粘土地層盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)

1、粘土地層盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)在粘土地層中的掘進(jìn)，目前在國內(nèi)外都還是一個技術(shù)難題。在廣東LNG工程盾構(gòu)穿越項目中，我們在盾構(gòu)始發(fā)后，就遇到了粘土地層，不僅如此，掘進(jìn)斷面上半部分及超過十多米的覆蓋層上全是粗砂和礫砂，而下半部分是殘積的粘土。這樣的地質(zhì)斷面水壓大，透水性很強(qiáng)，砂層中極易發(fā)生超挖和欠挖導(dǎo)致坍塌，在工程技術(shù)上幾組技術(shù)參數(shù)相互矛盾：1、要求泥漿指標(biāo)高，要保證適當(dāng)?shù)恼扯取⒈戎?、失水，保持足夠的護(hù)壁性能，但是粘土特別是殘積性粘土，自身有很強(qiáng)的造漿性能，很容易黏附在刀盤內(nèi)形成泥餅，獨塞進(jìn)渣孔和刀孔，導(dǎo)致刀具的偏磨。2、結(jié)構(gòu)松散，自穩(wěn)性差，很容易卻削和攜帶，不需要切削僅通過泥漿抽吸就能大面積脫落，但粘

2、土結(jié)構(gòu)致密，自穩(wěn)性強(qiáng)，很難形成大塊卻削；針對實際地質(zhì)情況和設(shè)備情況，我們主要采取了以下一些措施。一、盾構(gòu)機(jī)刀具配置根據(jù)目前的刀具配置不適合粘土層隧道掘進(jìn)，刀盤刀具布置圖如下所示：刀盤布置示意圖針對粘土、礫砂混合地層，這種刀具配置不適合，開孔率太小，并且滾刀間的縫隙比較小，容易造成堵賽，刀具不能自轉(zhuǎn)，容易產(chǎn)生偏磨，進(jìn)而損壞刀體；另外由于粘土中含砂量高，刀孔堵塞后，刀具在自轉(zhuǎn)過程中被包裹在刀圈周圍的泥砂磨損，而且磨損速度快，特別是刀圈的兩側(cè)，越磨越薄，最終導(dǎo)致刀具完全磨損。如下圖所示。刀具發(fā)生偏磨刀具均勻磨損因此在粘土地層中掘進(jìn)擬采用先行齒刀替換雙滾刀，這種先行齒刀自身不轉(zhuǎn)動，只能作微小的擺動，有

3、效的防止了因刀具自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的磨損，又能有效的切割軟土，中心滾刀亦采用線形齒刀代替，如下圖所示：替換滾刀的線型齒刀中心線型板力采用先行齒刀能有效切削掘進(jìn)面，并且增加了刀盤的開口率，防止在刀盤中心部位形成泥餅，減少刀盤被堵的幾率，能明顯提高掘進(jìn)速度。針對本盾構(gòu)設(shè)備的刀盤，擬對中心刀1#4#,雙滾刀5#10#都采用先行齒刀替換，保留外圈的保徑滾刀。二、泥水噴嘴配置在粘土層中掘進(jìn)，要防止粘土堵塞刀孔和刀盤，則需及時地把切削下來的磴料排出，防止因排出不及時而形成泥餅，這就需要泥漿在刀盤里產(chǎn)生環(huán)流，以便及時有效的排出磴料。但M606盾構(gòu)設(shè)備沒有泥漿噴嘴直接進(jìn)入刀盤前面，無法有效形成環(huán)流，青色管路為后增加進(jìn)

4、漿管路，如下圖所示：糠管路示意圉針對這個問題，經(jīng)過和海瑞克技術(shù)人員磋商，決定增加兩路3寸泥漿管進(jìn)入刀盤前，如上圖青色管路所示，但經(jīng)過一段時間試驗，發(fā)現(xiàn)效果比不理想，由于管徑所限，進(jìn)入刀盤前的泥漿非常有限，起不到?jīng)_洗刀盤的效果，無法根本解決問題。由于目前不可能停止掘進(jìn)，來徹底改造泥漿管路，所以目前只能是采取停機(jī)后多循環(huán)的方法來減少刀盤被堵的幾率。三、泥水處理系統(tǒng)本工程泥水系統(tǒng)采用二級泥水處理。采用一臺宜昌黑旋風(fēng)工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的ZX-500泥漿處理系統(tǒng)對泥水進(jìn)行分離，其最大處理能力3500m3/h。處理的過程為：由排漿管排出的泥漿進(jìn)入ZX-500泥漿處理系統(tǒng)，利用震動分離篩將泥塊、碎石進(jìn)行首

5、次分離，由振動篩分離出來的泥漿，進(jìn)入泥水分離旋流器內(nèi)，進(jìn)行循環(huán)分離，分離粒徑45仙m以上的砂土，分離器分離出來的泥漿，進(jìn)入泥漿池中進(jìn)行循環(huán)使用。由于粘土中的含砂量特別大，經(jīng)過泥水分離設(shè)備分離后含砂量仍然能達(dá)到1%左右，對泥漿的比重影響比較大，另外泥漿中的砂對刀具的磨損特別嚴(yán)重，在掘進(jìn)到一百米的時候，旋流器就被磨穿了，內(nèi)襯材料被磨損變形，直接影響旋流器的分離效果，如下圖所示。旋流器磨損對此我們加工改造了沉砂嘴，口徑由原來的25mmt曾加到35mm以增加旋流器的分離效果。另外由于含砂量大，對旋流器的磨損也特別嚴(yán)重，影響泥漿的分離效果，我們調(diào)研了旋流器生產(chǎn)廠家，經(jīng)過雙方磋商后，對旋流器內(nèi)襯選材進(jìn)行調(diào)

6、整，由原來的聚氨酯內(nèi)襯改為新型的KM復(fù)合材料，并把沉砂嘴材質(zhì)由原來的聚氨酯材料更換成高鋁陶瓷材料，增加旋流器的抗磨性能，提高泥漿的分離效果。采用二級處理的主要目的是控制泥漿的粘度和含砂率，控制泥漿的比重，防止過多的粘土、砂粒溶入泥漿中，降低泥漿的比重，減緩刀具的磨損程度，提高泥漿的使用周期，減少廢漿的排放。四、膨潤土的選擇為防止粘土水化糊死刀具，增加泥漿的輸送能力，特采用易鉆(Hydraul-EZ?),它是一種高造漿率,經(jīng)過特別化學(xué)處理的200目鈉基膨潤土，它具有如下特點：1、 混合快速；2、 高濃縮、高造漿率；3、 極佳的懸浮輸送鉆屑能力；4、 作用時間長，混合后可長時間保持泥漿性能穩(wěn)定；5

7、、 可形成薄的、致密的濾餅層以防止泥漿漏失；6、 可最大限度的保持鉆孔的完整性；7、 可消除粘土的水化膨脹、膠結(jié)黏附，防止鉆具糊鉆；這種澎潤土針對粘土的水化增加了一些添加齊L來抑制粘土的水化，防止粘土與水膠結(jié)，產(chǎn)生泥餅、泥團(tuán)，能有效的保護(hù)刀盤和刀具不至于被粘土糊死，保證掘進(jìn)的速度。另外為消除粘土的水化膨脹，亦可在澎潤土中添加外加劑-萬用王(Insta-Vis?Plus),不僅能夠抑制水花作用，而且還可以起到潤滑作用，以降低刀盤的扭矩值。同樣可以提高掘進(jìn)速度。在掘進(jìn)中有大量的切屑下來的粘土顆粒溶入泥漿中，泥漿粘度上升很快，往往在掘進(jìn)一兩環(huán)后就必須排掉部分泥漿，然后加入清水，然后再檢測泥漿的各種性

8、能參數(shù)，適當(dāng)添加一下外加齊L來保持泥漿的失水率、切力等。廢棄泥漿則排入廢漿池，然后又船運往廢漿處理廠處理。五、掘進(jìn)參數(shù)的控制由于切削下來的粘性土與泥漿、地下水混合后，形成粘性很大的泥團(tuán)，容易粘連在整個刀盤上，使?jié)L刀無法轉(zhuǎn)動，并導(dǎo)致掘進(jìn)速度大幅下降，甚至還有可能造成大刀盤頻繁發(fā)卡，如下圖所示，極大的影響盾構(gòu)機(jī)切削能力，降低掘進(jìn)效率。施工中應(yīng)注意以下問題：1、在掘進(jìn)過程中，一定要加強(qiáng)對地上地下設(shè)備參數(shù)的監(jiān)測，經(jīng)常切換刀盤轉(zhuǎn)向，并切換泥漿噴嘴，保證泥漿對整個刀盤面都進(jìn)行有效的沖洗，另外掘進(jìn)完成后不要立即停止泥漿循環(huán)，而應(yīng)利用泥漿循環(huán)對刀盤進(jìn)行沖洗，盡量排空刀盤里的土體，并且每間隔23環(huán)，利用高壓清洗

9、管和高壓水泵對刀盤面進(jìn)行沖洗。2、加大進(jìn)排泥漿流量，泥漿進(jìn)排量控制380m3/h400m3/h,以便清洗刀盤和及時將渣料排出，盡量避免刀具被粘土糊住，刀具發(fā)生偏磨，進(jìn)而磨損刀盤刀盤中形成泥團(tuán)3、掘進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制泥漿的各種性能指標(biāo)，包括黏度、切力、密度和失水率，性能指標(biāo)為：泥漿密度1.051.15g/cm3;泥漿粘度3545s（馬氏漏斗粘度）；30min濾失水量15ml;屈服值1525Pa。最好使用低粘、低切、低密度、低失水的泥漿，并添加萬用王等添加齊L來抑制粘土水化，減小摩阻，降低刀盤扭矩。4、在粘土層等軟地層中掘進(jìn)要密切注意干砂量的變化，掘進(jìn)速度要根據(jù)干砂量的變化來調(diào)整，防止出現(xiàn)超挖和欠挖。如果開挖土量超過盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中實際應(yīng)開挖量，就會出現(xiàn)超挖，引起地層沉降；相反，如果開挖土量少于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中