超大直径泥水盾构机在高水压复合地层中的刀盘脱困技术.docx

    超大直径泥水盾构机在高水压复合地层中的刀盘脱困技术    摘要：南京市纬三路过江通道工程位于南京长江大桥上游约5km和已建成通车的南京纬七路长江隧道下游约4km处S线盾构段由江北始发井始发，穿过江北长江大堤经潜州、梅子洲，在江南上岸后与定淮门大街和江东北路顺接，盾构开挖直径15.02m施工中承受的最高水压0.74Mpa，岩层段石英含量高达65%江底隧道覆土厚度浅，覆土厚度只有0.6盾构直径；一次掘进距离长，盾构段长4.135km盾构掘进期间，所穿越的地层有淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂、砾砂、圆砾、卵石地层及粉砂岩，目前刀盘受困里程到达SDK4+710，所处地层分段为⑤-1中粗砂、⑥-1圆砾及卵石、⑧-2粉砂岩，关键词：南京市纬三路过江通道盾构刀盘受困1刀盘受困原因分析①2月5日23点左右，推出式滚刀推出全部完成后，准备掘进时发现排泥管道堵塞，通过冲洗方式试图疏通管道，在此期间刀盘一直在转动2月6日凌晨4点左右，人工停止刀盘转动，十分钟后启动刀盘，刀盘被困②盾构机刀盘转动所需要克服的扭矩为五部分:刀具切削土体的所需的扭矩T1；作用在刀盘面上的土压产生摩擦的所需的扭矩T2；径向负载所需的扭矩（刀盘面＋其他驱动部重量）T3；轴向负载所需的扭矩T4；密封阻力所需的扭矩T5。

盾构扭矩计算值表从盾构扭矩计算表中可以看出：克服作用在刀盘面上的土压产生摩擦的所需的扭矩占到总扭矩的94.67%③根据以上两点分析，目前刀盘受困的主要原因是坍塌的土体造成刀盘与土体之间的摩擦力产生较大的扭矩，而非因基岩或大石块卡住受困因此，尽量清理坍塌的土体，减少土体与刀盘之间摩擦力引起的扭矩是刀盘脱困的关键2刀盘脱困总体方案为了能够实现带压进仓，同时清洗泥水仓的目的，将采用渗透-成膜-反冲的模式进行清洗泥水仓，既能形成稳定的泥膜又能较安全的冲洗泥水仓在江面回填铺设软体排并压载完成后，采用小比重低粘度泥浆进行渗透，对土体进行一定的渗透，形成泥浆渗透带封堵地层，之后利用高粘度泥浆形成泥膜，最后采用大比重泥浆进行反循环冲洗，以清除泥水仓堆积的渣土，最终转动刀盘若出现清洗完成后刀盘仍未脱困，将采用饱和带压进仓进行清理，达到刀盘脱困的目的3刀盘脱困技术3.1压力设定为防止击穿此处选用泥水压力设定计算公式的下限值计算公式，采用水土分算的方法，在水压力的基础上逐步增加压力，但不超过水土压力计算值的下限值，每次增加0.1Bar～0.2Bar计算如下：盾构停机位置：SDK4+710主动土压力系数：Ka=tan2(45°－Φ/2)=0.314，取盾构掌子面中心处对应土体的主动土压力系数。

土的粘聚力：Cu=0地面高程：-25.788盾心高程：-51.579江面高程：3.737（根据实测调整）该处泥水压力下限值为：Pa=水压力+土压力－2·Cu·sqrt(Ka)+30=556.787Kpa+16.7214Kpa+25.6538Kpa+4.823Kpa+21.8795Kpa+16.6169Kpa+3.2656-0+30=661.0562Kpa=0.661MPa综上，在水压0.54Mpa的基础上逐步增加，但是最大不超过0.661Mpa3.2泥浆参数选定选择泥浆作为渗透泥浆，其首要条件是泥浆的颗粒粒径不能太大，也不能太小泥浆颗粒太大容易淤堵表面，无法形成渗透带泥膜，颗粒太小则容易穿透地层，无法形成渗透带，泥浆选自回浆池中泥浆，作为泥浆渗透-成膜的基础泥浆，再掺入膨润土原土或者木屑另外，还可以采用粘土浆进行地层渗透在保证开挖面稳定的前提下，为了保证泥浆在实际地层中形成一段距离的渗透带，同时泥浆滤失不能太多，可选用5%～8%左右的纯膨润土浆（密度1.05g/cm3左右，粘度20s以上，d85为30～40μm左右）作为开舱用渗透泥浆，以填充地层的孔隙，增加地层的稳定性3.3成膜参数选定表4.3-1泥浆性质一览表如图所示在反冲循环过程中，MV12、MV13可以通过关闭MV11阀门，打开MV51阀实现排浆功能，但此时由于MV11阀关闭，MV14、15、MV41即不能正常进浆也无法实现排泥功能。

为了使MV12、MV13在排泥时，MV14、MV15、MV41仍可继续进浆，实现冲刷功能把MV14、MV15与MV11上端的MV31阀连通，通过开关MV31阀，MV11阀关闭仍可实现MV14、MV15实现进浆功能,进行MV12、MV13排浆，MV14、MV15冲刷的反冲循环改造过程中增加管节两端均按设阀门，不影响设备原有使用功能3.5渗透-成膜-反冲循环施工工艺第一步：进浆不排浆渗透江面回填完成以后，采用MV12和MV13进浆管进浆不排浆的方法对盾构上部地层进行渗透，通过进浆量和切口压力变化情况判断地层的渗透性，并根据渗透情况及时调整配比和泥浆参数1）首先采用原浆+膨润土原土的小比重低粘度泥浆进行渗透，比重1.06，粘度35-40s,进浆流量在5m3/min以内调整，渗透2小时（大约进浆量为600m3），观察切口水压变化情况，判断地层的渗透性如地层渗透性较高，将采用原浆+粉细砂的泥浆进行渗透，增加泥浆中的粗颗粒，以便更好的封堵地层如渗透量仍较大，将采用原浆+锯末面的泥浆进行渗透2）在上一步渗透中，如切口水压无明显变化，则继续渗透，直至出现切口压力增大至水压+0.02Mpa（上部切口压力），并维持稳定，说明泥浆封堵地层有效果，进行下一步进浆排浆渗透。

第二步：进浆排浆渗透第一步完成以后，采用MV41进浆，MV12和MV13排浆继续对地层进行渗透1）渗透的泥浆采用原浆+膨润土原土的浆液，泥浆比重控制在1.06g/cm3,粘度34s2）进浆流量控制在6～10m3/min，排浆流量控制在10～12m3/min小流量反循环5分钟后，即切换到旁通模式进行循环，进排浆量按照38m3/min，根据P2.1泵和P2.3泵进出口压力情况判断，直至管路畅通，如此反复3）在上一步渗透中，如切口水压无明显变化，则继续渗透，直至出现切口压力增大至水压+0.02Mpa（上部切口压力），并维持稳定，认为MV41泥浆管以上地层形成了稳定渗透带.第三步：进浆排浆渗透第二步完成以后，采用MV14和MV15进浆，MV12和MV13排浆继续对地层进行渗透1）渗透的泥浆采用原浆+膨润土原土的浆液，泥浆比重控制在1.06g/cm3,粘度34s2）进浆流量控制在10～12m3/min，排浆流量控制在12～15m3/min小流量反循环5分钟后，即切换到旁通模式进行循环，进排浆量按照38m3/min，根据P2.1泵和P2.3泵进出口压力情况判断，直至管路畅通，如此反复3）根据计算，砂土在MV14和MV15泥浆管高度处，上部258m3占总量80%，下部65m3占总量20%。

排碴密度按照1.2g/cm3，排碴流量平均按照14m3/min计算，MV14和MV15泥浆管以上的碴土排完需要的时间为266min因为该工序为泥浆渗透的重要阶段，计划安排48小时（根据以往的经验和理论计算），因此在该渗透阶段在MV14和MV15泥浆管以上的碴土可以排完，具体情况根据实际干渣量和排浆密度确定4）在上述循环中，中部切口压力升高0.02MPa并稳定后，认为MV14和MV15泥浆管以上地层形成了稳定渗透带，开始进入下一步泥膜的形成第三步：泥膜形成目前停机位置DK4+710处，盾构底部基岩高度约为3米多，不需要形成泥膜也就是基本在MV14和MV15泥浆管以上位置的地层需要形成稳定的渗透带+泥膜1）泥膜期间的泥浆参数为纯膨润土泥浆，比重为1.1g/cm3～1.2g/cm3，粘度在84.5s以上2）泥膜形成泥浆采用大循环，待泥水仓内泥浆参数为粘度35～40s，比重在1.1g/cm3（根据以往经验）以上泥膜基本形成3）利用同步注浆泵向泥水仓注入比重1.12g/cm3，粘度120s以上，浆液注入量约200m3，增大泥膜厚度4）保压2小时，切口压力稳定可确认泥膜良好第四步：反冲循环泥膜形成以后，采用底部三个排浆管进浆，MV12、MV13两个进浆管排浆，把剩余底部的约65m3碴土全部带出。

1）反冲循环的采用高粘度大比重泥浆，泥浆参数为1.15～1.18g/cm3，粘度为55～65s2）反冲循环的排泥流量控制在27～28m3/min，根据P2.1泵、P2.3泵进出口压力情况，适时进行旁通循环3）对碴场的排碴量进行统计，出碴量约为60m3时，试转动刀盘或在整个反冲循环中试转动刀盘第五步：进行正循环利用MV12、MV13、MV14、MV15进浆，主排浆管排浆，转动刀盘第六步：正常掘进推进速度5mm/min，推进10环第七步：带压进仓清碴如若以上前五步刀盘仍未脱困，将带压进仓清理泥水仓，使刀盘脱困结语：超大直径泥水盾构一次掘进距离长，地质复杂，水压力高，盾构施工对泥浆质量、压力设置精确度要求较高，盾构施工极易在地层变化或浅覆土埋深中发生掌子面失稳坍塌事故，在此总结超大直径泥水盾构机在高水压复合地层中的刀盘脱困技术，可供类似超大泥水盾构刀盘脱困作业借鉴  -全文完-。