刀盘结泥饼现象是盾构机在强风化粉砂质泥岩中掘进时必须考虑和解决的问题。当刀盘中心被泥饼塞满时, 会造成很多不利影响^[1,2,3], 如盾构机械损伤变重、盾构掘进参数突变和掘进效率降低等。

近年来, 依托相关工程背景, 区穗辉^[4]、李志军等^[5]对盾构机结泥饼机理及处置措施进行深入研究, 总结出预防和清除刀盘结泥饼实用的方法和措施, 相关科研成果在工程实际中也得到很好的应用, 取得可观的经济与社会效益^[6]。

本文以衡阳二环东路合江套湘江隧道为背景, 通过开挖面原状土电镜试验和掘进参数正交试验等手段, 对刀盘泥饼形成机理进行分析, 为下一步的泥饼处治对策研究提供理论基础。

从宏观和微观角度研究岩土性状是两条互不矛盾的主线, 微观结构是指利用X光衍射仪或各种电子显微镜等现代技术手段才能揭示的实体结构特征^[7]。

借助扫描电镜等精密观察仪器, 土的压缩或流变等特性得以从颗粒骨架变化的角度得到有效观察和分析。本文主要是通过扫描电镜试验 (SEM) 观察开挖面强风化粉砂质泥岩的表面结构特征, 并利用X射线能谱仪分析元素组成得出原状土的矿物含量报告, 为下一步泥饼形成机理和防治措施研究提供微观数据支持。

虽然本试验中取出的开挖面原状土为强风化粉砂质泥岩, 强度较低且稳定性差, 但为岩块形式, 形状保持较完整。分别利用中南大学的VEGA II LMU型电子扫描显微镜和D/MAX-2500型X衍射仪进行试验。

主要步骤为: (1) 将岩样放入干燥箱内, 用适当高温进行烘干, 并用小刀切成厚度为2mm左右的长条状; (2) 将试样从干燥箱内取出, 敲断制作成6mm×4mm×2mm长方体, 并用导电胶将其固定在导电金属盘上; (3) 将试样放入真空离子溅射仪后, 在其表面镀一层金膜, 保证试样的导电性良好; (4) 将试样放入样品室, 抽成真空拍摄; (5) 采用先低后高的放大倍数, 确定结构特征和孔隙特征分布明显的观察区域, 并采用500, 2 000, 3 000, 4 000的放大倍数进行拍摄; (6) 将制作好的岩样在X衍射仪下进行试验, 得出衍射分析报告。

取自衡阳合江套湘江隧道开挖掌子面的岩样晾干后如图1a所示, 用岩样拍打地面, 稍用力即可破碎, 破碎情况如图1b所示。

按照试验步骤对强风化粉砂质泥岩进行制样观测拍摄, 不同倍率下的微观图像如图2所示。

强风化粉砂质泥岩的X衍射报告为:石英35.7%, 黏土矿物总量64.3%。

从图1中可看出, 岩样表面晾干后为黄褐色且相对光滑, 内部破碎面平整且为黑褐色, 由此可知开挖面强度低且含水、含泥量较高;从图2a所示电镜照片可看出, 岩样表面平整, 孔隙密布于砂岩表面且相对较小, 层状结构相对明显;对比图2可知, 随着放大倍数的增加, 岩样层状现象更加明显, 泥质中还有明显的有机斑块。由X衍射试验结果可知, 岩样中黏土矿物含量较高, 达64.3%, 主要为高岭石和伊利石等亲水性泥质矿物。

通过以上微观分析可知, 由于强风化粉砂质泥岩内部结构松散、胶结性差、孔洞明显, 所以孔隙水可很快进入粒间使泥粒软化、强度降低并压缩结块, 进而在盾构掘进过程中形成泥饼。

正交试验是处理多因素问题时常用的方法之一, 通过它可挑出最优因素组合, 具有试验次数少、分析全面的优点^[8,9]。

在盾构掘进中, 影响刀盘泥饼形成的因素有很多, 如土体参数、掘进参数、刀盘刀具配置等, 本文主要考虑掘进参数对泥饼形成的影响。通过对各掘进参数如顶推力、扭矩和旋转速度等和刀盘结饼率之间进行正交试验分析, 得出最佳掘进参数以指导施工。

本文正交试验步骤为: (1) 确定试验影响因素和水平范围, 制订合理的正交试验方案; (2) 根据已有正交试验表, 选择合适的加以利用; (3) 根据试验分组进行现场试验, 对泥饼形成数量、覆盖面积和厚度等进行评分, 并做好相关记录; (4) 规整试验记录, 分析数据, 确定合适的掘进参数。

试验考虑推力、扭矩和旋转速度3个因素, 每个因素又分为4个水平, 选择L₁₆ (4³) 正交试验表, 具体为:推力 (记为A, 单位k N) A₁=10 000, A₂=30 000, A₃=50 000, A₄=70 000;扭矩 (记为B, 单位k N·m) B₁=3 000, B₂=4 000, B₃=5 000, B₄=6 000;旋转速度 (记为C, 单位r/min) C₁=0.5, C₂=1.0, C₃=1.5, C₄=2。根据结饼程度分为0～9 10个等级, 0表示无泥饼, 9表示泥饼结饼率较严重, 试验分组及结果如表1所示, 极差分析法计算结果如表2所示。

经计算可知:

因此, 盾构机掘进推力对泥饼形成影响最大, 其次是扭矩, 最后是旋转速度。在不影响盾构正常掘进的情况下, 推力取为40 000kN, 扭矩为4 000kN·m, 旋转速度为1.5r/min时泥饼形成概率较低。

泥水盾构在强风化粉砂质泥岩地层掘进过程中, 如果相关措施不够完备, 较易发生刀盘中心被泥饼塞满的情况, 直接导致资源浪费与工期延误。因此, 对泥饼形成机理的研究也就显得十分必要。

在隧道开挖中, 根据泥水舱内机械结构布置方式的不同和泥浆压力控制手段的差异, 可将泥水加压平衡盾构分为直接控制型和间接控制型2种。

直接控制型泥水加压平衡盾构如图3a所示, 其工作原理为:泥浆由地面的泥水池经进浆管道进入泥水舱, 形成泥膜平衡外界压力, 切削后的渣土进入泥水舱, 经搅拌后通过出浆管道进入地面泥水分离处理站, 而后进入泥水池, 调整物理性能后使其循环进入泥水舱参与工作。

间接控制型泥水加压平衡盾构如图3b所示, 对比图3a发现其泥水舱中有空气回路且泥水舱中心多了一个半隔板, 在操作中可通过压缩空气使泥浆液面与开挖面平衡。

刀盘处泥饼的形成过程为:黏土矿物特别是砂质泥岩破碎遇水成泥后, 流动性差且黏结性较强, 刀盘在掌子面上转动时会产生大量热, 在热和压力共同作用下会形成密实泥块, 逐渐堵塞刀盘中心。

泥水舱泥饼的形成过程为:当渣土在泥水舱中堆积较多时, 会使得搅拌和出浆管道也无法有效将其排出, 渣土密实度逐渐增大, 最终形成泥块。

因此, 泥饼的形成原因可归纳为以下4个方面。

根据国内外盾构隧道相关资料, 结泥饼概率较大的地层为黏土层、黏土质层、泥质粉砂岩层、粉砂质泥岩层、全风化岩层和强风化岩层等。有的是土层, 有的是岩层, 无论从外观上还是岩土性能上进行比较, 这些岩土层的差别都较大。但从微观上来说, 这些地层中黏土矿物的含量都较高, 而构成泥饼的基础恰恰是这些黏土颗粒。因此, 这类岩土具有黏聚力较大而内摩擦角值较小的特点。

本工程中盾构隧道主要穿越湘江大堤及湘江河床, 地层变化较大, 主要地层情况为: (1) 在湘江西岸段地层由上至下分别为填筑土、粉质黏土、粉土、圆砾、中砂及强风化粉砂质泥岩, 此段盾构隧道洞身主要处于圆砾、中砂及强风化粉砂质泥岩中; (2) 过江盾构段地层由上至下分别为淤泥层、圆砾、强风化粉砂质泥岩及中风化粉砂质泥岩, 此段洞身主要处于强风化粉砂质泥岩, 部分地段隧道底部进入中风化粉砂质泥岩中; (3) 在湘江东岸段地层由上至下分别为填筑土、粉质黏土、圆砾、中砂及强风化粉砂质泥岩, 此段盾构隧道洞身主要处于粉质黏土、圆砾和强风化粉砂质泥岩中。

在本工程盾构掘进过程中, 多次出现刀盘结泥饼现象, 易结泥饼地区黏土矿物均在25%以上, 由此可见黏土矿物是导致泥饼形成的主要原因。

在设计过程中, 盾构机的选型要经过详细论证, 不仅要考虑盾构机形式, 还要对刀盘种类和刀具配置等因素进行综合考虑。泥饼的形成不仅是由于地层中黏土矿物含量较高, 盾构自身的设计缺陷, 如刀盘开口率较小、刀具分配不合理和环流系统存在问题等, 也会造成结泥率增大。盾构结构常见设计缺陷如表3所示。

从表3中可看出, 造成泥饼现象的原因有很多, 但主要原因还是刀盘中心的开口率不足。对相关工程资料统计后得出^[10,11,12], 当盾构机开口率>33%时, 才能有效降低结泥率。

在盾构掘进过程中, 不规范的施工控制也是引起泥饼产生的一个重要原因, 主要有如下2个方面。

1) 循环泥浆物理性能调试不合理便进入工作面在实际施工过程中, 有时因为地层特性的变化或泥浆物理性能检测不及时, 导致进入工作面的泥浆不合适, 起不到改良开挖面土层的作用。

根据泥水加压盾构机泥膜平衡掌子面水土压力的工作原理, 当浆液中含砂率过低时, 没有足够的砂土颗粒堵塞开挖面前土层孔隙, 便无法形成有效泥膜;当浆液密度过高时, 排出的泥浆密度更大, 便容易堵塞管道。由于切削下来的渣土无法及时排出而不断在泥水舱内堆积, 久而久之密实度增大, 便形成泥饼。

2) 操作人员对地质情况和机械性能不够了解在盾构掘进过程中, 盾构机操作人员特别是中央控制室操作人员需根据实时参数结合地层特性对结泥饼情况有较准确的判断, 但在很多情况下, 操作人员的经验较为缺乏。

因为对周围地质情况认识不清, 对隧道覆土厚度和周围建筑的分布没了解清楚, 缺乏必要的控制措施, 使得掘进参数不适合该地质环境, 出现参数异常时也不能做出快速准确的判断, 最终造成隧道超挖、欠挖甚至路面的大面积坍塌等事故发生。

因此, 在掘进过程中应认识到地质情况和参数表象是统一的整体, 只有这样才能更好地发挥人的作用。

盾构机在掘进过程中, 难免有些地方磨损严重, 如果没有及时进行刀具更换, 会导致不平衡力出现, 从而加重刀具磨损。在此过程中, 刀盘无法进行有效切土甚至可能出现空转, 而刀盘与地层之间摩擦产生的大量热能会使刀盘上泥浆加密成块, 最终形成泥饼。

掘进过程中, 当盾构刀盘上形成较严重的泥饼时, 刀盘的掘进参数会产生突变, 如扭矩增大和旋转速度降低等, 对泥饼进行有效处理后方可继续开挖。

泥水盾构中刀盘结泥时会产生很多不利影响, 导致出浆管道被大泥块堵塞和泥水环流系统发生故障等, 进而可能引起挤土效应、超挖造成的地表塌方和隆起事故等。

本文以衡阳二环东路合江套湘江隧道为工程背景, 通过开挖面原状土扫描电镜试验和掘进参数正交试验, 对泥水加压平衡盾构的泥饼形成机理进行研究, 主要得出以下结论。

1) 在扫描电镜下, 强风化粉质砂岩表面平整, 孔隙密布且相对较小, 层状结构相对明显;经X射线衍射试验, 发现黏土矿物质含量达64.3%, 主要为高岭石和伊利石等亲水性泥质矿物。

2) 强风化粉砂质泥岩内部结构松散、胶结性差、孔洞明显, 所以孔隙水可很快进入粒间使泥粒软化、强度降低、压缩结块, 进而在盾构掘进过程中形成泥饼。

3) 由掘进参数正交试验可知, 盾构掘进推力对泥饼形成影响最大, 其次是扭矩, 最后是旋转速度;在不影响盾构正常掘进的情况下, 推力取为40 000kN, 扭矩为4 000kN·m, 旋转速度为1.5r/min时泥饼形成概率较低。

4) 泥饼形成的原因有黏土矿物含量过高、盾构机设计缺陷、施工过程控制不规范和盾构机保养不到位等。

5) 当黏土矿物含量>25%、刀盘开口率<33%、循环泥浆性能不合理、作业人员对地质条件与机械性能认识不足和盾构机保养不到位等情况出现时, 均会引起结泥率增加。