1、昆明地铁盾构施工过程中泥饼及喷涌问题的形成机理及预防措施摘要：以昆明地铁地处盘龙江与金汁河之间的金星站白云路站盾构施工为例，针对区间主要含水层为圆砾层，局部地段微具承压性且夹杂较多的粘土和钙质胶体、分布无规律、厚度不均等问题。文中阐述了盾构推进过程中的技术要点、难点和施工工艺，归纳总结了盾构推进过程中遇到泥饼和喷涌问题的解决方法及注意事项，并进一步分析问题的形成原因及预防措施,为同类工程施工提供参考。 关键词：盾构施工；泥饼；喷涌；预防措施 中图分类号：TU7 文献标识码： A Formation Mechanism and Preventive Measures of Mud Cake an
2、d Spewing in Kunming Subway Shield Construction Process LU Yao-ping Mine Construction 1st of China Pingdingshan Shenma Construction Engineering Group Co., Ltd, Pingdingshan 467000, China Abstract：In the Kunming metro shield construction process, taking the Jinxing to Baiyun station located between t
3、he Panlong river and Jinzhi river as an example. According to the interval of main aquifer is gravel layer, local section slightly with pressure resistance with inclusion of more clay and calcareous colloidal, simultaneously, which has the problem of irregular and uneven thickness. This paper descri
4、bes the technical key points, difficulties and construction process in the shield construction process, contemporary, summarizes the solving method and the matters needing attention, during the shiled encounter the mud cake and spewing problems. finally, further analysis the causes and preventive me
5、asures of the problems, which provided references for the similar project construction. Keywords: Shield construction； Mud Cake； Spewing； Preventive measures 1 前沿 随着我国进一步加大基础设施建设规模，地下空间的开发利用在缓解地面交通及日益增长的空间使用压力等方面日渐显示其优越性，地铁作为地下空间的有效移动载体越来越多地在各大中型城市得到应用1。地下工程建设任重而道远，树立正确的建设理念，开展经济、实用、高效、环保的隧道与地下工程建设，
6、尚有许多问题需要研究，有许多技术与方法需要开拓，对以往建设历史的回顾与反省，对以往经验与教训的分析与总结，从建设理念上进行探索，在工程实践中创新2。本文结合昆明地铁盾构施工中出现的问题进行分析与总结。 2 工程概况 昆明地铁二号线金星站白云路站区间全长 2091.03m，左右线各为1045.515m，线路左右线间距为 14.0m54.8m。区间线路最大坡度19.0，最小坡度 4.49，区间隧道纵坡呈“V”型，线路在进出站处竖曲线半径为 3000m，其它竖曲线半径为 5000m。覆土厚度 10.055.46m，主要穿越圆砾层。隧道衬砌采用单层钢筋混凝土管片衬砌，隧道管片内径为 5500mm，外径
7、 6200mm，厚 350mm，宽度为 1200mm，外部注浆防水。管片设计采用直线环、楔形环管片，楔形量为 37.2mm。每环采用“3B2L1K”形式，错缝拼装，弯曲螺栓连接。 2.1 工程地质 根据地质勘察资料，场地岩土层按成因划分为：上部地层主要为第四系全新统冲洪积层、第四系上更新统冲湖层、中下部主要为第四系上更新冲湖积的圆砾层、砾砂，其中盾构穿越段主要为圆砾层，其岩性特征、岩土承载力及变形指标见表 1。圆砾土中夹杂有钙质胶体，分布无规律，其厚度不均，厚的有 2m 左右，最大抗压强度达 40Mpa 左右。 表 1 圆砾层岩性特征、岩土承载力及变形指标 Tab1 Lithologic ch
8、aracter rock, soil bearing capacity and deformation index for round gravel layer 2.2 水文地质 地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水，局部赋存于人工填土层中的上层滞水，部分圆砾和砂类土等颗粒地层埋藏于粘土层以下，形成多层承压水，局部地段因隔水层分布的变化或受地下水开采影响，地下水位低于含水层顶板，形成层间潜水。 推进情况 本标段推进采用的是 2 台沈重 6480 复合式土压平衡盾构机，刀盘开口率为 35，中心开口率仅为 30如图 1 所示，区间段地层虽为圆砾层，但地层中夹杂大量的粘土，推进过程中，渣土稍改良不好，即
9、会产生泥饼。由于此圆砾地层中含水量大，当停机时间过长再次推进时会出现喷涌现象，泥饼和喷涌在施工全过程中似乎成了“孪生兄弟” ，总是相继或同步发生并造成管片拼装困难、掘进困难等3，现就泥饼和喷涌现象加以分析。 图 1 盾构刀盘 Fig1 Cutter head of shield tunneling machine 3.1 泥饼现象 3.1.1 泥饼的产生机理 泥饼是盾构刀盘切削下来的细小颗粒、碎屑在土仓内重新聚集而成的半固体和固结状的块状体4。泥饼的存在大大加重了刀盘和刀具的负荷，常常会使掘进参数出现突变，大大降低了施工效率，图 2 为刀腔中形成的泥饼。 3.1.2 泥饼的产生原因 （1）泡沫
10、剂有膨化、润滑和降低附着力的作用，对降低圆砾土和刀盘刀具温度也起主要作用，因此，推进当中泡沫的比例参数调配不好极易诱使产生泥饼。 （2）未能及时向土仓中加入水和膨润土改良，渣土和易性差。 （3）螺旋机转速没有和掘进速度保持动态平衡，导致土仓积土过多。（4）因系统冷却水温度偏高，或是刀盘高速旋转后与周围土体介质摩擦生热，使土仓内温度升高，对泥饼有“烧结促成”作用5。 （5）刀盘的开口率设计不合理，开口率过小致使渣土不能很顺畅进入土仓，堆积过多形成泥饼。 （6）同步注浆注入速度过快，致使浆液串流到土仓中与渣土粘合结成泥饼。 3.1.3 解决方法 （1）调整泡沫注入参数，泡沫的一般性配比3：泡沫剂含
11、量0.55，一般为 3重量比，水占液体泡沫剂+水总重量的9099；空气占泡沫总体积的 90，泡沫总体积占开挖下来土体总体积的 3060。施工当中查看泡沫发泡情况，使其达到最佳发泡效果。 （2）根据出渣情况，向土仓当中注入适量的水和膨润土改良渣土。 （3）调整刀盘转速、推进速度、土仓压力及螺旋机转速至合适参数，使其保持动态平衡。 （4）向土仓当中注入明洁 HHZ-B 型分散剂进行浸泡。原液 1.5m3，原液：水=1：3，加完后每一小时转动刀盘，左转 7 分钟、右转 7 分钟，刀盘转速 0.3rpm，浸泡 36 小时即可进行推进。 （5）开仓人工清除泥饼。在保证无有害气体，掌子面稳定，通气良好的情
12、况下，人工拿洋镐凿除，针对刀腔中的泥饼如图 2 所示，可用高压水枪清除，同时对刀具磨损和刀盘表面结泥饼的情况进行检查，对磨损严重的刀具要及时进行更换，期间土仓产生的积水可人工放入潜水泵抽取。 图 2 刀腔中的泥饼 Fig2 Mud Cake in knife cavity （6）在土仓隔板 1 点和 11 点位置各增设一注膨润土的管路原 3点和 9 点位有注入口，但当土仓中渣土多时注入改良效果不佳；在中心回转体下侧增设两路注水管路直接与土仓相连；在螺旋机安全门旁侧增设一注水管路。 （7）增大刀盘中心开口率，拆除刀盘中心旁侧的两把中心刀。 （8）合理调整同步注浆注入速率，使其与推进速度保持平衡。
13、 （9）一旦发现可能产生泥饼，可加大刀盘转速空转使泥饼在离心力的作用下脱落。 3.1.4 泥饼的预防 （1）推进当中，合理调整的泡沫注入参数（压力、流量、添加比例）， ，注意查看泡沫的发泡效果，降低刀盘结泥饼的情况，为达到更好的效果，亦可将分散剂以 0.3的比例加入到泡沫剂中6。 （2）观察出土情况，观察有无硬结的大块及出土的温度是否烫手，如发现立即停止掘进查找问题所在以免泥饼结死。 （3）观测分析盾构穿越地层的特性，严格控制好推进参数，当掘进中出现“速度逐步降低、推力明显增大、扭矩逐渐增大、螺旋机排土器出土困难”的情况时，预示刀盘、土仓及刀具已开始结泥饼，此时可提前向土仓注入分散剂浸泡。 （
14、4）必要时螺旋输送机内也要加入泡沫，以增加碴土的流动性，利于碴土的排出。 （5）推进当中可采用 2/3 仓土加气压模式掘进。 （6）施工过程中，必须保持刀盘和土仓的各泡沫、膨润土及水的注入口通畅。若出现堵管情况，必须及时进行疏通。 （7）循环水是刀盘冷却系统的主要介质，当外界气温高于 30、隧道内通风系统的功能较差时，随着单环掘进时间的增加，土仓内的温度很容易上升，因此应控制冷却水的温度，必要时需使用冰水5。 3.2 喷涌现象 3.2.1 喷涌的产生机理 当盾构处于土压平衡状态时7, 保持开挖面压力平衡时土仓所需要的压力如公式（1） ； (1) 同时，土仓压力与螺旋输送机的关系, 即螺旋输送机
15、压降和出口压力与土仓压力的关系如式（2） (2) 式中, 土仓压力, kPa； 水压, kPa； 为土压, kPa； 螺旋输送器出口的压力, kPa； P螺旋输送器对渣土所产生的压降, kPa。 一般在螺旋输送器出渣时, P0=0, 渣土从螺旋输送器进口到螺旋输送器出口的压降正好等于土仓内螺旋输送器进口的压力, 此时螺旋输送器能够正常出渣, 并且土仓内的压力能够保持所需要的压力，若不满足，则会在螺旋输送器出土口发生渣土喷涌。 3.2.2 喷涌的产生原因 （1）地层含水量大，停机时间过长时，大量的水积聚于土仓。 （2）推进过程中，改良渣土注入的水或膨润土量过多。 （3）泡沫参数的空气比例过大。
16、3.2.3 喷涌的解决 （1）盾构施工要求“连续、快速、稳定” ，施工过程中尽量避免停机过长的时间，保持施工的连贯性。 （2）根据渣土的改良情况，及时关闭或调整水的注入量。 （3）根据泡沫的发泡效果合理调整空气比例参数，避免空气比例过大造成喷涌。 （4）如地层含水量很大，可适当向土仓中注入高分子聚合物。 3.2.4 喷涌的预防 （1）如需长时间停机： 在脱离盾尾 3 环管片的位置处环向注入单液型 PU 发泡止水剂疏水性，注入至注不进为止； 在脱离盾尾 10 环位置处利用 YZB 系列液压注浆泵环向注入双液浆水泥：水玻璃=1：1，如图 3 所示，一般注入至压力稳定时为止； 在地面沿隧道方向距离刀
17、盘 3 米位置处打设 3 口降水井，井深至刀盘开挖底部下 2 米。 图 3 注双液浆 Fig3 grouting double slurry 土仓压力设定为外界水土压力，保持土仓内外压力平衡。螺旋机再次排土前，转动刀盘把土仓内的水、土充分搅拌，使其有良好的密水性，避免喷涌。 （2）一般情况下，人工开仓清除泥饼后，土仓下难免会积聚大量的水及与土分离的圆砾，为防止发生喷涌和分离的圆砾卡死螺旋机，关仓门之前提前向土仓中倒入 30 袋膨润土。 （3）推进结束时及时关闭注水阀门，发现渣土改良过稀时及时调小注水量。 （4）严格控制每环的进尺和出土量，保证盾构机连续均衡快速通过含水量大的区段。 结语 盾构推
18、进过程中的顺利与否，直接影响到施工的进度。本文通过对昆明地铁金星站白云路站区间盾构推进过程中的问题不断总结和摸索，总结出一套较为成熟的针对圆砾层土压平衡盾构掘进中如何解决和预防泥饼、喷涌现象的施工技术方法，为类似工程的建设提供参考和技术指导。 参考文献 1 郑石.广州地铁 2 号线延线泥水加压盾构隧道施工泥饼形成机理与防治措施J.轨道交通技术,2010,528. 2 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术M.人民交通出版社,2010, 01. 3 竺维彬,鞠世健.盾构施工泥饼的成因及对策J.地下工程与隧道,2003,2629. 4 陈乔松，刘德智.泥水平衡盾构机刀盘泥饼形成机理及防治技术J. 长沙铁道学院学报, 2011,12(2),214-215. 5 严辉.盾构隧道施工中刀盘泥饼的形成机理和防治措施J. 现代隧道技术, 2007,44(4),26-27. 6 宋明胤，郑杰元，包锦.粘土卵石层中的土压盾构施工技术J.山西建筑,2011,3710,179180. 7 张成.双螺旋输送器与喷涌的有效预防和处理J.都市快轨交通,2009,223,5861. 作者简介： 路耀平，男， （1988.8-） ，河南平顶山，本科学历，助理工程师，主
