土压平衡盾构泥饼成因及防治措施

摘要：土压平衡盾构机在广州市复合地层掘进施工中，非常容易结成泥饼，产生很大的危害和风险，从经济、效率、时间都是一个很大的浪费。本文根据工程实况从三个方面分析了泥饼的成因、危害并指出了结饼的判断依据以及提出泥饼的相关防治措施。仅供同行参考 借鉴。

关键词：土压平衡盾构泥饼成因防治措施

1、工程概况

珠三角城际快速轨道交通广佛线土建12标，工程地点位于广州市荔湾区，主要包括两个明挖车站、两个盾构区间，其中菊树～西朗盾构区间双线全长约3933米，西朗～鹤洞盾构区间双线全长约1328米，隧道直径6米，埋深8～25米，隧道主要穿越地层有风化泥岩、砂岩层、淤泥层、粘土层、砂层等多种地层组成的复合性地层。采用美国罗宾斯公司生产的6260型复合土压平衡盾构机进行掘进，针对不同软硬岩土层而采用滚刀及刮刀组合的混合刀具组。

2、泥饼的危害

2009年4月17日，盾构机掘进至珠江水产研究所，掘进参数出现异常，但由于地质条件差，无法进行开仓处理，4月18日，盾构机掘进至珠江水产所科技大楼附近，刀盘扭矩最大达到5000Kn・m，推力最大20000Kn，掘进速度为10mm，极为缓慢，掘进是出现喷涌等现象，土仓压力忽高忽低，出土量无法有效控制，地面出现较大沉降。后来开仓证实，密封土仓的中心区内存在大体积泥饼。

泥饼产生的危害，轻则造成盾构机刀盘扭矩、总推力大幅增大，使推进速度减慢，刀具发生磨损，重则造成掘进过程困难，在富水地层诱发喷涌，甚至发生地表塌方导致生命财产威胁以及严重损坏盾构机的现象.

3、泥饼的主要成因

泥饼（次生岩块）是盾构刀盘切削下来的细小颗粒、碎屑在密封仓内和刀盘区重新聚集而成半固结或固结的块状体。泥饼的成因主要来源于三个方面：地质条件、盾构机选型及施工控制。地质条件是泥饼形成的基础，盾构机选型是关键因素，施工控制是人为因素。

3.1地质条件因素

在盾构掘进过程中容易形成泥饼的地层有：可塑、硬塑状的粘土类地层、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、全风化岩层和强风化岩层等。粘土类地层和粘土质砂土地层经“成岩作用”分别将演变为泥岩、泥质粉砂岩或泥质砂岩。

3.2盾构机设备选型因素

盾构机是否制造泥饼关键还在于盾构机选型，与泥饼形成有关的盾构机主要系统有：刀盘系统、密封仓和搅拌系统、螺旋机出土系统等。

以本工程盾构机选型为例，采用适应硬岩、泥土地层的复合型刀盘，开挖直径设计为Φ6280mm，开口率为37%，在稳定正面土体压力的前提下，既有利于提高出土效率，又能保证有足够面积安装各种刀具。共安装单刃滚刀23把、中心双刃滚刀8把、切刀106把、周边刮刀12把、超挖刀2把。依据土压平衡盾构机选型经验，每把双刃中心滚刀的刀间距为180mm，所有正面滚刀都高出刀盘盘面175mm，为开挖面破除下来的碴土留出了足够的出碴空间，刮刀超出刀盘盘面140mm受到滚刀的保护。土仓空间宽度为70cm，刀盘后板布置三个活动型搅拌棒，均分布在刀盘的最外缘，土仓隔板上布置个两个固定型搅拌棒，其中一个在人仓孔附近，一个在中心回转接头附近，但是由于本段岩层强度普遍较低，普通滚刀在切削岩土的过程中经常出现岩土无法有效提供刀具启动扭矩而造成部分滚刀偏磨。滚刀一旦出现偏磨，对于弹性模量小的粉砂质泥岩其功能类似“磨盘”，将岩石碾磨成粉末，这些粉末实际是粘土矿物颗粒或其小集合体，当在一定的压力（>0.1MPa）和较高的温度环境下，将有序排列、吸收水分并显示强粘结性，最后结成泥饼。由于滚刀偏磨后对于土体的摩擦又滚动摩擦转变为滑动摩擦，温度升高，土体孔隙比变小，仓内的土体凝聚力变得更大，在这种情况下即使用泡沫剂，其效果也会大大降低，因为一打开螺旋输送器的门，泡沫类气体最先散发冲出。泥饼逐渐粘附在滚刀周围，造成滚刀更加难以滚动，随着泥饼的进一步增大，还会影响到其他正常运转的刀具，形成恶性循环。

在菊树～西朗盾构区间掘进过程中，刀具偏磨现象十分严重，盾构掘进距离1040米时，偏磨刀具达到14把，其中单刃滚刀共10把，中心双刃滚刀共4把。不但极大减少了刀具的使用寿命，同时影响了施工效率，诱发泥饼形成。在西朗~鹤洞盾构区间掘进施工中，通过改进刀具的选型，将普通滚刀改为球齿滚刀，相对同种地层而言，其提供的启动扭矩更大，有利于滚刀正常滚动，在该区间660米掘进过程中，未出现滚刀偏磨现象。

泥饼根据形成的位置可分为土仓泥饼和刀盘泥饼，土仓泥饼是在土仓隔板与刀盘连接的四个支撑梁之间区域，除了中部设置有固定搅拌棒，不易形成泥饼外，支撑梁内部其他位置由于缺乏搅拌，经常形成泥饼；刀盘泥饼主要形成在刀盘中心四个开口位置和滚刀后座，中心开口处开口率小，渣土流动缓慢，加之其后支撑梁区域易形成泥饼引起闭塞。其次是滚刀偏磨发热易在其周围形成小型泥饼。

泥饼分布图：

3.3施工控制因素

一旦盾构机从始发井掘进，预防泥饼形成的任务就落实到施工控制上，施工控制不当形成泥饼的因素有：对地质条件的误判，设定过高的出土压力；未针对性使用渣良剂；没有及时适量地注水，盾构机长期运作产生的高温高热；土仓保压时长时间停机等等。

(1)对地质条件的误判：对地质条件产生错误判断，在开挖面相对稳定的岩层中，建立土压平衡状态下掘进，最容易结成泥饼。

(2)建立土压平衡模式并设定过高的出土压力：随着土压平衡模式的建立，仓内土体的密实度逐渐增加，若再加上设定过高的出土压力，其密实度将更大，紧跟着总推力和扭矩大幅上升，而速度则迅速下降。在实际施工过程中，除通过地质条件特别差的淤泥层、砂层等地段建立土压平衡模式作业外，其他地段可采用辅助气压欠土压平衡模式作业。辅助气压作业的主要目的是促使不需要建立纯土压平衡时有利于出土、降低总推力和扭矩、也有利于预防仓内结泥饼，同时也有利于开挖面稳定。

(3)未针对性应用渣良剂：用还是不用以及如何选用渣良剂，主要应根据岩土特性和水文地质条件诸如粘土矿物含量、切削颗粒的大小及其含量，地层的含水量及其渗透性等来综合确定。

(4)密封仓土体饱满的情况下长期停机：停机一天以上的情况诸如拆除负环管片时对每台机来说时而发生当土压平衡模式下掘进的盾构机刚停机时，其土仓饱满并且土体的温度往往超过50℃，压力超过0.1Mpa，随着停机时间的推延，温度会降到地下水的温度，压力也会降低，这种情况下，仓内的土体会收缩凝结成泥饼，当盾构机再次开动时，会感觉到掘进困难。

4、判断结饼依据

在结饼的初期，其在盾构施工中易在刀盘和压力舱内粘附形成局部的闭塞，造成盾构机扭矩、总推力增大，随着盾构施工的进行粘附的土体会与周围的土体不断的摩擦生热，对粘附的土体产生“烘烤”作用，即形成了局部的结饼，此时盾构机扭矩、总推力大幅增加，推进速度减慢，土仓温度迅速上升，如果没能及时处理局部的结饼、闭塞。则随着盾构施工的进行结饼、闭塞的范围会不断地扩大最终形成整体闭塞，导致盾构施工无法继续进行。

因此，尽早发现结饼是处理结饼的前提，仅仅通过盾构机的推力、扭矩、速度来判断是否结饼是不准确的，因为这些参数与其他很多因素有关。由于泥饼是盾构刀盘切削下来的细小颗粒、碎屑重新聚集而成的半固结或固结的块状体，故我们可以通过各项参数的异常情况初步判定存在泥饼，然后进行渣样分析，如渣样内发现土块或岩块，其组成成分为细小的颗粒，并且其内部温度比外部温度较高，由此可以判定土仓内已结泥饼。

结饼及处理后各项参数统计

序号 结饼时各项参数 处理结饼后各项参数

刀盘

里程 推力 扭矩 推速 渣温 刀盘

里程 推力 扭矩 推速 渣温

1 K19+013 827t 1555KN 28 36 K19+019 620t 1115KN 26 32

2 K19+152 800t 1100KN 24 34 K19+154 600t 750KN 29 31

3 K19+173 1380t 1000KN 12 34 K19+1752 820t 491KN 20 31

4 K19+218 900t 2000KN 18 34 K19+220 623t 1121KN 24 32

5 K19+500 1214t 2070KN 30 38 K19+507 1250t 850KN 28 35

6 K19+902 1910t 680KN 10 39 K19+904 1900t 640KN 10 39

7 K20+122 1100t 2100KN 30 39 K20+124 690t 700KN 34 39

8 K20+201 1100t 2700KN 40 40 K20+202.5 620t 1050KN 40 39

9 K20+040 670t 1110KN 25 33 K20+043 500t 900KN 25 30

5、泥饼防治措施

（1）当岩或土中粘土矿物含量超过25%时，结饼几率随着粘土矿物含量增加而增大，在掘进施工中添加适量的土体改良剂是非常关键和必要的。

（2）盾构机选型时，应根据地质情况，确保仓内渣土输送流畅，搅拌充分，添加剂管路布置、刀具选型布置合理。

（3）减少高土压掘进模式下施工，宜采用空仓掘进模式作业或辅助气压欠土压平衡模式作业，在必要采用土压平衡模式作业时，土仓压力值不宜偏高。

（4）减少高温条件下盾构施工，降低刀具偏磨的机率，合理准确的使用添加剂和控制循环水的温度，可以有效的减低土仓内的温度。

（5）根据盾构机参数的变化以及渣样分析可以判断土仓内是否结饼，结饼后应及早处理，避免恶性循环引起土仓整体闭塞。

参考文献：

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