防止复合式TBM在泥岩段掘进中刀盘结泥饼的技术措施

关键词：复合式tbm 砂质泥岩 刀盘泥饼成因预防措施 

中图分类号： tu74 文献标识码： a 文章编号： 

0引言 

近年来随着我国地城市轨道交通工程建设步伐日益加快，据统计目前国内已有20多个城市拥有城市地铁。使城市地铁施工的盾构、复合式tbm施工方法得到广泛的应用和推广。但如果出现复合式tbm刀盘结泥饼不能进行有效推进，就失去了复合式tbm快速推进的优势和进度要求。在复合式tbm的推进过程中由于各种原因如地层因素、推进参数设置不合理［1-3］、渣土改良不到位［4-5］导致复合式tbm在推进时刀盘被糊，达不到顺利出渣和有效推进的要求，本文针对复合式tbm刀盘结泥饼的成因进行分析和刀盘结泥饼后的处理措施、防治措施进行阐述。 

1工程概况 

重庆轨道交通六号线二期复合式tbm试验段蔡家段该段复合式三个tbm区间，分别为嘉陵江北桥头～曹家湾站区间、曹家湾站～蔡家站区间及蔡家站～向家岗站区间。其中【嘉陵江北桥头～曹家弯站～蔡家区间】两区间线路长3801m双线延长米。左右线各采用1台复合式tbm从蔡家站始发下穿曹家弯站掘进至嘉陵江北桥头，复合式tbm刀盘直径为6.28m，区间最大纵坡为24‰，最小转弯半径为650m。该段线路穿越的地层主要为泥岩（j2s-ss），局部夹砂岩（j2s-sm），图1为复合式tbm在蔡家站始发地质剖面图。所穿越的线路大多保持为原始山地地貌，地质构造简单，地势波状起伏，水文地质条件简单，沿线地下水主要为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水两类，局部地段勘察揭示局呈淋雨状。场地内中等风化砂质泥岩为微～弱透水层，砂岩为弱透水层。 

2010年12月6日中铁19#复合式tbm从蔡家站小里程右线始发，始发过程顺利，掘进通过曹家湾站，在2011年11月11日掘进至嘉曹区406环时，复合式tbm推进异常，推力逐渐增大、扭矩慢慢变小，渣土不能有效的排出、不能进行有效的推进，开仓后发现刀盘严重结泥饼，刀盘副条出渣口、刀箱基本被渣土糊死。见图2。 

2原因分析 

2.1施工因素 

主要从施工的各主要因素分析复合式tbm结泥饼的成因，如复合式tbm掘进参数（压力设定、推力、扭矩）、渣土改良、刀盘冷却水温控制、操作者的行为判断等施工因素来分析。 

（1） 渣土改良不好 

复合式tbm在泥岩掘进过程中由于渣土的改良不到位，导致渣土干硬、流塑性差，达不到复合式tbm排渣要求，极易导致结泥饼、渣土干结在土仓内。渣土改良主要是通过向刀盘的注水系统加水、注入彭润土、加改良剂（泡沬剂）和控制水压和风压的比例来控制渣土的流塑性。在施工过程由于施工人员经验不足现场判断失误，对加入的泡沬剂的浓度配比、注入压力和注入量控制不合适，导致渣土改良不好出现刀盘结泥饼。 

（2） 掘进参数设置不合适 

复合式tbm土仓压力设置不合理［6］，土仓内压力设定过高，导致刀盘切削下来的泥岩渣土不能够通过螺旋机排出，在土仓内堆积挤压，密实度越来越大，最终形成泥饼附着在刀盘上。 

推力是复合式tbm推进的主要参数，当推力较大，扭矩逐渐变小，泥饼可能正在或已经形成。当滚刀被渣土泥饼糊住不能转动时极易造成刀具的偏磨见图3。 

（3） 刀盘冷却循环水温度过高 

a 循环水温度过高，在35℃以上，循环水是刀盘冷却系统的主要介质，循环水温度过高易引起渣土的干结，刀盘在高速旋转后与周围土体摩擦生热，使土仓内温度升高，加速了渣土干结的速度。 

b 循水压力不足，导致刀盘冷却水的喷射出口被仓内渣土堵住；改良渣土的泡沬管出口被仓内渣土堵住，导致渣土得不到改良流塑性变差而结泥饼。 

2.2地质因素 

区间隧道主要穿越的地层为砂质泥岩和局部砂岩，属沉积岩层。岩层富含粘土矿物颗粒。在刀具切削和刀盘的撞击下，泥岩变成碎屑和粉未状，在不利因素下就很易结成泥饼。 

对区间406环以后易结泥饼段的每环渣土进行取样，用冲水称重和简单的筛分法，将筛余颗料进行称量，渣土取样见图4，来判断泥岩中粘土矿物颗粒的含量，以分析粘土颗粒含量与刀盘结泥饼机率的关系。从试验数据分析，可以看出：当渣土中的粘土颗粒、碎屑含量低于20%时，刀盘结泥饼的机率较小；当粘土颗粒、碎屑含量高于20%时泥饼发生的可能性大大增加［7］见图5。 

2.3复合式tbm刀盘、刀具设计因素 

复合式tbm盾构刀盘型式及选用不合理［8］，会导致刀盘结泥饼。① 本工程采用的是中国中铁自主设计的复合式tbm，中心区不够大，刀盘的开口率为34%；② 搅拌臂太少，设计为4个；③ 滚刀与刮刀刀具层次产不分明，高差小于20mm。深圳市福田区红荔路与上步路十字隧道局3153项目部 

3防止结泥饼的措施 

3.1泥岩渣土改良措施 

在复合式tbm穿越的砂质泥岩地层中，渣土中粘性矿物含量较高，易结泥饼段就必须进行特别的渣土改良。以降低土体间的粘聚力、减少土仓中土体压实结密的可能性、减少掘削土体与复合式tbm间的粘着力。提高渣土的软流塑状，保证土仓内压力稳定和排渣的顺场。在施工中及时观察所排渣土的情况，分析渣土中粘性矿物含量变化情况，及时调整渣土改良剂的比例，以减少土体的粘性度和粘着力。 

a 用漏斗法对土样的粘度进行测量，当粘度大于12 s时应注入泡沬剂和膨润土，以改良渣土的合易性，每环泡沬剂的用量在40～60l。调整泡沬剂、水、风比例为：（水97份+原液3份=1份溶液；1份溶液+20份空气=21泡沬）可根据渣土情况进行适当动态调整。b必要时对螺旋输送机内也要加入泡沫,以增加渣土的流动性,利于渣土的排出。 

3.2复合式tbm掘进参数的设定 

复合式tbm在粘矿物颗粒含量高的地段掘进时，为了减小土仓中土体压实结密的的可能性，土仓压力设定以理论为基础并适当降低，在本区间的易糊刀盘地层中，切口环压力设定为1bar左右，根据实际情况进行调整。在复合式tbm推进过程中摸索、分析泥岩地层、掘进速度推力据矩、渣土温度之间的关系，控制好推进参数，减少刀盘结泥饼的概率。 

3.3 快速连续施工 

复合式tbm要求连续、快速施工，长时间停机会导致土仓内渣土的流动性减弱、刀盘结泥饼的可能性增加；每循环1500mm，掘进时间超过3个小时，就加大了结泥饼的概率，而且根据本区间段施工经验，长时间的停机不但会引起刀盘结泥饼，也会导致复合式tbm盾壳被卡，恢复推进时脱困困难，曹蔡区间在右线里程ydk42+493.826就发生了复合式tbm盾壳被卡，因脱问题耽误了近一个有月施工时间，这样的经验教训是非常沉痛的。 

3.4 控制循环不温度 

循环水温度与刀盘的冷却有很大的关系，是刀盘冷却的主要价质，当夏季外界温度较高，循环水温高于35度，随着掘进时间延长，土仓内的温度很快会上升，因此必要时采取降温措施。如在复合式tbm上的循环水箱内添加冰块，并保证注入刀盘的循环水压力不低于2bar。 

3.4定期开仓清理 

定期开仓清理，定期进行开仓清理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，及时采取应该措施，对刀盘结泥饼可起到预防作用。当出现泥饼时应清理彻底包括土仓内的注水管路、泡沬管路、膨润土管路等。图6为泡沬管路被堵和疏通后的照片。 

结论与建议： 

在城市轨道交通施工中随着盾构施工法日益成熟，在刀盘结泥饼的问题上需要进一步研究。根据重庆轨道交通六号线二期复合式tbm工程嘉曹与曹蔡区间实际地铁施工情况总结出以下几点防止刀盘结泥饼的经验 

（1）在施工中复合式tbm掘进参数非常重要，在粘土矿物颗含量高于20%时，容易出现泥饼的地层中应注意土压力、推力、扭据及推进速等参数变化，并进行动态调整。 

（2）复合式tbm刀盘设计要合理，刀具的配置和刀盘的结构要优化，尽量采用开口率较大的刀盘，刀具配制的层次要分明。 

（3）需要复合式tbm操作人员熟练操作和值班工程师准确判断复合式tbm推进中出现的各种问题并及时采取有效的措施。 

（4）用于仓内土体改良的泡沬剂、膨润土和水的注入量、注入压力应选用合适，设备计量的精度应符合要求并应结合地层地质和排土状况进行动态调整。 

（5）控制土仓内渣土温度，防止土仓内温度过高，导致渣土干结、软流塑性减弱现像。