渣土改良

复合式硬岩掘进机施工中的渣土改良

1 概况

神华新疆能源有限公司玛纳斯县涝坝湾煤矿副平硐工程是一条硬岩隧道，隧道主要岩性为粉砂岩及细砂岩。局部区间有特殊岩性出现，其主要岩性分布及特征如下：

泥质膨胀性粉砂岩：该岩性岩层岩层主要分布于隧道掘进开始至里程1.2km 处，其饱和状态下的单轴极限抗压强度值在8.6～30MPa，介于次软与次硬岩石间。软化系数在0.16～0.72之间，属易软化岩石。抗拉强度为0.80～8.0之间，与经验值相当或偏低，说明结构面较发育，岩石层间结合力一般偏弱。凝聚力3.9～38.4MPa之间，与经验值相符。内摩擦角在8.9°～33.9°之间，低于经验值，总体上抗剪断能力一般偏低。

角砾岩：主要分布于里程1.23km~1.85km，局部里程也有小范围分布。本工程主要角砾岩粒径范围在2mm~150mm之间，砾石主要以黑色、灰色、灰白色岩石组成，胶质结构主要以灰色钙质粉砂岩为主。饱和状态37-40.1Mpa；烘干状态100-110.2Mpa；天然状态78.9-81.5Mpa。

极破碎带岩块：主要分布于里程4.50km~4.60km，属于地质构造破碎带，岩性主要以灰色钙质细砂岩为主，饱和状态16.5-38.2Mpa；烘干状态25.7-108.7Mpa；天然状态23.4-51.8Mpa；软化系数K1为0.35-0.64，K2为0.71-0.74。为不易软化的较软岩。

2 渣土改良目的

施工过程中由于地质条件变化，出现了大量施工困难，主要出现的现象有：刀盘结饼，螺旋机堵塞，刀具磨损过快，螺旋机叶片磨损过快等。

膨胀性泥质粉砂岩粉砂岩

角砾岩煤

图3-1 岩石样本

刀盘结饼

泥质膨胀岩遇水膨胀且泥土与岩石固结后强度很高，且具有很高的粘黏性，在掘进施工过程中极易粘黏在刀盘开口及不平整位置，伴随着渣土不断地粘黏固结，刀盘重量不断增加，刀盘开口不断减小，刀盘刮刀、齿刀及滚刀的有效切削深度不断降低，致使刀盘外表面与岩石掌子面直接接触。由于本掘进机主要为硬岩隧道施工而设计，盾构机刀盘开口率只有25%，当粘性渣土在开口位置粘黏时，很容易出现刀盘结饼现象。刀盘结饼大大增加了刀盘扭矩，使得盾构机主驱动超负荷运转或者直接卡死。

刀盘结饼现象主要由于渣土流塑性低，渣土粘稠度高，掌子面岩层切削后有较高的粘黏性，岩屑固结能力强，岩层遇水膨胀等原因造成。基于造成不良现象的原因分析，我们对渣土进行所要做到的主要有提高渣土流塑性，降低渣土粘稠度，减弱渣土固结能力。

螺旋机堵塞

在隧道掘进过程中，工程面临了多次特殊性质的岩层。在盾构机穿越泥质膨胀性粉砂岩（里程0~1.2km）过程中，被切削下来的岩石遇到刀盘内部的水从而体积膨胀，使得渣土总量远大于开挖的土方量，增加了掘进过程中的出渣量。所切削下来的岩石碎屑遇水软化，产生的渣土具有很高的粘黏性，渣土在压力作用下极易固结。从而在螺旋机出渣过程机身外壳内表面和螺旋轴内部，极易出现大量渣土粘黏聚集。导致螺旋机扭矩增大，甚至堵塞螺旋机，使得螺旋机出土不畅，甚至于无法正常出土。角砾岩层掘进过程中岩层完整性好，角砾岩胶结物强度较高，从而使得掘进时切削下来的岩块粒径小，岩石粉末极多。渣土粒径小极易固

结，使得螺旋机堵塞出土不畅。

螺旋机堵塞主要原因在于渣土流塑性太差，且渣土粒径小粘滞性高，细粒粉粒成分高容易固结成块，岩石在螺旋机内部遇水体积膨胀等引起。基于此为了保障螺旋机正常出渣，应当尽量提高渣土流塑性，降低渣土粘稠度，使渣土具有较高的流动能力。

刀盘及刀具磨损

在隧道掘进过程中盾构机面临膨胀性泥岩和软弱岩层的挑战，部分被切削下来的岩屑粘黏在刀盘表面，使得刀盘表面通过岩屑于掌子面接触受力。掘进过程中刀盘转动岩屑摩擦刀盘表面，从而使得刀盘表面出现大量磨损。在软弱岩层掘进过程中，由于岩石强度低刀盘贯入度增高，开挖掌子面直接与刀盘表面及滚刀刀圈外表面接触。开挖过程中使得滚刀及刀盘外表面大量磨损。

刀盘及刀具磨损主要因为其外表面与掌子面接触摩擦而产生，为了降低摩擦可以通过对刀盘及刀具表面添加润滑剂，减低摩擦力，减小摩擦热来降低磨损。另外降低岩石强度软化围岩，也是有效的解决方案。

螺旋机叶片磨损

螺旋输送机叶片的磨损不同于普通的接触磨损，螺旋叶片的磨损主要在外缘，磨损随物料移动其磨损量增大。螺旋输送机工作时掘进区间岩体呈大块状砌体结构，岩体较完整。隧道硐身主要围岩以粉砂岩和细砂岩为主，岩石强度较高。在此种情况下，刀盘切削下的渣土在螺旋输送机搅拌出渣过程中仍对叶片有较大的摩擦，造成叶片磨损。随着螺旋机叶片的磨损，旋转轴在自身的重力作用下会出现偏磨现象，加速螺旋机叶片磨损。

对于螺旋机叶片磨损而言，螺旋机运输过程中一直伴随着叶片磨损，根据经验来讲，渣土流塑性好，岩块充分被泥浆包裹，渣土粘稠度底等，能够有效的降低螺旋机叶片磨损。

图3-2 岩层钻探图3-3 刀盘开口堵塞

图3-4 螺旋机叶片磨损严重图3-5 刀盘磨损严重

渣土改良的必要性

根据上述生产中的困难分析可以得出结论，为了解决生产过程中所遇到的以上困难，有效的解决问题，渣土改良势在必行，且渣土改良主要进行渣土流塑性改良，渣土粘稠度优化，降低渣土粘滞性，减小渣土于设备间的机械摩擦，软化围岩等方面进行改良。

3 改良研究

DZT6240复合式硬岩掘进机设计有泡沫注入系统、膨润土泥浆注入系统和土仓加水系统。施工过程中所面临的地质条件：膨胀性泥质粉砂岩，具有很高的含泥量和遇水膨胀性等特点，施工中极易产生刀盘结饼和螺旋机堵塞现象；角砾岩层岩石完整性好，胶结物强度高，掘进过程中产生的渣土颗粒小，粘滞性高。本工程施工过程中的渣土改良选择膨润土泥浆和泡沫剂混合液。

图3-6 试验岩样图3-7 坍落度桶

膨润土：膨润土细小颗粒土，能增加渣土的粘滞性、不透水性, 改善刀盘、刀具、螺旋输送机的工作环境, 改善土仓和螺旋输送机内渣土的性能, 便于渣土的流动与运输。

泡沫剂：改善土仓和螺旋输送机内的渣土的性能, 便于渣土的流动与运输, 当盾构施工通过透水性较强的砂土、含有少量粘土、粉砂细屑的砾石层或透水性较强的风化花岗岩地层时, 用泡沫剂进行渣土改良的效果明显优于应用膨润土泥浆。水：作为极常见和普通的粘土改良材料，普遍应用于所有的渣土改良工作中，水的使用可以降低设备工作运行中产生的温度，可以作为润滑剂降低渣土与设备间的摩擦，可以降低渣土间的粘黏性，可以有效的提高渣土流动性。

泡沫剂

工程所使用泡沫剂性能参数

本工程施工过程中所使用的泡沫剂，其主要技术指标如下：

表3-1 泡沫剂特性表