医治盾构机“消化不良”症

医治盾构机“消化不良”症

我国是领军世界的地下空间大国，地下空间的开发利用改变着城市的发展方式。盾构机是城市地下空间开发的利器，是国之重器。我国的盾构机事业一度突破“卡脖子”的艰难处地，走出了一条高水平自立自强之路。

一、什么是盾构机？

盾构机（Shield machine）是一种具有开挖切削、渣土输送、临时支护、衬砌拼装、测量导向等功能于一体的隧道掘进机。在我国，习惯上将用于土质隧道的隧道掘进机称为盾构机。

图1 国产最大直径盾构机“京华号”（最大开挖直径16.07米，整机长150米，总重4300吨）

二、盾构机有哪些常见“消化不良”症状？

在以地铁隧道、综合管廊等为代表的城市地下空间工程中，土压平衡盾构由于造价低、占用场地小、综合效益高等优点被广泛应用。但是，我国幅员辽阔，盾构隧道建设地域广泛，各地地质与环境条件差异巨大，导致盾构与地质的不适应性，常常导致“胃肠不适”。

1、“泥饼”症状

盾构刀盘切削下的土体颗粒聚集在刀盘刀具上形成半固结或固结的块状体，像“饼”一样粘附在刀盘上，导致刀盘切削能力下降。

“泥饼”症状主要发生在可塑、硬塑状的黏土类地层、黏土质砂土地层、泥岩、泥质粉砂岩、全风化、强风化岩层等。影响“泥饼”产生的因素有：对地质条件的误判、设定过高的土压力，盾构机长期运作产生高温、压力舱保压时停机时间过长等。其中，非常重要的原因是未使用或未针对性合理使用“渣土改良剂”、没有做好“对症下药”。

图2 盾构施工“泥饼”现象

2、“滞排”症状

“滞排”症状即盾构切削下来的渣土因为土体特性、盾构机排渣性能及施工控制等原因，造成渣土不能及时排出或者滞后排出的施工难题。

主要发生在孤石和软硬不均地层、节理裂隙发育地层、易结泥饼地层、砂卵石地层等。“滞排”一方面会造成盾构机的机械损坏，例如刀盘刀具的严重磨损、主轴承密封失效、螺旋机过度磨损甚至断裂等；另一方面“滞排”会造成盾构掘进困难、超挖严重、沉降难以控制，甚至造成地面塌陷。

图3 盾构施工“滞排”现象

3、“喷涌”症状

“喷涌”症状是土压平衡盾构机在富水地层施工时，大量的压力水、泥浆、砂石等从出土口喷射出来的现象，常发生在螺旋排土器出口。

“喷涌”易发生在富水砂土地层、易结泥饼黏性土等地层中，在富水断裂带、隔水层被击穿等施工环境下也易发生喷涌。“喷涌”会带来开挖面平衡失稳、地面沉陷甚至塌陷等风险，造成安全事故。

图4 盾构出洞时压力舱内土水喷出现象

三、有什么治疗手段？

盾构机“消化不良”症状看似简单而常见，但控制不及时会导致盾构机停滞不前，工期拖后，甚至损坏整台盾构机，造成地表塌陷。

渣土改良作为“消化不良”的对症药，通过在刀盘前方、压力舱内、螺旋排土器内注入改良剂，使开挖土体形成塑性流动性的泥土，以维持压力舱内土压与开挖面的动态平衡，可确保开挖面的稳定，舱内土体的顺畅运移，排土器土体的顺利排出，防止“泥饼”、“滞排”、“喷涌”等风险发生。

图5 盾构施工渣土改良示意图

目前渣土改良剂种类繁多，品质及添加量不同，渣土改良的效果差异较大。常用的改良材料有四种：表面活性剂类、矿物类、水溶性聚合物类、以及不溶性高分子类。泡沫改良剂最常见且通用，地层适应性最广。矿物类材料（例如膨润土）适用于改善颗粒级配差的粗颗粒土地层，如砂、卵石等。对于大粒径且高渗透性的地层，则需结构性聚合物来增强内聚力与抗渗性。

如在砂卵石地层中，采用新型泡沫改良剂和高分子触变型泥浆材料解决渣土流动差、磨蚀性强、高渗透的问题；在黏土地层，添加泡沫改良剂或膨润土泥浆可阻止块间粘结；在富水砂层中添加适量的膨润土泥浆、高分子聚合物等可防止“喷涌”发生等。

四、产生怎样的治疗效果？

改善盾构机“消化不良”症状，一方面能够改善盾构推进参数急剧恶化、施工工效骤减、出渣不畅、渣温升高等问题；另一方面合适的渣土改良剂，可以改善渣土流塑状态、防止“泥饼”、“滞排”和“喷涌”发生、减小刀盘掘进推力和扭矩、改善开挖面稳定性。

在盾构工法向着复合地层、大埋深、大断面、高水压、长距离方向发展的过程中，渣土改良是改善盾构机“消化不良”症状的良药，是实现盾构安全高效掘进，防止风险链生的重要治疗手段。

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供稿：杨宇友、魏英杰