膨胀性粘土中大直径泥水盾构的应用

膨胀性粘土中大直径泥水盾构的应用
摘要：扬州瘦西湖隧道采用泥水盾构法施工，穿越地质为全断面膨胀性粘土，地层呈中膨胀性，遇水易崩解，粘结力强，易粘结成团，颗粒微细，泥浆量大。

通过对该地层的特性分析，采取盾构刀盘冲刷系统和泥水循环系统改造措施，增设大块分离功能，采用多级分离，长距离管道输送，多级沉淀等方法，解决了大直径泥水盾构在全断面膨胀性粘土掘进粘刀盘、结泥饼，掘进困难，泥块泥团难输送，泥水难分离等施工难题，使泥水盾构首次在该地层得到成功应用，提高了掘进进度，保证了工程顺利实施。

关键词：泥水盾构；膨胀粘土；掘进技术
1 引言
在地下工程施工领域，采用泥水盾构法施工的工程项目中，其穿越地层多为岩石、砂土或砂性粘土类地质，在纯粘土地层长距离掘进的工程很少见[1]，而采用泥水盾构长距离穿越全断面膨胀性粘土没有先例。

膨胀性粘土具有遇水易崩解，粘结力强，易粘结成团，颗粒微细，造浆量大等特点，对大直径泥水盾构在全断面膨胀性粘土中的应用尚存在诸多技术难题[2]。

扬州瘦西湖隧道为保护文物和景区，采用超大直径泥水盾构深挖方案，盾构机将长距离全断面穿越膨胀性老粘土地层，在国内尚属首次[3]。

该地层具中膨胀性、隧道开挖时，开挖面长时间遇水侵泡极易崩解脱落失稳，切削的碴土在泥浆中极易粘结成团，造成刀盘结泥饼、搬运过程堵塞管道，造成盾构掘进困难，同时由于粘土颗粒微细，在泥浆循环、冲刷、搬运过程中会不断的溶解、破碎，产生大量的泥浆，且难以快速脱水分离，成为本工程亟待解决的施工难题。

2 工程背景与难点分析
2.1 工程概况
扬州瘦西湖隧道为扬州市规划的东西向重要城市交通通道，隧道全长约3.6km，盾构段全长1275m，单管双层设计，设计时速为60km/h，采用一台直径为14.93m的泥水盾构掘进施工。

盾构穿越全断面膨胀性老粘土地层，该地层标贯值达29~35击，含水率仅为21%左右，塑性指数达17.7~22.4％，地层强度高，粘性强，粘粉粒含量高达90%以上，自造浆能力极强，施工时会排出大量的泥浆，盾构施工过程中将产生约65万方泥浆[4]。

2.2 工程难点分析
扬州瘦西湖隧道工程是目前世界上直径最大的单管双层隧道，是首次采用泥水平衡盾构机在全断面膨胀性硬质粘土地层进行施工的隧道，没有成功经验可供借鉴，施工中面临多项技术难题：
（1）扬州瘦西湖隧道工程采用的是针对南京长江隧道地质量身定制的盾构机，为适应瘦西湖隧道全断面膨胀性粘土，必须对其进行适应性改造，使之有效克服刀盘结泥饼的难题，达到快速掘进的目的；
（2）由于盾构穿越地质粘度高、颗粒超细，施工中产生大量泥浆或结泥团，泥水分离及泥浆排放处理困难；全断面粘土地层掘进参数控制难度大。

（3）由于盾构在粘土地层掘进易产生泥团泥块，颗粒微细，泥水处理成为施工中的工程难点之一。

3 膨胀性粘土特性及关键施工技术
3.1 膨胀性粘土物理性质
瘦西湖隧道地层粘性土蒙脱石含量M为25.39%，粘土颗粒组分微细，0.075mm以下颗粒达99.6%，0.005mm以下颗粒达44%。

该地区土体具有遇水膨胀，失水收缩，测试平均膨胀率Fs为76%，为中等膨胀性，由于在泥水盾构掘进开挖土体浸水或泥浆时造成土粒间的结构联结和强度丧失，极易导致表层土体崩散解体。

试验表明，在静水或静止泥浆中，崩解成2mm以下的颗粒的量很小，只占不到试样总体积的3%。

粘土一旦溶于水中形成泥浆，将非常难以利用机械方法进行有效分离，泥水盾构在该地层实际掘进时，由于受到刀盘切削、泥浆冲刷、高压输送、土体崩解、长距离管道运输等作用，经泥水分离设备分离后的超过2mm以上的粘土块或大颗粒仅为碴土总量60~65%，其它均经剪切或拌合作用形成大量废弃泥浆，给泥浆处理带来巨大困难。

粘土块在泥浆管道动力条件下，运动的距离越长，溶解破碎量越大，重新粘结成块状土体颗粒的概率也越大，因此在管道终端形成无棱角的外表圆滑的土块，泥水分离设备进行及时分离。

3.2 盾构机适应性改造
图1刀盘冲刷口布置图图2刀盘冲刷系统管路布置图
（1）刀盘冲刷系统改造方案
从盾构机主机处进浆管引以专用管道，采用90KWP01加压泵加压后，通过盾构机中心锥的中心回转接头分6个支管（见图2），分别引入的六个主臂，每个支管采用电磁阀可独立切换控制，每个主臂设置4个冲刷孔，冲刷孔外设置保护块。

为了更好的实现冲刷效果，专门从中心回转接头处连接一个独立的中心冲刷管路，中心冲刷设置6个冲刷口，分别布置在泥水及碴土汇流集中处（冲刷口布置见图1），以上所有冲刷口均可通过控制室独立远程控制，实现独立加压冲刷、交替互换冲刷和全面冲刷功能。

（2）泥水舱出浆吸口冲刷系统改造方案
高压冲刷系统采用直径250mm专用高压管道从地面清水池开始敷设，采用2台功率55KW，流量144m3/h，压力10Bar的加压泵在地面加压后，到达盾构机后分成4根ø100支管，每个支管分别连接一台功率37KW，流量70m3/h，压力14~18Bar的增压泵，再用ø60高压管从增压泵引入舱内前闸门下方，全部均布固定在前闸门后方壳体内壁上，分别采用4个ø20高压喷头正对出浆管吸口进行高压冲刷，使刀盘切削下的碴土，及时通过排浆吸口带走，解决了泥水舱底部碴土堆积、管道堵塞、携碴不畅等难题，加快了掘进进度，保证工程的顺利进行。

3.3 膨胀性粘土地层掘进参数控制
由于切削下来的土与泥浆、地下水混合后，形成粘性很大的泥团，容易粘连在整个刀盘上，使滚刀无法转动，并导致掘进速度大幅下降，甚至还有可能造成大刀盘频繁发卡，如下图所示，极大的影响盾构机切削能力，降低掘进效率。

施工中应注意以下问题：
（1）在掘进过程中，一定要加强对地上地下设备参数的监测，经常切换刀盘转向，并切换泥浆喷嘴，保证泥浆对整个刀盘面都进行有效的冲洗，另外掘进完成后不要立即停止泥浆循环，而应利用泥浆循环对刀盘进行冲洗，尽量排空刀盘里的土体，并且每间隔2～3环，利用高压清洗管和高压水泵对刀盘面进行冲洗。

（2）加大进排泥浆流量，以便清洗刀盘和及时将渣料排出,尽量避免刀具被粘土糊住，刀具发生偏磨，进而磨损刀盘刀盘中形成泥团。

（3）在粘土层等软地层中掘进要密切注意干砂量的变化，掘进速度要根据干砂量的变化来调整，防止出现超挖和欠挖。

如果开挖土量超过盾构机掘进过程中实际应开挖量，就会出现超挖，引起地层沉降；相反，如果开挖土量少于盾构机掘进过程中实际应开挖的量，就会出现欠挖，将会引起刀盘堵塞或地层隆起。

因此，只有控制好干砂量，才能僻免超挖和欠挖。

（4）当发现刀盘扭矩和推力增加、掘进速度下降明显时，应停止掘进用泥浆或高压水清洗刀盘，采取以上措施仍无法解决问题时，立即停止掘进，进舱检查刀盘的情况，如堵塞十分严重时，只能采取人工进行清理。

针对盾构在膨胀性粘土地层掘进时，刀盘易结泥饼、泥水舱及管道易堆积堵塞、刀盘扭矩大、推进速度慢、泥水难分离、弃浆量大等特点，在该地层掘进时须严格控制掘进参数，采取保持稳定压力、低转速、低贯入度等措施，加大循环流量，增加吸口冲刷流量及压力，慢速推进，一般每环管片（2m）推进时间控制在3~4小时为宜。

在转速一定的情况下，贯入度越小，切削粒径越小，刀盘切削下的碴土量也越少，同时再加上吸口处高压冲刷输送作用，碴土在舱内就容易
及时被带走，减小舱内堆积及堵塞管道的几率。

另外在管片拼装期间，还要加大循环出碴时间，避免长时间停机，减少粘土在舱内或管道沉积结块的几率，保持泥浆循环系统携碴流畅，保证了盾构的正常掘进。

具体掘进参数控制见表1。

表1 全断面膨胀性粘土盾构掘进参数控制一览表
项目名称工作参数备注
掘进速度10~20mm/min
刀盘转速0.8~1.0r/min
贯入度 10~15mm/r 减小切削颗粒
刀盘扭矩 3.0～5.5 MN·M
刀盘冲刷口压力大于3.0Bar 防止粘刀盘
泥浆吸口冲刷流量4*70 m3/h 防堵塞泥浆吸口
泥浆吸口冲刷压力14~18Bar 防堵塞泥浆吸口
进浆流量2000~2200 m3/h
出浆流量2200~2400 m3/h 最大2500 m3/h
进浆比重小于1.1
进浆粘度小于25s 减少粘土粘结
3.4 泥水设备改造及泥水处理
由于盾构在粘土地层掘进易产生泥团泥块，颗粒微细，在泥水分离设备预筛和旋流功能的基础上，增设大块分离功能，盾构机产生的碴土通过排浆管道首先进入大块分离机，将管道内超过15cm大泥块分离后，进入泥水分离设备的进行筛分（详见流程图3）。

图3 碴土分离及多级沉淀流程图
4 结束语
（1）通过大直径泥水盾构在扬州瘦西湖隧道全断面膨胀性粘土地层的成功
应用，有效解决了盾构刀盘结泥饼、泥水舱及管道易堆积堵塞、刀盘扭矩大、盾构推进速度慢，泥水分离困难等一系列施工难题，加快了施工进度，提高了施工效率，节省了工程造价。

（2）针对泥水盾构在膨胀性粘土施工中遇到的问题，通过对泥水盾构和泥水分离设备的技术型改造、盾构掘进参数调整控制、以及利用长距离泥浆管道输送、多级泥浆沉淀方法的技术总结，形成了一套泥水盾构在全断面膨胀性粘土地层有效掘进的控制措施，为盾构机制造、类似工程项目规划设计和施工提供参考和借鉴。

参考文献
[1]尹旅超等编译.日本隧道盾构新技术[M]. 武汉: 华中理工大学出版社,1999.
[2]张帅坤. 庆春路过江隧道黏土地层盾构掘进方案及存在问题探讨[J]. 铁道建筑技术,2012（10）：28~31.
[3]张凤祥,朱合华,付德明. 盾构隧道[M]. 北京: 人民交通出版社,2004.
[4]中铁第四勘察设计院集团有限公司. 扬州瘦西湖隧道工程岩土工程勘察报告[R]. 扬州: 中铁第四勘察设计院集团有限公司, 2011.。