陳純潔

（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450001）

0 引言

泥漿堵塞一般指泥漿在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)上形成泥餅，堵塞刀盤(pán)泄渣口、致使掌子面渣土無(wú)法順利排出、盾構(gòu)機(jī)總推力無(wú)限增大、嚴(yán)重可導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)段地面隆起、坍塌、導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)被掩埋等重大風(fēng)險(xiǎn)。

1 泥漿堵塞的形成原因和黏附機(jī)理

泥餅形成的主要原因是由于黏土遇水后，黏土中的陽(yáng)離子在水里解離，形成擴(kuò)散雙電子層，而刀盤(pán)表面帶負(fù)電，由于同性電荷互相排斥，刀盤(pán)上的片狀結(jié)構(gòu)分散開(kāi)來(lái)，導(dǎo)致黏土膨脹，形成泥餅。刀盤(pán)上附有泥餅后，盾構(gòu)機(jī)在推力、扭矩、推進(jìn)速度3 個(gè)參數(shù)上發(fā)生明顯變化，會(huì)使盾構(gòu)機(jī)不能正常工作，渣土溫度逐漸升高，因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)工作都在地下，環(huán)境溫度不高，所以可以看見(jiàn)渣土上有非常明顯的水蒸氣，如果盾構(gòu)機(jī)在刀盤(pán)結(jié)泥餅的情況下掘進(jìn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，盾構(gòu)機(jī)往往會(huì)出現(xiàn)刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)溫度過(guò)高的現(xiàn)象，因?yàn)榈侗P(pán)扭矩增大、大盤(pán)旋轉(zhuǎn)做功產(chǎn)生熱量無(wú)法散出，可能出現(xiàn)“主驅(qū)動(dòng)齒輪油溫度過(guò)高”故障報(bào)警。

高分子聚合物一般在液態(tài)下會(huì)呈現(xiàn)3 種狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、黏流態(tài)。而黏土在地下壓力作用下，對(duì)水分的吸收處于飽和狀態(tài)，在進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，黏土的壓力變成常壓，泥土和水分充分接觸，呈現(xiàn)黏流態(tài)。黏流態(tài)高分子聚合物在外力作用下發(fā)生形變不能自發(fā)恢復(fù)，所以泥土就會(huì)一直附著在刀盤(pán)表面。隨著時(shí)間的累積，泥土在刀盤(pán)上不斷累積，泥中的水分不斷被擠出，導(dǎo)致泥土與刀盤(pán)表面黏附作用力變得越來(lái)越大，因此泥土在刀盤(pán)表面上形成泥餅，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的堵塞情況。

2 泥漿堵塞實(shí)驗(yàn)

2.1 選取實(shí)驗(yàn)原料

選取成都市地鐵五號(hào)線(xiàn)某標(biāo)段隧道泥巖，市面上能夠購(gòu)買(mǎi)的蒙脫土。

2.2 選取實(shí)驗(yàn)設(shè)備

選取試驗(yàn)設(shè)備為模擬盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)和黏土對(duì)比試驗(yàn)設(shè)備。

2.3 實(shí)驗(yàn)樣本處理

將隧道泥土用水?dāng)嚢瑁^(guò)濾雜質(zhì)選取上層泥漿水，進(jìn)行靜置。等到上層清液和下次泥漿水完全分層，將清液分離，取出下層泥漿水進(jìn)行離心機(jī)分離，分離出的泥土用烘干箱進(jìn)行烘干。將烘干的泥土粉水后作為本次實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)樣本。

2.4 測(cè)試試驗(yàn)樣本的黏流態(tài)水分

取出10 g 的試驗(yàn)樣本泥土，放入燒杯中，一邊加水?dāng)嚢?，一般測(cè)量樣本的黏度變化，記錄黏度最大時(shí)，水的添加量。

2.5 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)模擬實(shí)驗(yàn)

將試驗(yàn)樣本加入一定量的水，使試驗(yàn)樣本達(dá)到黏度最大時(shí)的水量。充分?jǐn)嚢柙囼?yàn)樣本，放入實(shí)驗(yàn)隧道中，使試驗(yàn)樣本充分分布在隧道內(nèi)壁上，再加入適量的水分進(jìn)行浸泡，一段時(shí)間后倒出水分，使用盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)困難后，取出盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)，測(cè)量盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前進(jìn)的深度。

2.6 試驗(yàn)樣本保水性的測(cè)量

將試驗(yàn)樣本加入一定量的水，使試驗(yàn)樣本達(dá)到黏度最大時(shí)的水量。充分?jǐn)嚢柙囼?yàn)樣本，做出泥餅，切成大小質(zhì)量基本一致的小泥塊，分別放入燒杯中，加入同樣重量的水，設(shè)定0.5 h、1 h、2 h、3 h 時(shí)間，分別倒出燒杯中剩余的水，計(jì)算泥塊的吸水率，用黏土對(duì)比試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量泥塊的黏度變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 試驗(yàn)樣本泥土的黏流態(tài)水分

選取10 g 試驗(yàn)樣本和市面上購(gòu)買(mǎi)的蒙脫土，放入不同的燒杯中，一邊加水?dāng)嚢瑁话銣y(cè)量樣本的黏度最大值，加入水的用量見(jiàn)表1。

通過(guò)試驗(yàn)樣本和市面上的蒙脫土洗水后最大黏度時(shí)的水量進(jìn)行對(duì)比得到，試驗(yàn)樣本和市面上的蒙脫土土樣性質(zhì)是有區(qū)別的，并且市面上的蒙脫土達(dá)到最大黏度時(shí)需要的水量更大。

表1 兩組不同來(lái)源土樣的黏度最大時(shí)的水量

3.2 試驗(yàn)樣本保水性的測(cè)量

根據(jù)2.6 試驗(yàn)，分別計(jì)算不同時(shí)時(shí)間內(nèi)泥土的吸水量，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2 可得，試驗(yàn)樣本在最開(kāi)始吸水量隨時(shí)間的延長(zhǎng)是在逐漸增加的，在2 h 時(shí)吸水量最高達(dá)到3.22 mL，隨后逐漸降低。同時(shí)試驗(yàn)樣本的黏度隨吸水量的增加也在增加，2 h 后吸水量逐漸減少，黏度也在隨之減少。

表2 樣本在不同時(shí)間的吸水量和黏度

3.3 盾構(gòu)機(jī)設(shè)備和形成泥餅的因素

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行分析，對(duì)泥餅產(chǎn)生的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3。

表3 泥餅產(chǎn)生的影響因素

由表3 可知：造成泥漿堵塞的主要影響因素在刀盤(pán)和刀具上，如果刀盤(pán)和刀具的選擇不合理，就很容易形成泥餅，造成泥漿堵塞，影響到盾構(gòu)機(jī)的正常工作

4 泥漿堵塞的解決方案

4.1 對(duì)當(dāng)?shù)赝翗舆M(jìn)行充分了解

解決盾構(gòu)機(jī)泥漿堵塞的方法就是改變泥土的液態(tài)形態(tài)，使其不變成黏流態(tài)，所以在進(jìn)行相應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)工程時(shí)，需要對(duì)當(dāng)?shù)氐耐翗舆M(jìn)行充分了解。對(duì)工程地下土樣進(jìn)行分析，得到當(dāng)?shù)赝翗拥淖畲笪屎宛ざ?，以便更好得施展工程。同時(shí)工作人員可以研究相應(yīng)的水藥劑，能夠使當(dāng)?shù)氐耐翗釉谒巹┑淖饔孟率ヰば?，從而在液態(tài)下不會(huì)變成黏流態(tài)，附著在盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)上，形成泥餅，就不會(huì)造成泥漿堵塞的情況，影響盾構(gòu)機(jī)的正常工作。

4.2 對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新

在進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)工作上，隧道的泥土難免會(huì)遺留到刀盤(pán)上，所以防治刀盤(pán)上形成泥餅的最好方式，就是對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新[1]。近幾年來(lái)盾構(gòu)機(jī)制作商嘗試在刀盤(pán)上添置高壓水沖洗裝置，其目的是想在盾構(gòu)機(jī)工作后用水及時(shí)清洗掉刀盤(pán)上的泥土，防治泥土形成泥餅，影響盾構(gòu)機(jī)的正常工作。但實(shí)際上用水沖洗這樣的方法并達(dá)不到預(yù)期效果，反而會(huì)增加隧道中泥土的黏流性，更容易形成泥餅。而后經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，將刀盤(pán)正面的渣土改良劑改為加水，其目的是將隧道中的泥土和刀盤(pán)上的水充分混合，就不會(huì)過(guò)多依附到刀盤(pán)表面，同時(shí)水能夠降低盾構(gòu)機(jī)工作的溫度，從而降低泥餅形成，有效改善泥餅形成的問(wèn)題。這樣的措施雖然已經(jīng)有較大改善，但仍然不能完全解決泥漿堵塞的問(wèn)題。

4.3 盾構(gòu)機(jī)的刀具合理選擇

盾構(gòu)機(jī)刀具的平面布置和軌跡間隙選擇不合理都會(huì)造成泥餅的形成，所以在刀具的選擇上需要注意合理選擇，需要充分考慮到刀具的均衡性，和刀具的破巖機(jī)理[2]。由于地下泥土多屬于符合地層，其特點(diǎn)是部分地質(zhì)松散或節(jié)理較為發(fā)育，即刀具剛進(jìn)入土壤還未進(jìn)行刮刀作用，泥土已經(jīng)剝落。這樣的情況就很容易造成刮刀清除渣土不徹底，如果清除渣土不徹底，遺留在刀具面板上的渣土風(fēng)化后的顆粒與刀盤(pán)摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量，使黏土水分流失，黏在刀具表面上，再經(jīng)過(guò)盾構(gòu)機(jī)正常工作產(chǎn)生的熱量，不斷加溫，黏土的面積不斷擴(kuò)大，形成泥餅，就會(huì)影響到刀具的正常工作，從而影響到盾構(gòu)機(jī)的正常工作。

4.4 加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)施工的監(jiān)管

由于盾構(gòu)機(jī)泥漿堵塞會(huì)影響到盾構(gòu)機(jī)的正常工作，影響盾構(gòu)機(jī)的工作效率，造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失。所以相關(guān)施工部門(mén)應(yīng)該要重視對(duì)盾構(gòu)機(jī)施工的監(jiān)管，設(shè)立相關(guān)的監(jiān)管人員對(duì)盾構(gòu)機(jī)施工進(jìn)行監(jiān)管。①施工前，對(duì)隧道泥土、施工設(shè)備的檢查工作進(jìn)行監(jiān)管，確保施工能夠順利進(jìn)行；②施工時(shí)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)以及盾構(gòu)機(jī)操作人員進(jìn)行監(jiān)督，保證盾構(gòu)機(jī)能夠正常工作，同時(shí)盾構(gòu)機(jī)操作人員具備專(zhuān)業(yè)的掘進(jìn)技術(shù)，能夠保障盾構(gòu)安全施工。一旦施工中發(fā)生任何問(wèn)題，監(jiān)管人員也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并上報(bào)處理，最大化降低盾構(gòu)機(jī)的問(wèn)題；③施工結(jié)束后，需要對(duì)當(dāng)天的工作進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)工作完的設(shè)備進(jìn)行檢查，確保盾構(gòu)機(jī)上沒(méi)有泥漿堵塞的情況，一旦發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)上、刀具上、環(huán)流系統(tǒng)、出渣口形成泥餅，需要對(duì)泥餅進(jìn)行沖洗，必要時(shí)候可以通過(guò)人工清理的方式進(jìn)行清除泥餅，能夠有效保障盾構(gòu)機(jī)第二天的正常工作，防止因?yàn)樾纬赡囡?，而?duì)刀具造成磨損，影響盾構(gòu)機(jī)的正常工作[3]。

盾構(gòu)機(jī)的監(jiān)管工作必須要認(rèn)真落實(shí)完成，必要時(shí)需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行定期檢查，這樣才能保證盾構(gòu)機(jī)的正常施工，同時(shí)相關(guān)的工作人員也需要定期對(duì)復(fù)合底層的地質(zhì)情況，刀具磨損情況進(jìn)行登記，以便更好的進(jìn)行工作。

5 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)的泥漿堵塞一般指泥漿在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)上形成泥餅，影響盾構(gòu)機(jī)的正常工作。研究得出，盾構(gòu)機(jī)容易發(fā)生泥漿堵塞的地方在刀具和刀盤(pán)上，少部分發(fā)生在環(huán)流系統(tǒng)、出渣口，可以在對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新方面和盾構(gòu)機(jī)的刀具選擇方面進(jìn)行改進(jìn)，工作人員需要定期對(duì)隧道泥土進(jìn)行檢驗(yàn)，可以使用水藥劑控制泥土不會(huì)形成黏流態(tài)，而形成泥餅，影響盾構(gòu)機(jī)工作。同時(shí)需要設(shè)立相應(yīng)的監(jiān)督崗位，對(duì)盾構(gòu)機(jī)工作進(jìn)行監(jiān)督，確保每天盾構(gòu)機(jī)上都沒(méi)有形成泥餅，來(lái)保證到第二天的正常工作。