粘土地層盾構(gòu)機掘進

1、中石油天然氣管道局廣東 LNG珠江盾構(gòu)穿越工程粘土地層盾構(gòu)機掘進盾構(gòu)機在粘土地層中的掘進，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，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、要求泥漿指標高，要保證適當(dāng)?shù)恼扯取⒈戎?、失水，保持足夠的護壁性能，但是粘土特別是殘積性粘土，自身有很強的造漿性能，很 容易黏附在刀盤內(nèi)形成泥餅，獨塞進渣孔和刀孔，導(dǎo)致刀具的偏磨。2、結(jié)構(gòu)松散，自穩(wěn)性差，很容易

2、卻削和攜帶，不需要切削僅通過泥 漿抽吸就能大面積脫落，但粘土結(jié)構(gòu)致密，自穩(wěn)性強，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)機刀具配置根據(jù)目前的刀具配置不適合粘土層隧道掘進，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 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

3、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：皆換滾的紅型齒7J47LLJLJ采用先行齒刀能有效切削掘進面，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，能明顯提高掘進速度。針對本盾構(gòu)設(shè)備的刀盤，擬對中心刀1#4#,雙滾刀 510#都采用先行齒刀替換，保留外圈的保徑滾刀泥水噴嘴配置在粘土層中掘進，要防止粘土堵塞刀孔和刀盤，則需及時地把切削下 來的碴料排出，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碴料。但M606

4、盾構(gòu)設(shè)備沒有泥漿噴嘴直接進入刀盤前面，無法有效形成環(huán)流，青色管路為后增加進漿管路，如下圖 所示：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，來徹底改造泥漿管 路，所以目前只能是采取停機后多循環(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)工程機械有限公司生產(chǎn)的ZX-500泥漿處理系統(tǒng) 對泥水進行 分離，其最 大處理能力500m?/h。處理的過程為：由排漿

5、管排出的泥漿進入ZX-500泥漿處理系統(tǒng)，利用震動分離篩將泥塊、碎石進行首次分離，由振動篩分離出來的泥漿，進 入泥水分離旋流器內(nèi)，進行循環(huán)分離，分離粒徑45卩m以上的砂土，分離 器分離出來的泥漿，進入泥漿池中進行循環(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 別嚴重，在掘進到一百米的時候，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25mm增加到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重，

6、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)襯選材進行調(diào)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

7、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、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劑，來抑制粘土的水化， 防止粘土與水膠結(jié)，產(chǎn)生泥餅、泥團，能有效的保護刀盤和刀具不至于被 粘土糊死，保證掘進的速度。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。同樣可以提高掘進速度。在掘進中有大量的切屑下來的粘土顆粒溶入泥漿中

8、，泥漿粘度上升很快，往往在掘進一兩環(huán)后就必須排掉部分泥漿，然后加入清水，然后再檢 測泥漿的各種性能參數(shù)，適當(dāng)添加一下外加劑，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，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)機切削能 力，降低掘進效率。施工中應(yīng)注意以下問題：1、在掘進過程中，一定要加強對地上地下設(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行有效的沖洗， 另外掘進完成

9、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)，利用高壓清洗管和高壓水泵對刀盤面進行沖洗。洗刀盤和及時將渣料排出2、 加大進排泥漿流量，泥漿進排量控制380 m?/h400 m?/h，以便清 ,盡量避免刀具被粘土糊住 ，刀具發(fā)生偏磨，進而磨損刀盤。刀盤中形成泥團3、掘進過程中，嚴格控制泥漿的各種性能指標，包括黏度、切力、密度和失水率，性能指標為：泥漿密度1.051.15g/cm3 ;泥漿粘度3545s（馬氏漏斗粘度）;30min濾失水量v 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劑，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要密切注意干砂量的變化，掘進速度要根據(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) 機掘進過程中實際應(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)機掘進過程中