高效黏土剥除剂在解决盾构刀盘结泥饼问题中的应用.pdf

Intelligent Building and Construction Machinery智能建筑与工程机械2023年 8月Aug 2023第5卷 第8期Vol.5 No.80引言盾构掘进过程中，随着盾构机总推力逐渐增大，刀盘扭矩趋于稳定，逐渐会出现掘进速度慢、无进尺、出土量不易控制、渣温高、盾构机基本处于原地空转刀盘状态、推进时间长等问题。盾构在高负荷运转情况下，设备及环境温度不断升高，就会引起刀盘油温报警，内循环水温度居高不下，设备故障率明显增加，掘进功效下降。刀盘切削土体，渣土滞留在刀盘与掌子面之间，黏附在刀盘上，在高温和挤压条件下，刀具逐渐被泥饼糊住，刀盘开口率降低，出现刀盘结泥饼现象，导致掘进困难。若长时间在这种条件下强行进行推进，将会导致刀盘刀圈及刀具变形、磨损，增大施工风险1。具体如图 1 所示。黏土剥除剂是一种盾构施工用渣土改良剂，一般应用于黏粒含量高、土体黏结性大、附着力强的盾构施工渣土改良过程中。其渗透进渣土内部，将结块的黏土土体进行快速的分散和分离，剥离附着在刀盘上的黏泥胶团，从而实现剥离盾构刀盘泥饼的作用，避免了盾构结泥饼后的带压开仓作业风险，有效提高了施工工效。1案例工程概况某地铁出入段线区间盾构隧道施工，出段线接收段位置，连续下穿 6 户房屋，房屋为二十世纪九十年代建造的砖砌房屋，采用条形基础，基础埋深 1 2.5 m。收稿日期：2023-03-20作者简介：李灏（1986），男，福建南平人，本科，工程师，研究方向：城市轨道交通。高效黏土剥除剂在解决盾构刀盘结泥饼问题中的应用李 灏1，赖泉昌2（1.厦门轨道建设发展集团有限公司，福建 厦门 361000；2.中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000）摘 要：在复合地层盾构掘进过程中，地层黏粒含量大、刀盘发热量高，盾构机刀盘容易结泥饼，从而导致盾构机高负荷运转、推进速度慢、设备故障率上升、功效大幅下降等一系列施工问题。以某地铁出入段线区间隧道为例，从地层特性、水文条件、掘进参数、渣土采样等方面进行系统分析，采用高效黏土剥除剂对盾构机刀盘进行泡仓处理，有效改善刀盘结泥饼问题，旨在为后续类似工程项目提供技术参考。关键词：盾构施工；刀盘泥饼；剥除剂；技术要点中图分类号：TU586.3文献标识码：A文章编号：2096-6903(2023)08-0052-03工程机械与智控该段隧道为平曲线 R 为 250 m 小转弯半径，覆土厚度为 6.82 8.75 m，相近于 1 倍洞径的浅覆土，其中 4#、5#、6#民房范围内存在上软下硬地层。该段地下水按赋存方式分为第四系松散层孔隙水、孔隙-裂隙水和基岩裂隙水，且全年降水量充足。接收段洞身经过的土质为淤泥夹砂、（含泥）中细砂、中风化熔结凝灰岩，图 1 刀盘结泥饼现象图图 2 案例工程区间隧道 400-485 环工程地质情况图2023年 第8期 53 表 1 正常掘进段施工参数图 3 螺旋机出闸口渣温测量图图 4 高粘膨润土等压置换渣土图表 2 参数调整掘进段施工参数表 3 参数变化掘进段施工参数土仓压力/kPa总推力/t扭矩/(kNm)速度/(mm/min)1.2 1.41200 15001600 220035 55土仓压力/kPa总推力/t扭矩/(kNm)速度/(mm/min)1.0 1.21600 21002500 420035 45土仓压力/kPa总推力/t扭矩/(kNm)速度/(mm/min)0.95 1.052150 22504400 460010 15如图 2 所示。2泥饼形成过程2.1 正常掘进该区间出段线盾构掘进 350 380 环，隧道主要处于（含泥）中细砂、淤泥夹砂地层，施工参数无较大波动，基本稳定，功效良好。正常掘进段施工参数如表1 所示。2.2 参数调整当掘进 380 420 环时，盾构即将进入穿越房屋掘进段。为此将此段设置为试验段，盾构掘进中长时间采用满仓土模式掘进，渣土改良主要为高粘度膨润土，在确保地层无沉降的情况下，适当降低了控制土压2。参数调整掘进段施工参数如表 2 所示。2.3 参数变化当掘进至 421 423 环时，地下水显著增多，螺旋机有喷涌的情况，无法控制出土量，刀盘前方和盾体附近可见轻微沉降。参数变化掘进段施工参数如表 3所示。在正常掘进阶段，渣土温度为 30 35，参数变化后由于掘进速度过慢，导致掘进时间增长，渣土温度也随即不断升高，螺旋机出土口渣土温度高达40 45（见图 3）。2.4 泥饼形成技术人员经过分析判断认为有结泥饼现象存在，且正值穿越房屋掘进段，随即召开研讨会议，及时向各参建单位汇报盾构掘进参数情况。根据上述掘进参数及渣样进行分析，土层地质情况发生变化，渣土中含砂量达到 90%以上。土层含水量明显增加，螺旋机出现喷涌现象，土压力和出土量难以控制，总推力和刀盘扭矩骤变，掘进速率减慢，土仓温度迅速升高，存在加速刀盘结泥饼风险3。综合以上现象，现场技术人员及专家学者一致认为刀盘已经结泥饼。3高效黏土剥除剂泡仓处理步骤第一，为避免停机期间地面沉降导致房屋开裂，选择房屋之间地面空旷位置对盾构机刀盘进行泡仓处理。第二，采用高粘膨润土（见图 4）将盾构机土仓内渣土进行等压置换，置换 1/2 渣土。待置换完成后，将膨润土罐清洗干净，倒入 BT-S 高效黏土剥除剂溶液，向土仓内一次注入剥除剂溶液 2 t，对刀盘进行浸泡泥饼处理。第三，浸泡时间为 12 h，浸泡过程中每小时转动刀盘 540，确保刀盘各部位浸泡到位。第四，处理期间，盾构驾驶员严格控制土仓压力，并做好停机参数记录，地面安排专人进行巡视，每 2 h进行地面监测，并分析上报监测数据。第五，待泡仓完成后，不急于启动推进模式，将刀盘转速控制在 1.4 1.5 r/min，反复正反转刀盘，将泥饼从刀盘开口处甩出。采用高粘膨润土将盾构机土仓内渣土进行等压置换，观察螺旋机出闸口，待渣土中泥块含量较少时恢复掘进。恢复掘进后，施工参数明显得到改善，推力逐渐降低，推进速度提高。第六，后续掘进过程中向刀盘掌子面注入泡沫剂、膨润土及其他改良剂对渣土流塑性及和易性进行改良，李 灏，赖泉昌：高效黏土剥除剂在解决盾构刀盘结泥饼问题中的应用智能建筑与工程机械 54 第5卷避免类似情况再次发生。4后续防结泥饼措施在采用高效黏土剥除剂清除刀盘泥饼后，后续同类地层掘进过程中，需采取相关措施如下：需要在土仓和刀盘面板前适量加大高质量泡沫剂的注入，或混合膨润土浆液，进而改良土体的塑性，使渣土顺利外排。在地层相对稳定的区段，采用欠压掘进，或者气压辅助掘进，保证土仓内存土较少。采用冷却措施降低土仓温度。利用膨润土浆液置换土仓内的渣土，保证土仓压力的同时降低结泥饼的几率。5BT-S 高效黏土剥除剂说明其成分为高分子聚合物和无机物，按照一定比例复配而成。BT-S 高效黏土剥除剂对各种硬质泥土具有非常好的润湿、渗透、剥离效果。BT-S 高效黏土剥除剂的作用原理是通过微观电荷作用力，高效黏土剥除剂会吸附于泥土表面并渗透进入土体内部，与泥土产生激烈的反应，将大块的土体进行软化，砂石和泥土分离，使整个土体成流塑性。BT-S 高效黏土剥除剂外观为浅褐色透明液体，PH 值为 6.50.5，活性成份 30%，在室温 25下密度为 1.1 g/cm。剥除剂分散黏土 5 min的效果图如图 5 所示。6泥饼处理后施工情况对刀盘泥饼采取强制剥除技术后，出段线盾构隧道恢复掘进，在穿越（含泥）中细砂层时，前三换掘进过程中盾构机总推力和刀盘扭矩有显著下降，渣土温度也从原来的 40 45下降至 30 35（且还有下降的趋势），推进速率提高，功效显著改善。后续掘进采用泡沫剂及膨润土进行渣土改良，有效避免了结泥饼现象，顺利穿越了富水砂层及上软下硬地层掘进段。从424 环掘进至隧道贯通，盾构掘进参数基本稳定（见表4），此过程中虽然由于地质变化，总推力及刀盘扭矩都出现了较小的变化，但是整体仍处于平稳状态，有效预防了刀盘泥饼的形成4。7结束语通过对某地铁车站出入段线区间出段线盾构刀盘结图 5 剥除剂分散黏土 5min 的效果图表 4 泥饼剥除后掘进段施工参数土仓压力/kPa总推力/t扭矩/(kNm)速度/(mm/min)0.95 1.051800 19004000 420030 40泥饼现象及成因进行分析，应用高效黏土剥除剂有效改善刀盘结泥饼问题，使得出段线盾构在富水砂层、小半径、浅覆土条件下顺利穿越房屋，到达接收井，地面沉降及房屋开裂均满足要求，得到各方单位的认可。总结经验教训，在后续盾构施工过程中，应采取有效预防措施加强管控，发现异常情况及时上报处理，并根据地质情况及时调整掘进参数、分析渣样进行渣土改良等措施，避免结泥饼现象的再次发生，有效地减少施工风险和成本，为类似工程项目积累了丰富的经验。参考文献1 郗晶.复合地层中复合式土压平衡盾构机刀盘泥饼防治J.中国高新科技,2018(12):90-92.2 王用斌.土压平衡盾构机刀盘泥饼成因分析及整治J.工程技术研究,2021(8):134-135.3 欧阳凯.盾构刀盘泥饼形成机理的理论研究J.建筑机械化,2018(9):44-46.4 贾璐.土压平衡盾构刀盘泥饼防止综合技术研究及应用J.施工技术,2015(S1):243-246.