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摘要：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对策,为类似工程提供了解决此类问题的思路和途径。
关键词：盾构施工；泥饼；成因；对策
Abstract: The shield machine cutter. The mud cake phenomenon is a difficult problem in city construction of Metro tunnel. From the geological formation of shield machine, its design and manufacture and construction control of mud cake knife plate are analyzed, puts forward some countermeasures for construction control of mud cake, provides the thought and way to solve these problems for the similar engineering.
Key words: shield construction; mud cake; cause; countermeasure
中圖分类号：TE42文献标识码A 文章编号
前言
随着城市高速的发展，地下轨道交通建设也飞速发展，盾构施工技术在城市轨道交通建设中的应用也越来越广泛，给地下工程施工带来了极大便利。但盾构机在中、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周逐步在刀盘面和土仓内壁上形成附着的泥饼，坚硬的泥饼将会把刀盘开口堵塞，严重降低了盾构机掘进能力。但在盾构施工中，往往受场地和地质条件的制约，不能采取人工开仓清除泥饼的处理措施。但是土仓内一旦形成严重泥饼，将引起泥水盾构机土仓压力的频繁波动，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。
1.泥饼的成因
1.1地层地质因素
隧道穿越的复合地层多为全风化与强风化的泥岩、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隧道施工中形成泥饼的基础材料，例如广州轨道交通六号线【黄～如】区间，盾构始发掘进段隧道穿越的地层地质分析图如下：
本标段地层主要为<8>褐红色粉砂质泥岩中风化带和<9>褐红色粉砂质泥岩微风化带，岩石的最大单轴抗压强度约27.6MPa，地下水类型主要有赋存于第四系土层中的孔隙水和赋存于基岩风化层中的裂隙水两种，岩层条件较好，自稳性好，但是隧道在本标段主要穿越红层微风化、中风化地段，红层的显著特点是开挖前硬度较高，开挖后遇水易粘结刀盘形成泥饼，若处理不当极易造成掘进困难。
相应的在其他很多隧道的施工中，技术人员对结有泥饼的地层位置也进行了渣土取样，对于土样进行试验分析,试验采用冲水称重和简单的筛分法，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等个方面原因的组合,泥饼发生可能性增加。
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常会导致施工掘进中“泥饼”的产生。刀盘中心区开口率是泥岩和砂岩地层盾构进中结泥饼的重要因素,地铁施工中常采用的三菱、小松、海瑞克、罗宾斯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、数量也是泥饼产生的另一因素。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,使其容易在土舱内产生泥饼。
1.21盾构机部位泥饼生成基本原因
①刀盘----中心区域开口率过小；
②刀盘----搅拌棒(包括主动、被动)数量过少；
③刀盘----刀盘幅条横截面呈方形,不够圆滑，易增加渣土流动阻力；
④土舱----土舱容积小于20m3,砂土临时存放能力不足；
⑤刀具----刀盘刀具平面布置不合理,有切削不到的盲区；
⑥刀具----各型滚刀、刮刀布置高差层次不分明；
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,导致切削下来的渣土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,砂土得不到有效改良，容易出现结泥饼现象。
2.对策及建议
2.1认真研究地质资料,是选好盾构机的基础；施工全过程现场跟踪地质条件的变化,并根据地质条件改善施工措施。
2.2盾构机选型。当隧道洞身为粘土层、粘土质砂土层、泥岩、泥质粉砂岩、残积花岗岩、全、强风化花岗岩等软岩类（小30MPa）地层,并且粘土矿物含量超过25%时,盾构机选型需考虑预防结泥饼的（措施）设施,诸如：
2.21刀盘系统
刀具的布置要层次清楚,其中滚刀和括刀的高差宜大于、刀盘中心区直径2.0m范围内少设或不宜设置滚刀,可尽可能增大开口率,也可设置独立驱动的中心子刀盘或高出面板40cm以上的中心刀群,刀盘的扭矩也应相应增大。
2.22宜设置搅拌棒,尤其是能进行注泥浆、注泡沫、注水的固定搅拌棒的必须设置,位置宜设计在轴承密封圈内侧。
2.23仓体的容积（即密封仓的宽度）宜设计到25~30m3之间（就直径5~7的盾构而言）。
2.24螺旋输送器的伸入长度宜超过密封仓宽度的一半以上。
2.25装备有泡沫生产机、辅助气压作业和盾构机冷却设备等。
泡沫类添加剂的注入渠道可通过刀盘面板和搅拌棒内注浆管路注人。泡沫的一般性配比和主要作用：
（1）泡沫的一般性配比：泡沫剂含量0.5%~5%,一般为3%（重量比）,水占液体泡(沫剂+水)总重量的90%~99%；空气占泡沫总体积的90%,泡沫总体积占开挖下来土体总体积的30%~60%。
（2）泡沫的主要作用：
能锲入到小颗粒或矿物间的空隙,减少矿物间的粘着力,改善了土体的“和易性”和“塑性”,大大降低了结泥饼的可能性；降低土体和盾构机钢结构之间的摩擦力和粘着力,从而降低总推力和扭矩；改善刀具、刀盘面板、螺旋输送器的耐磨性；降低了土体的密度,使搅拌棒的作用发挥得更好；泡沫本身没有污染性,出螺旋输送器口后,随压力降低会大部散发,不会增加出土量；泡沫具有可压缩性,有利于保持开挖面稳定；
2.3施工措施
在易結泥饼的地层中掘进时,应考虑以下措施:
（1）根据地质条件,有针对性地向土仓和刀盘面板适量加注高质量的泡沫或膨润土或其中的两种混合液甚至三种混合液等,以改善土体的“和易性”和“塑性”。
（2）浅埋隧道施工、刀盘开口率小于40%并且地层标贯值大于20的情况下,即地层相对自稳时,设定的出土压力不宜超过主动土压,并且最好控制在0.1Mpa以下,即宜采用欠土压平衡模式掘进。
（3）若地层稳定性较差,但隔气性较好时,宜采用辅助气压作业,掘进也宜采用欠土压平衡模式。
（4）采用冷却措施,避免土仓高温高热。
（5）避免土仓内渣土过多是的长期停机,宜以泥浆过着膨润土等代替部分土体充填土仓（可通过比重指标来控制）。
3.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。笔者在实践工作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)用于土舱内土体改良的泡沫剂、膨润土和水的加入量应符合标准要求, 并应结合地层地质和排土状况进行动态调整。
(4)施工中的盾构掘进参数的设定相当关键,在容易出现泥饼的地层中尤其要注意土压力、千斤顶推力及刀盘转速等参数的设定。
(5)将整个盾构施工当成一个系统工程来对待,各种因素,如地层地质、盾构机状况、隧道内通风及外界温度应做到有机结合。
参考文献
[1]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[J].长沙铁道学院学报2009（2）：199~201
[2]竺维彬；鞠世健.盾构施工泥饼（次生岩块）成因对策，广州：地铁科技，2002.4
[3]张国京. 北京地区土压式盾构机刀具的适应性分析[J]. 市政技术, 2005, 23 (1): 9-13
[4]竺维彬 鞠世健.复合地层中的盾构施工技术.中国科学技术出版社
关键词：盾构施工；泥饼；成因；对策
Abstract: The shield machine cutter. The mud cake phenomenon is a difficult problem in city construction of Metro tunnel. From the geological formation of shield machine, its design and manufacture and construction control of mud cake knife plate are analyzed, puts forward some countermeasures for construction control of mud cake, provides the thought and way to solve these problems for the similar engineering.
Key words: shield construction; mud cake; cause; countermeasure
中圖分类号：TE42文献标识码A 文章编号
前言
随着城市高速的发展，地下轨道交通建设也飞速发展，盾构施工技术在城市轨道交通建设中的应用也越来越广泛，给地下工程施工带来了极大便利。但盾构机在中、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周逐步在刀盘面和土仓内壁上形成附着的泥饼，坚硬的泥饼将会把刀盘开口堵塞，严重降低了盾构机掘进能力。但在盾构施工中，往往受场地和地质条件的制约，不能采取人工开仓清除泥饼的处理措施。但是土仓内一旦形成严重泥饼，将引起泥水盾构机土仓压力的频繁波动，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。
1.泥饼的成因
1.1地层地质因素
隧道穿越的复合地层多为全风化与强风化的泥岩、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隧道施工中形成泥饼的基础材料，例如广州轨道交通六号线【黄～如】区间，盾构始发掘进段隧道穿越的地层地质分析图如下：
本标段地层主要为<8>褐红色粉砂质泥岩中风化带和<9>褐红色粉砂质泥岩微风化带，岩石的最大单轴抗压强度约27.6MPa，地下水类型主要有赋存于第四系土层中的孔隙水和赋存于基岩风化层中的裂隙水两种，岩层条件较好，自稳性好，但是隧道在本标段主要穿越红层微风化、中风化地段，红层的显著特点是开挖前硬度较高，开挖后遇水易粘结刀盘形成泥饼，若处理不当极易造成掘进困难。
相应的在其他很多隧道的施工中，技术人员对结有泥饼的地层位置也进行了渣土取样，对于土样进行试验分析,试验采用冲水称重和简单的筛分法，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等个方面原因的组合,泥饼发生可能性增加。
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常会导致施工掘进中“泥饼”的产生。刀盘中心区开口率是泥岩和砂岩地层盾构进中结泥饼的重要因素,地铁施工中常采用的三菱、小松、海瑞克、罗宾斯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、数量也是泥饼产生的另一因素。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,使其容易在土舱内产生泥饼。
1.21盾构机部位泥饼生成基本原因
①刀盘----中心区域开口率过小；
②刀盘----搅拌棒(包括主动、被动)数量过少；
③刀盘----刀盘幅条横截面呈方形,不够圆滑，易增加渣土流动阻力；
④土舱----土舱容积小于20m3,砂土临时存放能力不足；
⑤刀具----刀盘刀具平面布置不合理,有切削不到的盲区；
⑥刀具----各型滚刀、刮刀布置高差层次不分明；
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,导致切削下来的渣土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,砂土得不到有效改良，容易出现结泥饼现象。
2.对策及建议
2.1认真研究地质资料,是选好盾构机的基础；施工全过程现场跟踪地质条件的变化,并根据地质条件改善施工措施。
2.2盾构机选型。当隧道洞身为粘土层、粘土质砂土层、泥岩、泥质粉砂岩、残积花岗岩、全、强风化花岗岩等软岩类（小30MPa）地层,并且粘土矿物含量超过25%时,盾构机选型需考虑预防结泥饼的（措施）设施,诸如：
2.21刀盘系统
刀具的布置要层次清楚,其中滚刀和括刀的高差宜大于、刀盘中心区直径2.0m范围内少设或不宜设置滚刀,可尽可能增大开口率,也可设置独立驱动的中心子刀盘或高出面板40cm以上的中心刀群,刀盘的扭矩也应相应增大。
2.22宜设置搅拌棒,尤其是能进行注泥浆、注泡沫、注水的固定搅拌棒的必须设置,位置宜设计在轴承密封圈内侧。
2.23仓体的容积（即密封仓的宽度）宜设计到25~30m3之间（就直径5~7的盾构而言）。
2.24螺旋输送器的伸入长度宜超过密封仓宽度的一半以上。
2.25装备有泡沫生产机、辅助气压作业和盾构机冷却设备等。
泡沫类添加剂的注入渠道可通过刀盘面板和搅拌棒内注浆管路注人。泡沫的一般性配比和主要作用：
（1）泡沫的一般性配比：泡沫剂含量0.5%~5%,一般为3%（重量比）,水占液体泡(沫剂+水)总重量的90%~99%；空气占泡沫总体积的90%,泡沫总体积占开挖下来土体总体积的30%~60%。
（2）泡沫的主要作用：
能锲入到小颗粒或矿物间的空隙,减少矿物间的粘着力,改善了土体的“和易性”和“塑性”,大大降低了结泥饼的可能性；降低土体和盾构机钢结构之间的摩擦力和粘着力,从而降低总推力和扭矩；改善刀具、刀盘面板、螺旋输送器的耐磨性；降低了土体的密度,使搅拌棒的作用发挥得更好；泡沫本身没有污染性,出螺旋输送器口后,随压力降低会大部散发,不会增加出土量；泡沫具有可压缩性,有利于保持开挖面稳定；
2.3施工措施
在易結泥饼的地层中掘进时,应考虑以下措施:
（1）根据地质条件,有针对性地向土仓和刀盘面板适量加注高质量的泡沫或膨润土或其中的两种混合液甚至三种混合液等,以改善土体的“和易性”和“塑性”。
（2）浅埋隧道施工、刀盘开口率小于40%并且地层标贯值大于20的情况下,即地层相对自稳时,设定的出土压力不宜超过主动土压,并且最好控制在0.1Mpa以下,即宜采用欠土压平衡模式掘进。
（3）若地层稳定性较差,但隔气性较好时,宜采用辅助气压作业,掘进也宜采用欠土压平衡模式。
（4）采用冷却措施,避免土仓高温高热。
（5）避免土仓内渣土过多是的长期停机,宜以泥浆过着膨润土等代替部分土体充填土仓（可通过比重指标来控制）。
3.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。笔者在实践工作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)用于土舱内土体改良的泡沫剂、膨润土和水的加入量应符合标准要求, 并应结合地层地质和排土状况进行动态调整。
(4)施工中的盾构掘进参数的设定相当关键,在容易出现泥饼的地层中尤其要注意土压力、千斤顶推力及刀盘转速等参数的设定。
(5)将整个盾构施工当成一个系统工程来对待,各种因素,如地层地质、盾构机状况、隧道内通风及外界温度应做到有机结合。
参考文献
[1]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[J].长沙铁道学院学报2009（2）：199~201
[2]竺维彬；鞠世健.盾构施工泥饼（次生岩块）成因对策，广州：地铁科技，2002.4
[3]张国京. 北京地区土压式盾构机刀具的适应性分析[J]. 市政技术, 2005, 23 (1): 9-13
[4]竺维彬 鞠世健.复合地层中的盾构施工技术.中国科学技术出版社