泥岩地层中的泥水盾构掘进施工技术

邵帅

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北武汉 430000）

0 引言

泥水盾构机由于泥水压力波动小、控制精度高、对开挖面土层支护更为稳定、对地表变形控制精度高等特点被广泛应用于城市轨道交通及穿越江、河、湖、海等隧道建设中，掘进技术如图1 所示。泥水盾构在泥岩地层施工中，由于泥浆的原因刀盘更易结泥饼，进而导致滞排、刀具切削能力下降、施工参数恶化等，施工效率急剧下降。因此，如何使泥水盾构在此类地层施工提高施工效率至关重要。

图1 泥水盾构掘进技术

1 泥岩地层掘进重难点分析

（1）强风化粉砂质泥岩地层在地层成分中占比例最大，呈半岩半土状，微膨胀性，具有一定黏性。泥水盾构掘进时极易出现扭矩大、出渣不畅、糊刀盘、弃浆量大及堵塞泥浆门、格栅、循环管路等现象，造成盾构掘进困难，导致带压进仓二次风险等。

（2）全断面中风化粉砂质泥岩地层，岩体较为完整，具有一定强度。全盘撕裂刀泥水盾构在此地层中掘进时已出现掘进速度缓慢、扭矩大、卡刀盘、泥浆管路磨损、刀具磨损，情况严重时易出现损害设备等问题。

2 泥水盾构掘进施工技术

2.1 掘进前准备工作

（1）前盾面板中心区域增加两路管路对刀盘进行冲刷。减少冲刷水在刀盘泥浆中压力损失，保证冲刷水能有效冲至刀盘。

（2）安装两台132kW 冲刷泵（渣浆泵）。一台为刀盘中心区域冲刷，另一台为高位刀及幅条进行冲刷，其泵流量为204m3/h，泵扬程 87．5m。

（3）改善泥浆门沉渣情况，增强搅拌效果，促进泥浆循环快速出渣。

（4）因盾构机掘进主要为强风化粉砂质泥岩，为防止刀盘结泥饼，盾构机始发刀具采用全盘撕裂刀。

泥水盾构机根据对泥浆压力控制方式的不同，分为直接控制型和间接控制（气垫式）型。与直接控制型相比，间接控制型泥水平衡盾构机操作控制更为简化，泥水压力波动小，控制精度高，对开挖面土层支护更为稳定，国内、外大直径或超大直径泥水盾构均已采用间接控制型。而无论间接型还是直接型在掘进时均向前仓注满饱和泥浆状态下掘进。

2.2 饱和泥浆掘进

采用饱和泥浆掘进，在全断面泥岩地层掘进一段距离后，随着刀盘泥饼增多，各项参数会逐渐恶化，需要阶段性带压进仓清理泥饼后再恢复掘进，一般工程在1400 环举行带压进仓清理刀盘泥饼后恢复掘进。由施工经验得出，在盾构掘进一段距离后，掘进参数恶化明显，在1435~1470 环期间推力增大至70000~90000kN，扭矩减小至12000~19000kNm，速度降至5—0mm/min波动；在全断面泥岩地层饱和泥浆掘进存在以下几点问题：

（1）随着刀盘泥饼增加，掘进速度降低、推力增大、各项掘进参数恶化严重，掘进效率低下；

（2）速度降低后，切削下的渣土不能有效分离，会逐渐溶解至浆液中，泥浆中细颗粒增多，浆液比重增大，不仅导致泥浆处理能力下降，还会导致泥浆携渣能力下降，进一步降低掘进效率；

（3）长期设备高负荷工作，主机、刀盘发热量增加，泥饼越结越多、越硬。

2.3 辅助气压法掘进原理及应用

采取辅助气压法掘进的前提条件是在保证掌子面土体稳定的气压下，地面不能被击穿。大直径盾构因需穿越河湖海等，普遍在掘进中段埋深较大，采用辅助气压法掘进时，掘进埋深更大。

2.3.1 辅助气压法工作原理

泥水盾构采用辅助气压掘进是将压缩空气填充至前仓上半部与下半部的泥浆以平衡掌子面、盾构三大密封系统的油脂。通常情况下，压缩空气的流动速度大于泥浆的流速，泥浆的流速大于渣土的流速。刀盘切削土体，造成出现空隙后，压缩空气与泥浆会立即对空隙填充，而压缩空气会逐渐逼退泥浆占有的空间。

2.3.2 辅助气压法工法

（1）压力设定：以盾构机直径12.81m 为例，顶部与中部压差接近0.6bar；为维持掌子面稳定，液位控制在腰线以上2m，上半仓气压设定值与饱和泥浆掘进中部腰线压力值持平；通过前仓布置的5 个压力传感器监测前仓压缩空气与泥浆压力变化。液位设定：

（1）原则上仅在全断面泥岩地层使用辅助气压掘进；

（2）为保证掌子面稳定，液位设定在腰线以上2m。

2.3.3 辅助气压法应用效果分析

一般在采取辅助气压法掘进后，速度逐渐在半小时内增加至20—40mm/min，扭矩与推力均有明显下降；将掘进模式调整为辅助气压掘进后出渣黏土块明显增加。采用辅助气压法掘进后，地表沉降值也控制在合理的区间，最大沉降值为-6.9mm。

2.4 辅助气压法掘进特点和风险控制

2.4.1 辅助气压法掘进特点

（1）前仓用压缩空气替换泥浆后，刀盘背部与冲刷管路之间缺少泥浆填充，使泥浆循环的冲刷管路可以直接对刀盘背部进行冲洗，有助于延缓泥饼的胶结；

（2）上半部掌子面因为没有了泥浆，没有办法形成泥膜，刀盘对掌子面进行切削后，没有了泥浆护壁的渣土更加容易掉落，更利于出渣；

（3）开挖面上半部填充压缩空气，导致上半部压力相同，相当于降低了部分压力，客观上降低了推力；

（4）实践证明，压缩空气与泥浆的交界面在液位波动过程中，客观上对刀盘起冲刷作用。

2.4.2 辅助气压法掘进的风险及其控制

（1）改用辅助气压法掘进后，各项掘进参数稳定，最大日进尺10 环，但由于刀盘转动时可能直接冲刷到掌子面，影响泥膜的形成，另外半仓气压模式掘进也存在一定风险，所以需在地层变换时及时改变掘进模式及管路切换，防止出现掌子面坍塌。

（2）停机时注意：因泥水盾构机接管期间必须停机，而辅助气压法掘进前仓顶部泥浆被空气填充，泥浆在刀盘转运时直接冲刷掌子面，掌子面泥膜易被破坏，预估停机超过2h 即进行建仓。

（3）压力与液位控制：为保证掌子面稳定，仓压瞬时波动超过±0.3bar 与液位瞬时波动超过±1m 出现较大波动后，立即建仓，恢复饱和泥浆泥水模式。

（4）参数控制：注意各项参数，尤其是仓压、液位的波动情况，注意观测地面沉降值，如发现异常应及时恢复间接式泥水平衡循环。

2.5 控制盾构隧道参数

盾构掘进参数主要包括推进速度、推力、刀盘扭矩、刀盘速度、搅拌速度和泥浆流量。当盾构进入泥岩地层时，盾构参数最直观的体现是推力和刀盘扭矩的增加，前进速度的减小。推力从最初的8000kN 增加到10000~20000kN，刀盘扭矩从800kNm 增大到1200kNm 至3000kNm 增大到3500kNm，推进速度从35mm/min减小到40mm/min 至10 至15mm/min。由于泥岩地层易于堵塞筒仓和管道，因此有必要平衡盾构的掘进参数，以确保顺利排渣和最大推进速度。在不断优化参数以找到平衡点之后，将参数调整为：推进速度降低至 10—15mm/min，刀盘扭矩为 2500~3000kNm，推力为15000~18000kN。为了破碎和切碎渣块，刀头的转速提高到1.8~2r/min；为了尽早排渣，避免积渣后堵塞管道，将搅拌机转速调至30—35r/min，进、出料浆流速提高到850—900m3/h。

进入泥岩地层时，泥浆的黏度和比重会迅速增加，筒仓内的压力波动会很大，并且盾构挡住筒仓和管道的现象会很明显，难以开挖。为了平稳地排出污泥，需要降低泥浆的粘度和比重。经过多次试验和比较，全断面泥岩开挖的泥浆粘度控制在16—20s范围内，比重控制在1.06~1.12g/cm3范围内，保证泥浆的能力。

3 总结

在泥岩地层及相似地层中，辅助气压掘进能较大的提高施工效率，本研究为以后为类似粉质黏土地层泥水盾构的设计及施工提供了参考依据，是一次宝贵的经验。