过Y里管注入刀盘中 心两侧。从而点接冲刷刀盘和增大循环流戢。通过调节泵的 转速来获得合适的泥浆流域。而另一路高圧自来水通过注水 管及冋转接头和水背进入旋转軒前胶再到达中心开通过刀盘中心位腎注入大流最的御环泥浆直接冲刷刀 盘，冲掉尚未形成的泥饼，增大内循环流董，及时把切削下来 的粘土带走阻止土团的相互粘结和研磨，从而不易结泥饼。 不但所泵入的循环泥浆可以增加切削土体流切性丽且注入 的岛压
11、白来水可以进一步稀释泥浆粘度提高盾构机排泥的 输送能力。有效防止盾构机丿J盘面泥饼的形成。同时在盾构机土仓中隔板中部适当位冒堆加布设搅拧 棒以增加沦上流动性。也可以在一定程度上降低泥饼形成 的速度。调整刀具配置增加刀具商度差拉开各类切削刀具的奇 度差等方式如采用的贝壳刮刀样岀刀盘140mm.外圈滚刀奇 出刀盘140mm.为开挖面破除F来的磧土留出足够的岀硫空 间可冇效减少渣土在刀盘中心滞陷的时间，减小盾构机掘进 时挤压粘十形成泥饼的速度。2.严格控制环流泥水性能参数这是非常关键的因索泥水盾构机在中、强风化岩和粘土 地层的掘进过程中，必须及时用低比亜优质泥浆盘换七仓内 髙粘性土 防止土块在刀盘和
12、土仓附近堆枳保证刀盘开口处 通畅。因此耍选择适合泥浆指标并进行严格控制。(1) 掘进过稈丰严格控制泥浆的各种性能指标包括粘 度、密度和析水率等。根据中、强风化岩和粘十.地层岩土待 性通过对隧逍洞身地広的抽芯十样进行实验，选取使用参数 适合的低粘度、低密度.低失水性的泥浆。(2) 根据实齡结果泥浆指标应控制为：密度1.05 - 1. 15"cmS粘度18-20%在掘进初期往泥浆内添加润滑剂 (如I：业洗涤剂)可以冇效减少料石粉末和土层中的粘上附 君在刀盘或12经形成的泥饼上的儿孥井RnJ以化解初步形 成的泥饼。(3) 掘进过程中泥浆会因渣上的溶解，引起泥浆粘度和 比重的快速上升导致循环
13、泥浆渣土携帯能力的严雨下降，容 易造成帖上团滞出在刀盘及土仓内。因此在盾构掘进的过 程中要及时进行泥浆指标的实验，必要吋每5min就碍监测 一次。根据泥浆情况通过泥浆处理设备排浆和连续加注清 水的方式稀释粘稠的高浓度泥浆。3控制盾构掘进参数和环流系统的配置及操作加强对盾构掘逬参数的观察，注意刀盘扭矩推力的异常 变化。在掘进期间，保持循环乗和刀盘防泥饼装置对刀盘不 间断的泥浆循环和对刀盘不间断的冲洗同时结合刀盘中心 注水系统的使用。掘进完成后继续进行泥浆循环，尽量排空 刀盘及土仓内的浹土，防止具大誡的附着。加大送排泥浆流址。掘进过稈中避免采用逆循环推进 模式确保切削下的渣土及时得到排出，尽敲避免
14、刀盘进土口 和土仓内渣土的粘结。盾构机掘进速度不宜趙过20mm/min,在刀盘扭矩不大的 悄况F,可以适当加快刀盘的转速减少大块粘土产生的数 tto此外刀盘旋转切削时要经常进行正反向切换不要长 时间在同一方向旋转。掘进时要密切注意出渣啟的变化，当发现出渣粗异常域 少时要及时采取对土仓和刀盘实施循环清洗。在掘进过程 中毎掘30cm清洗一次土仓防止土仓内结成泥饼。对土仓隔 板的温度也进行人丁随时探测°调整环流中继泵的设鑫距离根据掘进地层的地质情况 及可能出现的泥浆流体性状及环流中继泵的性能随若隧道 线路的延长调整环流屮继泵的布置距离，从而获得最佳流体 输送效率。4刀盘泥饼在不开仓情况下的
15、消除对于轻微的泥饼现象可以用泥浆或髙压水清洗刀盘。 同时高速空转盘，借助泥饼自身的离心力脱离出刀盘的表 面。使用业除垢剂或者漂白剂破坏粘土土质性状通过刀 盘注水或清洗系统将注入工业除垢剂或者漂白剂注入刀盘 处。在经过一段时间浸泡后,转动刀盘搅拌，经过搅拌。可显 著瓦解刀盘表面泥饼的结块情况。5 开仓清除刀盘泥饼在地质条件好的地方比较容易实现气压或者常压开仓. 人丁进入采取高斥水切割或者其它机械方式实施清除。由于 泥饼是经过长时间挤压受热后形成岐度极大需些较长的清 除时间。而住地质较软，或者偏水地层中进行人工开仓清除 泥饼，安全风险就比较大而且准备的工作多时间长。必要 时还必须在地面加固配介的条
16、件下才能进行费用也髙。因 而人工开仓淸除泥饼具有局限性和较大的安全风险。三、结论1 在有町塑、硬勿状的地层进行盾构掘进中容易形成泥 饼当富含粘土矿物颗粒在刀具的切削和刀盘的冲击作用 下，岩上碎用粉末状的粘土颗粒是形成泥饼的基础材料和前 提条件。2.在盾构机设计制造阶段对盾构机结构和系统进行改 进，如加大刀盘中心开口率改进泥水盾构机环流系统配置， 改善土仓内循环的效果可有效防止泥饼的形成。3 根据实強结果选择合适的泥浆参数甚至可在泥浆中 添加工业洗涤刑等物质作为润滑剂以极人降低粘土间相互 结合的能力。4 加强盾构掘进施T.管理严格控制掘进参数做好环流 系统的配盘根据盾构掘进地层的不同地质悄况及时
17、调整操 作方式。参考文献：1周文波盾梢法廉進施工技瑕及A用M北京：中四定筑工业出 版社.20042J程死用构施工技上海：上海科学技术文献出版社，1990.(3 竺维彬鞠世他.盾构施工泥饼(次生岩块)成因及对3HJ.地仪 科技.2002刘纯智富金山.广州地伙淤砂层明揑区何囲护工程涌水涌砂分 析与处治技札J 长沙佚追学咙学报(社会科学版)，2009,(2)： 199-201.215泥水平衡盾构机刀盘泥饼形成机理及防治技术万方薮据作者：陈乔松，刘德智，杨军宁，雷金山作者单位：陈乔松刘德智（广州市地下铁道总公司建设总部广东广州,510380），杨军宁，雷金山（中南大学土木工程学院湖南长沙,410075）刊名：长沙铁道学院学报（社会科学版）英文刊名：Journal of Changsha Railway University(Social Science)年，卷（期）:2011,12(2)参考文献（4条）1. 周文波盾构法隧道施工技术及应用20042. 程晓盾构施工技术19903. 竺维彬;鞠世健盾构施工泥饼（次生岩块）成因及对策20024. 刘德智;雷金山广州地铁淤砂层明挖区间围护工程涌水涌砂分析与处治技术2009（02）引用本文格式：陈乔松.刘德智.杨军宁.雷金山 泥水平衡盾构机刀盘泥饼形成机理及防治技术 期刊论文-长沙铁道学院学报（社会科学版）2011（2）