第16卷增刊2地下空间与工程学报Vol．16 2020年11月Chinese Journal of Underground Space and Engineering Nov．2020复合地层盾构机刀盘结泥饼成因及预防措施* 傅鑫晖，莫涛，张晨，林清阳，魏永明
(中建海峡建设发展有限公司，福州350015)
摘要：复合地层盾构掘进中，盾构机刀盘结泥饼问题是影响地铁隧道施工的一大难题。泥饼的存在，不仅会造成盾构机刀盘扭矩和推力的增大，推进速度减慢，施工效率降低，还会造成刀具磨损，进而导致盾构机损坏，甚至严重影响施工进度和施工安全。本文以福州地铁某区间隧道工程为例，从区间隧道的地质条件、盾构机刀盘的开口率、刀具的启动扭矩与复合地层不同土层强度变化较大的矛盾、土仓长时间充填黏性土、渣土改良及掘进模式等五个方面分析了泥饼形成的原因和机理，并提出了防止泥饼形成的施工措施，提供了解决此类问题的思路及途径。 关键词：盾构；软硬不均复合地层；结泥饼结构；土压平衡盾构
中图分类号:U455．3文献标识码:A文章编号:1673-0836(2020)增2-0864-06
Formation and Precautions of Mud Cakes in Mixed Strata
Fu Xinhui，Mo Tao，Zhang Chen，Lin Qingyang，Wei Yongming
(CSCEC Strait Construction and Development Co．，Ltd．，Fuzhou350015，P．Ｒ．China) Abstract:Mud cakes may become a big challenge when shield machine excavates in the mixed strata condition．It is easy to form mud cake on cutter head，which not only increases the torque of cutter，leading to lowering efficiency of construction，but impairs the process and safety of the construction．This paper analyzes the reasons for the occurrence of mud cakes from geotechnical conditions，the aperture ratio of cutter head，the problems of shield tools break-out torque and the soil strength of compound stratum，the soil bin filled with viscous soil，sediment improvement and control of shield construction，then it puts forward the guidance to prevent the mud cakes and counter measures for similar projects．
Keywords:shield machine;mixed face ground condition with soft and hard rock;mud cake;EPB shields
0引言
随着我国经济的快速发展，基础设施建设也随之加快，为缓解城市地面交通拥堵现象，掀起了地铁建设的热潮。盾构法作为地下工程领域最先进的施工方法，具有掘进速度快、质量优、对周围环境影响小、施工安全性相对较高的优点。但由于盾构施工过程中地质情况的复杂性，人们在施工过程中缺少
可供参考的经验。而且方案和措施的不合理性会进而产生诸如刀盘结泥饼的现象。泥饼主要是指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。泥饼的形成会造成扭矩、推力增大，推进速度减慢，刀具磨损，进而导致盾构机严重损坏，在富水地层会诱发喷涌甚至发生地表塌方引发严重的工程事故。
欧洲和日本很早就发现并研究泥饼对盾构施工的影响，认为最严重的影响是“阻塞密封仓和封锁刀盘”(clogging or blockage)，并研制开发了Foam、Polymer、MEYCO Fix SLF、Ｒheosoil、Bentonite
*收稿日期:2020-06-01(修改稿)
作者简介：傅鑫晖(1984—)，男，陕西凤翔人，硕士生，工程师，主要从事地下工程设计及施工技术等方面的研究。
E-mail:fxhh@vip．qq．com
通讯作者：莫涛(1989—)，男，四川营山人，工程师，主要从事盾构法隧道等施工技术研究。E-mail:254992437@qq．com
等系列“渣土改良剂”。然而，应用“渣土改良剂”的工程有成功也有失败，究其原因是很少从地质、盾构机选型、施工措施等全方位进行系统研究［1］。所以，这一问题还继续困扰着盾构施工。
国内技术人员对刀盘结泥饼这一工程难题从各个方面进行了研究，如徐岩等［2］、张志伟等［3］、竺维彬等［4］分别针对上软下硬地层、黏土卵石层、富水砂层等地质条件下的盾构施工过程中出现的刀盘结泥饼问题进行了研究；张家年等［5］针对土压平衡盾构刀盘结泥饼的现象，从刀盘结构设计、刀具配置、耐磨保护及刀盘渣土改良等方面入手，对刀盘进行了针对性改良设计；李小康［6］、刘辉等［7］从盾构刀盘开口、刀具中滚刀与刮刀位置关系，以及掘进过程中的加水设施及添加剂的应用、施工管理等方面提出了施工中结泥饼问题的预处理措施；李志军等［8］从盾构穿越的地质情况、盾构设备选型、泥浆指标、盾构施工过程控制等方面对刀盘结泥饼的形成机理进行了深入的分析；王助锋等［9］针对泥质粉砂岩地质条件下盾构施工过程中出现的刀盘结泥饼、渣土结泥团等不良现象，从刀盘开口率设计、刀具布置及刀高设置优化等方面对刀盘、刀具配置开展针对性设计，以改善结泥饼现象;Thewes等［10］通过自制筛分仪测定筛分后岩石中分解的黏土矿物含量和塑性指数，依此判定盾构产生“结泥饼”的可能性；刘卫［11］针对富水砂砾层和泥质粉砂岩复合地层，通过渣土改良研究及实施效果分析，建议按地层的不同比例考虑不同的改良剂种类和配合比。前人的研究成果多集中于成因机理分析、控制参数及渣土改良等方面，且仅对某一些特定地层有效，不具备广泛适用性，在上软下硬且含有黏土层的复合地层中不具备很好的适用性。因此，本文基于福州地铁某隧道区间，通过分析泥饼形成原因，提出相应的防治措施，提高土压平衡盾构机的施工掘进能力和施工的安全性。
长滩岛机场1工程概况
本工程位于福州市晋安区规划道路下方。本区间线路先沿横屿路向东行进，后向南下穿地块转入前横路向南敷设。区间隧道总长为1506．176m，施工采用一台铁建重工生产的 6440mm复合式土压平衡盾构机。本工程地质条件复杂，为了能够更好地适应区间地质，盾构机采用滚刀加刮刀组合的混合刀具方式。沿线地势空旷，隧道区间属海陆交互相冲淤积平原地貌和剥蚀残山地貌单元，场地上部主要覆盖有全新统第四系地层长乐组陆交互相沉积、上更新统东山组冲洪积、龙海组冲洪积黏性土、淤泥、淤泥质土，局部为中砂、粗砂、卵石，下伏基岩主要为燕山期花岗岩，局部为燕山期侵入岩脉。地下水按赋存方式分为孔隙潜水、松散岩类孔隙水、残积土及风化岩层中的孔隙———裂隙水和基岩裂隙水四种类型。稳定水位埋深为0．20 6．80m，稳定水位标高为3．53 7．97m，盾构区间所穿越地层分别为:(含砂、碎石)粉质黏土；碎块状强风化正长斑岩；砂土状强风化花岗岩；中风化正长斑岩;(含泥)碎卵石;(含泥)粗砂；粉质黏土；淤泥。始发端地质剖面图如图1所示
。
图1地质剖面图
Fig．1Geological sectional drawing
2泥饼的危害
2019年6月3日—2019年6月4日，掘进过程中发现渣温异常升高至47ħ，掘进速度慢(0 8mm/min)，推力在1400 1800t，扭矩波动较大(2500 3500kN·m)，116环推进施工共计3．5小时。因地层为上软下硬地层，此次带压开仓后证实发现，刀盘中心区域有大面积已结泥饼。此次泥饼对盾构掘进施工带来很大影响及危害，主要体现在掘进速度慢，土仓渣温高，推力大，扭矩大。同时，掘进过程时常喷涌，刀具偏磨，出现超挖现象，发生在类似上软下硬地层地面有大面积沉降甚至塌方的严重危害。
3泥饼形成的主要原因及机理
根据烧结理论，当烧成温度和时间确定时，烧结速度主要决定于物料的粒径，盾构掘进的前50
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2020年增刊2傅鑫晖，等：复合地层盾构机刀盘结泥饼成因及预防措施
环，粉质黏土的颗粒组成中粒径小于0．075mm 的为36．3%，因此，在一定的温度下，由于表面张力的作用，经过颗粒的粘附作用、物质传递和气相传质等过程，使土体颗粒孔隙逐步得到填充，转变成致密的烧结体。刀盘掌子面的富含黏土矿物颗粒，在刀具的切削和刀盘的冲击作用下，黏土颗粒及岩块变成碎屑和粉末状，这些碎屑粉末状的黏性颗粒是形成泥饼的基础材料，同时由于粉粒及黏粒含量较高，使得颗粒之间的质点迁移所需的能量降低，有助于形成连生型固溶体。由于刀盘中心部位往往开口率相对较小，若渣土改良不到位，在刀盘的碾压下黏性颗粒极易在中心滚刀刀箱位置混合，中心滚刀逐渐失去转动能力，随着摩擦力增大，温度逐渐升高，
自刀盘中心位置向四周逐步在刀盘面上形成附着的泥饼(图2)，并在掘进过程中的高温高压作用下不断变硬变厚，最终导致刀盘大面积被泥饼糊死，盾构机掘进速度降低，推力及扭矩增大，刀盘卡顿，未及时处理将造成刀具偏磨(图3)
。
图2
刀盘中心区域结泥饼情况
Fig．2
Mud cakes around the central region of cutter
head
图3中心滚刀偏磨
Fig．3
The wear of rolling cutter
土仓中结泥饼主要是由于渣土改良效果欠佳，以及同步注浆压力偏大，长时间满仓黏性土推进，
砂浆进入土仓，最终导致螺旋机出土不畅，使渣土在土仓中大量聚集形成泥饼。3．1
地层变化
本区间前50环内，主要地层为粉质黏土层，51 90环主要为砂土状强风化花岗岩，91 116环实际情况为上软下硬地层，上部实际为碎块状强风化花岗岩，下部为中风化花岗岩。取刀盘中心泥饼进行分析，发现泥饼主要成分为黏土，最外侧混有砂土状强风化碎屑。因此，可以判断刀盘中心泥饼为盾构机掘进前期就已出现。3．2
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刀盘、启动扭矩与地层之间的矛盾
由于本区间地层变化较大，主要以软土、软硬不均、全断面硬岩等组成的复合地层，为了能够适应本区间地层，刀盘采用了面板+辐条式复合刀盘，
刀盘开口率为33%，中心区域开口率较小。从本区间复合地层角度而言，刀盘的设置是合理的，然而在单纯掘削黏土时，黏性土易黏附在刀盘表面。同时，盾构机刀盘支撑辐条以箱体式方形开口，不够圆滑，切削的渣土排土不畅易挤压在箱体角落，形成堆积效应。特别是中心区域，开口率低容易造成中心区域结泥饼，妨碍刀盘切削。同时，盾构机以复合式刀盘满足区间的复杂地层，在初装刀具时就已经配置有掘削软土及硬岩的刮刀、滚刀等。为了综合利用刀具，满足区间地层，适应基岩以及孤石等强度较高地层，滚刀启动扭矩设置较高。在前50环掘进过程中，刀具处于黏性土中，由于本身的软土特性，滚刀作为被动转动，达不到滚刀自转的初始状态。通常典型地层与刀具使用形式有一定的关联性。具体参加见表1，
地层与刀具配置的矛盾增加了泥饼生产的几率，刀盘配置的中心滚刀启动扭矩在并未正常工作的情况下就已被泥饼糊死，初装滚刀启动扭矩见表2。
表1地层情况Table 1
Geological conditon
分类
典型地层
刀具使用形式软土层软岩页岩、黏土、泥岩
刮刀、齿刀、楔齿滚刀
中软岩石灰岩、砂岩、大
理石火山岩、凝灰岩
盘形滚刀、楔齿滚刀
中硬岩
白云石、片麻岩、花岗岩片岩、长石硬质合金楔齿滚刀盘
形滚刀、盘形球齿滚刀
6
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表2刀具初装扭矩Table2Initial torque of cutters
单刃编号初装扭矩
/(N·m)单刃
编号
初装
扭矩
/(N·m)
单刃
编号
初装
扭矩
/(N·m)
双刃
编号
珠海圆明新园地图
初装
扭矩
/(N·m)太原一日游必去十大景点
S1322S2523S3723S1:S320
S1424S2624S3824S2:S419
S1521S2723S3924S5:S723
S1623S2824S4023S6:S824
S1723S2923S4123S9:S1120
S1825S3023S4224S10:S1223
S1923S3125S4324
S2022S3223S4423
S2124S3325S4524
S2225S3424S46A23
S2324S3523S46B24
S2423S3625
3．3渣土改良系统运行不畅
区间前50环内，主要地层为粉质黏土层，中心区域容易被黏土包裹住并糊死，泡沫管路易堵塞，泡沫无法正常冲刷中心区域。这将直接导致渣土改良不到位，中心区域渣土堆积效应糊住黏性土。同时，泡沫对刀盘刀具降温也起到重要作用，施工过程中若无法正常带走渣土，温度过高对形成的泥饼还有“烧结促成”作用。
3．4土仓长时间充填黏性土
区间施工到116环时，中途经历两次长时间停机，累计达到15天(表3)。且两次停机期间均满仓保压停机，土仓长时间充填黏性土，对刀盘严密包裹。特别是刀盘中心区域已堆积的黏土周边，在长时间停机后，附着大量黏性土，在土压力效应下更加明显，恢复掘进后，刀盘的旋转及挤压，加速了泥饼的形成。本区间116环开仓检查后，刀具磨损及泥饼区域见图4。
表3停机情况
Table3Shutdowns of cutters
序号开始时间结束时间
掘进
环数
地层
施工
情况12019/04/262019/05/020 24粉质粘土
22019/05/032019/05/090
数字峰会
停机7天32019/05/092019/05/2425 105
粉质粘土
砂土状
强风化
正长斑岩
42019/05/242019/06/010
拆负环
8天52019/06/022019/06/04106 116
砂土状强风
化正长斑
岩中风化
正长斑
岩
图4刀具磨损及结泥饼区域图
Fig．4Schematic of tool wear and mud cake areas 3．5掘进模式
对地质条件把握不到位，在开挖面较为稳定的粉质黏土层中采用土压平衡状态掘进，仓内渣土密度不断增大，在控制螺旋机提高出土压力时，将会进一步增大渣土的密度，从而造成憋仓。对于黏性土层，满仓掘进，导致刀盘中心区域长时间处于黏土的包裹状态，排土不畅，又在高土压挤压状态下掘进，中心区域温度较高，加速中心区域滞留渣土
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2020年增刊2傅鑫晖，等：复合地层盾构机刀盘结泥饼成因及预防措施
德清县公共资源交易中心
烧结作用，在较高温度及挤压情况下，导致中心区域结满泥饼。经过比对掘进参数，统计分析见表4。
表4掘进参数
Table4Tunneling parameters
环号推力/t
速度
昆山旅游景点/(mm·min－1)
扭矩
/(kN·m)
渣温/ħ
91135725218225 92142124253225 93139624261925 94145022240026 95146721264226 96151720288026 97151918283625 98153818284225 99150817297127 100155415307827 101149814302628 102154415315229 103163515338428 104159214329029 105158914328029 106157813330529 107163012328430 108160612335630 109168010340530 110162310332129 11117068362033 11217558352736 11317806344839 11417645356340 11518083400043 11617653367647
根据数据分析，盾构机推力逐渐增大最高达到1800t，速度逐渐降低至3mm/min，刀盘扭矩增大到超
过4000kN·m。从这几组数据看出，推力逐渐增大，推进速度逐渐减小，扭矩明显增大，渣温升高明显的趋势。从数据中已经看出，泥饼已经对掘进施工造成了非常大的危害，影响施工进度，造成效率低下，继续发展下去甚至会出现刀盘母体结构变形的可能性。
掘进施工没有结合当前地层的实际情况调整合适的土压平衡模式时的土仓内土压设定值，使得土仓压力过高，导致切削下来的渣土不能及时排除，在土仓内堆积挤压，下一循环推进中又继续在刀盘旋转作用下对土仓渣土挤压，并堵塞中心泡沫孔，不能及时顺畅的加入泡沫或水。堆积在中心区域的渣土得不到有效改良将越积越多，使得堆积在刀盘箱体里的渣土密实度越来越大，同时渣温不断升高，刀盘高速旋转后与周围土体介质摩擦生热，使土仓内温度升高，对泥饼有“烧结促成”作用，最终形成泥饼。
4预防盾构机刀盘结泥饼措施
4．1及时掌握地层变化
在盾构掘进过程中应及时获取出土情况及地层情况与勘察报告是否相符，并根据地层变化情况及时调整掘进参数以及掘进模式。当掘进过程中地层并未发生变化，同时出现“速度降低，土压力不稳定，推力及扭矩逐渐增大，渣温升高”等现象时，可能出现结泥饼现象。此时应将适量的分散剂(或分散性泡沫)注入土仓内，分散掉糊在刀盘上的泥饼。应减少黏性土附着在刀盘上，特别是刀盘中心区域箱体式
结构，加强防止堆积效应，及时清除中心区域堆积的黏性土，以达到减少泥饼形成的基本材料的目的。
4．2提高渣土改良成效
施工过程中应注意保持各注入口畅通，特别是刀盘的泡沫喷口及喷水口。在推进过程中若出现堵管情况，必须及时进行疏通。保障渣土顺利排出。
4．3根据地层情况调整掘进模式
在黏土及黏粒含量较高的地层中，应注意控制掘进模式，当掌子面稳定时应尽可能采用气压辅助掘进模式。气压辅助模式是指在土仓内注入压缩空气或泡沫来置换部分渣土，以气压和土压来稳定掌子面，同时防止地下水通过掌子面进入土仓，减少水土流失。通过气压辅助掘进模式来防止黏土地层中“满仓掘进”，以降低泥饼生成的可能。
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