超大直径泥水盾构机在高水压复合地层中的刀盘脱困技术

超大直径泥水盾构机在高水压复合地层中的刀盘脱困技术

发表时间：2019-07-02T10:21:47.980Z 来源：《防护工程》2019年第2期作者：莫康康勾常春[导读] 南京市纬三路过江通道工程位于南京长江大桥上游约5km和已建成通车的南京纬七路长江隧道下游约4km处。

中交隧道工程局有限公司北京 100102 摘要：南京市纬三路过江通道工程位于南京长江大桥上游约5km和已建成通车的南京纬七路长江隧道下游约4km处。S线盾构段由江北始发井始发，穿过江北长江大堤经潜州、梅子洲，在江南上岸后与定淮门大街和江东北路顺接，盾构开挖直径15.02m。施工中承受的最高水压0.74Mpa，岩层段石英含量高达65%。江底隧道覆土厚度浅，覆土厚度只有0.6盾构直径；一次掘进距离长，盾构段长4.135km。盾构

掘进期间，所穿越的地层有淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂、砾砂、圆砾、卵石地层及粉砂岩，目前刀盘受困里程到达SDK4+710，所处地层分段为⑤-1中粗砂、⑥-1圆砾及卵石、⑧-2 粉砂岩，关键词：南京市纬三路过江通道盾构刀盘受困

1 刀盘受困原因分析

① 2月5日23点左右，推出式滚刀推出全部完成后，准备掘进时发现排泥管道堵塞，通过冲洗方式试图疏通管道，在此期间刀盘一直在转动。2月6日凌晨4点左右，人工停止刀盘转动，十分钟后启动刀盘，刀盘被困。

②盾构机刀盘转动所需要克服的扭矩为五部分:刀具切削土体的所需的扭矩T1；作用在刀盘面上的土压产生摩擦的所需的扭矩T2；径向负载所需的扭矩（刀盘面＋其他驱动部重量）T3；轴向负载所需的扭矩T4；密封阻力所需的扭矩T5。盾构扭矩计算值表

从盾构扭矩计算表中可以看出：克服作用在刀盘面上的土压产生摩擦的所需的扭矩占到总扭矩的94.67%。

③根据以上两点分析，目前刀盘受困的主要原因是坍塌的土体造成刀盘与土体之间的摩擦力产生较大的扭矩，而非因基岩或大石块卡住受困。因此，尽量清理坍塌的土体，减少土体与刀盘之间摩擦力引起的扭矩是刀盘脱困的关键。

2 刀盘脱困总体方案

为了能够实现带压进仓，同时清洗泥水仓的目的，将采用渗透-成膜-反冲的模式进行清洗泥水仓，既能形成稳定的泥膜又能较安全的冲洗泥水仓。在江面回填铺设软体排并压载完成后，采用小比重低粘度泥浆进行渗透，对土体进行一定的渗透，形成泥浆渗透带封堵地层，之后利用高粘度泥浆形成泥膜，最后采用大比重泥浆进行反循环冲洗，以清除泥水仓堆积的渣土，最终转动刀盘。若出现清洗完成后刀盘仍未脱困，将采用饱和带压进仓进行清理，达到刀盘脱困的目的。

3 刀盘脱困技术

3.1 压力设定

为防止击穿此处选用泥水压力设定计算公式的下限值计算公式，采用水土分算的方法，在水压力的基础上逐步增加压力，但不超过水土压力计算值的下限值，每次增加0.1Bar～0.2Bar。计算如下：盾构停机位置： SDK4+710 主动土压力系数：Ka=tan2(45°－Φ/2)=0.314，取盾构掌子面中心处对应土体的主动土压力系数。土的粘聚力：Cu=0

地面高程：-25.788

盾心高程：-51.579

江面高程：3.737（根据实测调整）该处泥水压力下限值为： Pa=水压力+土压力－2·Cu·sqrt(Ka)+30 =556.787Kpa+16.7214Kpa+25.6538Kpa+4.823Kpa+21.8795Kpa+16.6169Kpa+3.2656-0+30 =661.0562 Kpa =0.661MPa 综上，在水压0.54Mpa的基础上逐步增加，但是最大不超过0.661Mpa。

3.2泥浆参数选定

选择泥浆作为渗透泥浆，其首要条件是泥浆的颗粒粒径不能太大，也不能太小。泥浆颗粒太大容易淤堵表面，无法形成渗透带泥膜，颗粒太小则容易穿透地层，无法形成渗透带，泥浆选自回浆池中泥浆，作为泥浆渗透-成膜的基础泥浆，再掺入膨润土原土或者木屑。另外，还可以采用粘土浆进行地层渗透。在保证开挖面稳定的前提下，为了保证泥浆在实际地层中形成一段距离的渗透带，同时泥浆滤失不能太多，可选用5%～8%左右的纯膨润土浆（密度1.05g/cm3左右，粘度20s以上，d85为30～40μm左右）作为开舱用渗透泥浆，以填充地层的孔隙，增加地层的稳定性。

3.3 成膜参数选定

表4.3-1 泥浆性质一览表

如图所示在反冲循环过程中，MV12、MV13可以通过关闭MV11阀门，打开MV51阀实现排浆功能，但此时由于MV11阀关闭，MV14、15、MV41即不能正常进浆也无法实现排泥功能。

为了使MV12、MV13在排泥时，MV14、MV15、MV41仍可继续进浆，实现冲刷功能。把MV14、MV15与MV11上端的MV31阀连通，通过开关MV31阀，MV11阀关闭仍可实现MV14、MV15实现进浆功能,进行MV12、MV13排浆，MV14、MV15冲刷的反冲循环。

改造过程中增加管节两端均按设阀门，不影响设备原有使用功能。

3.5渗透-成膜-反冲循环施工工艺

第一步：进浆不排浆渗透

江面回填完成以后，采用MV12和MV13进浆管进浆不排浆的方法对盾构上部地层进行渗透，通过进浆量和切口压力变化情况判断地层的渗透性，并根据渗透情况及时调整配比和泥浆参数。

（1）首先采用原浆+膨润土原土的小比重低粘度泥浆进行渗透，比重1.06，粘度35-40s,进浆流量在5m3/min以内调整，渗透2小时（大约进浆量为600m3），观察切口水压变化情况，判断地层的渗透性。如地层渗透性较高，将采用原浆+粉细砂的泥浆进行渗透，增加泥浆中的粗颗粒，以便更好的封堵地层。如渗透量仍较大，将采用原浆+锯末面的泥浆进行渗透。

（2）在上一步渗透中，如切口水压无明显变化，则继续渗透，直至出现切口压力增大至水压+0.02Mpa（上部切口压力），并维持稳定，说明泥浆封堵地层有效果，进行下一步进浆排浆渗透。

第二步：进浆排浆渗透

第一步完成以后，采用MV41进浆，MV12和MV13排浆继续对地层进行渗透。

（1）渗透的泥浆采用原浆+膨润土原土的浆液，泥浆比重控制在1.06 g/cm3,粘度34s。

（2）进浆流量控制在6～10m3/min，排浆流量控制在10～12 m3/min。小流量反循环5分钟后，即切换到旁通模式进行循环，进排浆量按照38 m3/min，根据P2.1泵和P2.3泵进出口压力情况判断，直至管路畅通，如此反复。

（3）在上一步渗透中，如切口水压无明显变化，则继续渗透，直至出现切口压力增大至水压+0.02Mpa（上部切口压力），并维持稳定，认为MV41泥浆管以上地层形成了稳定渗透带.

第三步：进浆排浆渗透

第二步完成以后，采用MV14和MV15进浆，MV12和MV13排浆继续对地层进行渗透。

（1）渗透的泥浆采用原浆+膨润土原土的浆液，泥浆比重控制在1.06 g/cm3,粘度34s。

（2）进浆流量控制在10～12m3/min，排浆流量控制在12～15 m3/min。小流量反循环5分钟后，即切换到旁通模式进行循环，进排浆量按照38 m3/min，根据P2.1泵和P2.3泵进出口压力情况判断，直至管路畅通，如此反复。

（3）根据计算，砂土在MV14和MV15泥浆管高度处，上部258m3占总量80%，下部65m3占总量20%。排碴密度按照1.2g/cm3，排碴流量平均按照14 m3/min计算，MV14和MV15泥浆管以上的碴土排完需要的时间为266min。因为该工序为泥浆渗透的重要阶段，计划安排48小时（根据以往的经验和理论计算），因此在该渗透阶段在MV14和MV15泥浆管以上的碴土可以排完，具体情况根据实际干渣量和排浆密度确定。

（4）在上述循环中，中部切口压力升高0.02MPa并稳定后，认为MV14和MV15泥浆管以上地层形成了稳定渗透带，开始进入下一步泥膜的形成。

第三步：泥膜形成

目前停机位置DK4+710处，盾构底部基岩高度约为3米多，不需要形成泥膜。也就是基本在MV14和MV15泥浆管以上位置的地层需要形成稳定的渗透带+泥膜。