大直径盾构刀盘泥饼的形成原因及防治措施探讨

李之淋

摘要：盾构刀盘泥饼形成会增加结构凝聚力，降低施工效率，甚至会堵塞管道吸浆口。大直径盾构刀盘泥饼形成会影响工程的进度，甚至会造成一定的安全隐患。本文结合具体的工程案例，探讨工程复杂地质结构中刀盘泥饼形成的原因，并提出了防治盾构刀盘泥饼形成的措施，满足实用性原则，希望可以为施工单位提供经验借鉴。

关键词：盾构刀盘泥饼；盾构设备；泥浆指标；隧道工程

引言：盾构施工因其技术先进性、施工安全性高等优势，在轨道、基础设施施工中广泛应用。应用大直径盾构施工掘进方法，会经常伴随刀盘结泥饼问题，泥饼会随着施工的深入不断变大。考虑刀盘泥饼的形成因素，探讨泥饼形成的主要原因，并结合具体的工程案例，探讨防治泥饼形成的主要措施，能够保障工程进度，优化工程质量。

1.工程案例

某地铁隧道工程盾构施工长度4250m，应用气垫平衡盾构机掘进施工。盾构施工地质结构比较复杂，隧道地质勘查土质结构为粉砂层、黏土层、粉质黏土层较厚，隧道施工深度45.8m，地下水水位深度28.4m，施工过程中刀盘形成大直径泥饼，严重影响了隧道施工进度[1]。

2.盾构刀盘泥饼形成原因

2.1地质结构原因

盾构刀盘中包含大量的细质砂土，凝结大量土质颗粒，碎屑凝固成块状，泥饼直径1.96米。结合地质勘查结果，地质结构中含有大量的可塑土壤，粉质土壤、黏土土壤、风化岩。地质中各类土层的力学差异较大，粘土颗粒较多，这是泥饼形成的主要原因。隧道结构中土质粘聚力较大，内摩擦参数较小，致使盾构刀盘形成泥饼。在此工程之中，在掘进398m之后，地质中粘土结构增加，厚度在5m以上，形成泥饼，直径也逐渐增加。经过调查，随着粘土中矿物质的增加，刀盘结饼速度也逐渐增加。

2.2设备结构原因

在隧道盾构掘进过程中，若盾构选型与地层结构不匹配，道具设计存在缺陷，也会导致掘进施工过程中出现大直径泥饼。若盾构刀盘开口率小，会导致盾构就削切土渣无法及时排除，辐条分割过细，刀盘表面也不利于渣土滑落，搅拌臂原件数量过少，泥渣无法搅拌清除，若吸浆口太小，筛板的堵塞也会增大泥饼直径。在此盾构工程中，刀盘开口率较小，辐条间隙包含3个加劲肋板，辐条缝隙分成4个小格，粘土堆积，冲刷系统布置不合理，致使其出现了大直径泥饼。

2.3盾构冲刷因素

冲刷系统是解决刀盘泥饼问题的重要方法，此工程中应用高压冲刷泥饼，能够防止大直径泥饼的出现。在本工程之中，在深处地质结构中包含很多圆砾，由于工程中的冲刷系统设计存在问题，当其进入软土层、粘土层时，刀盘上形成大直径泥饼，严重影响了施工进度[2]。

2.4施工控制原因

施工控制是影响刀盘泥饼的重要因素之一，施工操作人员若在施工操作存在失误，也会造成严重结饼问题。本隧道工程在掘进到2504m时，盾构司机对掘进参数变化认知存在问题，掘进速度与与盾构推力存在明显的差异，在地层未发生变化情况下，盾构掘进参数明显降低，操作人员未能及时调整推进参数，致使泥饼成结，并逐渐增大。

3.大直径盾构刀盘泥饼防治措施

（一）盾构设备优化升级

在盾构刀盘应用之前，应对其进行掘进试验，观察盾构机在不同土质结构下的泥饼结成形态。若在掘进施工过程中发展其大直径泥饼形成的趋势，应重新选型盾构机，结合工程实际情况，提高刀盘的开口率，优化盾构机结构。在本隧道工程之中，施工人员改造了刀盘结构，在盾构刀盘表面增加了滚刀设备，并焊接连接了撕裂刀设备，刀盘的宽度、高差等均得到了优化，在辅助应用基座和被装作式基座中，在掘进时结合不同的地质构造，应用适合的刀盘设备，进而实现增加刀盘结构隧道掘进适应性的目标，减少泥饼的直径。此外，在盾构结构优化升级过程中，设计人员通过增加冲刷系统的方式，增加部分冲刷口，应用高压水冲刷泥饼，应用高压水泵给予驱动力[3]。

（二）地质结构适宜应用

在掘进施工过程中，施工设计应做好全面的地质勘察作业，结合地质层的变化特征，应用不同的盾构设备参数、施工方法。由于掘进过程中缺乏地层判断的情况，应重视地质结构的全面勘察，探讨适宜的掘进策略。在地质勘查时，探测人员每隔50m设计一个探测孔，应用带压进仓方法对刀盘前地质状况进行素描，取样土质进行力学实验，保障信息的准确性，并指导于掘进施工。结合探查情况，圆砾、卵石地层结构在前186.3m，后续分别为粉质粘性土壤，黏土层，结合不同地质情况，应用不同的掘进力度、推进力。

（三）土层指标参数控制

在隧道掘进施工时，深入地表28米左右的区域存在地下水，在与粘性土壤结合基础上，产生了大量的泥饼，与刀盘结合形成泥饼。随着粘度的逐渐增加，造成刀盘结出大直径泥饼。对泥饼形成参数分析，泥浆比重与粘度若能保持在一定的范围之内，则会降低刀盘泥饼结成率，防止渣土固结。在此工程中，施工队伍对泥浆进行了取样试验，对粘土成分、含量等进行分析，对泥浆指标进行检测，若掘进时粘度超标，通过加注清水降低粘度，稀释粘度，降低刀盘泥饼结成率。除应用上述技术之外，应用离心机设备，可降低泥浆粘稠度，减少大直径泥饼形成。

（四）环流系统优化操作

盾构设备司机在操作过程中，通过调整扭矩力、推力的方式，结合速度变化指标，可减少粘土结饼状况的产生。刀盘在掘进旋切时，应在不断正反方向切换过程中，控制掘进速度。此隧道工程中，盾构施工人员为减少掘进泥饼形成，加排浆流量，辅助逆循环推进技术，及时抽取掉了刀盘削切的渣土，减少刀盘旋转吸浆造成的结饼问题。应用泥浆环流循环系统，能够预防大直径泥饼的产生。

（五）人工刀盘泥饼清除

泥饼形成是盾构施工的必然现象，当轻微泥饼形成时，对其进行冲刷清理，能够预防大直径泥饼形成。若刀盘泥饼形成较厚，刀盘结构空隙已经全部填满，密实度较高，则只能应用人工进仓处理泥饼。在此工程中，施工人员进入单盘仓置换泥浆，经过一段时间之后，人工带压进仓，应用风镐、撬棍、高压水枪等对刀盘中的大直径泥饼进行处理。处理结束之后，转动刀盘，处理下半圆抹泥饼，继续盾构施工作业。

结论：盾构施工技术虽然已经日趋成熟，但刀盘泥饼问题仍然存在，其对施进度、施工安全均造成了不良影响。施工队伍应重视盾构技术的完善，应用先进的防治技术，结合具体的地质勘查情况，合理配置盾构刀盘开口率，明确施工掘进参数，减少大直径盾构刀盘泥饼的产生，辅助应用冲刷系统，并通过人工带压进仓清除泥饼方式，减少大直径盾构刀盘泥饼的产生。

参考文献：

[1]王绪民，苏秋斓.不同地质条件下盾构掘进的材料消耗分析——以某地铁线越江段为例[J].湖北工业大学学报，2018，33（04）：100-104+120.

[2]郝用兴，雷超，周洋，等.基于AMESim的盾构刀盘液压驱动系统多级功率控制模式仿真研究[J].科学技术与工程，2018，18（05）：50-55.

[3]陈玉亮，张若松，李明锷.复合地层地质条件下复合式土压平衡盾构机刀盘泥饼防治[J].市政技术，2015，33（06）：165-169.