土压平衡盾构泥饼成因及防治措施

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1、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，

2、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・9m，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，

3、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

4、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9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。9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Φ6

5、280mm，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

6、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

7、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

8、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9一旦盾构机从始发井