盾構(gòu)機(jī)頂管刀盤(pán)泥餅形成機(jī)理、影響因素及處理優(yōu)化策略摘要盾構(gòu)機(jī)是地下隧道工程中常用的一種開(kāi)挖設(shè)備。當(dāng)復(fù)雜地質(zhì)條件下不能進(jìn)行爆破施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。在盾構(gòu)機(jī)工作中，刀盤(pán)作為其切削土體的機(jī)械部件，保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)是盾構(gòu)高效開(kāi)挖的前提。刀盤(pán)在工作期間，經(jīng)常會(huì)發(fā)生切削下來(lái)的細(xì)小顆粒、碎屑重新黏附在刀盤(pán)中心或開(kāi)口區(qū)域，甚至形成固態(tài)、半固態(tài)的塊狀體，從而將刀盤(pán)堵塞無(wú)法正常工作的情況，因此研究刀盤(pán)泥餅的形成以及解決方式具有重要理論和實(shí)踐意義?；诖吮尘氨疚尼槍?duì)頂管刀盤(pán)泥餅形成機(jī)理和影響因素進(jìn)行了研究，首先論述了創(chuàng)作背景意義、研究方法以及當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的技術(shù)研究現(xiàn)狀；其次對(duì)頂管刀盤(pán)的工作技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行了論述，介紹了盾構(gòu)機(jī)的工作原理以及盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式以及主要盾構(gòu)方法等；隨后對(duì)頂管刀盤(pán)泥餅的形成進(jìn)行了探討，從泥餅形成影響因素以及形成機(jī)理進(jìn)行了分析。從分析結(jié)果來(lái)看頂管刀盤(pán)泥餅形成的主要影響因素有地質(zhì)底層因素、盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)刀具因素以及施工控制因素等等。最后針對(duì)刀盤(pán)泥餅形成分析給出了刀盤(pán)泥餅的處理措施和建議，并通過(guò)具體的案例給出了實(shí)踐措施和方法。以期此次研究對(duì)于頂管刀盤(pán)泥餅形成機(jī)理和影響因素相關(guān)主題的研究有所裨益。關(guān)鍵詞：頂管刀盤(pán)；泥餅；盾構(gòu)；影響因素目錄TOC\o"1-3"\h\u892摘要 12697Abstract 217657第一章緒論 6325291.1研究背景與意義 6194591.2研究?jī)?nèi)容與方法 733741.2.1研究?jī)?nèi)容 7175651.2.2技術(shù)路線 752961.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 8193991.3.1關(guān)于刀盤(pán)泥餅形成機(jī)制的研究 8207991.3.2刀盤(pán)泥餅防治技術(shù)研究 978202頂管刀盤(pán)相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ) 10173362.1盾構(gòu)機(jī)的概念與工作原理 10313352.1.1盾構(gòu)機(jī)概念 10152192.1.2盾構(gòu)機(jī)工作原理 114992.2主要盾構(gòu)技術(shù)與方法 1199142.3盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式 12204832.3.1刀盤(pán)與切口相互位置關(guān)系 12194492.3.2刀盤(pán)縱斷面形狀 12298472.3.3刀盤(pán)正面形狀 13228943頂管刀盤(pán)泥餅形成機(jī)理探討 14128673.1盾構(gòu)刀盤(pán)的堵塞分析 14264713.2頂管刀盤(pán)泥餅的機(jī)械力分析 15184353.3機(jī)械力化學(xué)作用對(duì)刀盤(pán)泥餅硬化的分析 16105683.4頂管刀盤(pán)泥餅形成影響因素 18129553.4.1地址底層因素 18112513.4.2盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)刀具因素 19271103.4.3施工控制因素 20133874頂管刀盤(pán)泥餅處理措施和建議 204614.1盾構(gòu)機(jī)選型與配置 2099574.2渣土改良 2150474.3施工處置措施 21271705頂管刀盤(pán)泥餅處理優(yōu)化案例呈現(xiàn) 22155355.1工程背景 22323325.2頂管刀盤(pán)泥餅情況 2375785.3優(yōu)化措施 2390695.3.1人工進(jìn)倉(cāng)，清理刀盤(pán)泥餅 23302545.3.2改造刀盤(pán)沖刷系統(tǒng) 23253285.3.3調(diào)整掘進(jìn)模式及參數(shù) 24308555.4優(yōu)化效果 25172416結(jié)語(yǔ) 268851參考文獻(xiàn) 27第一章緒論1.1研究背景與意義隨著中國(guó)大城市地面交通負(fù)荷的增加，地下空間的開(kāi)發(fā)利用已成為制約城市功能升級(jí)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。自1825年法國(guó)布恩首次使用矩形盾構(gòu)在倫敦泰晤士河下開(kāi)挖水下隧道以來(lái)，盾構(gòu)隧道已經(jīng)經(jīng)歷了近200年的發(fā)展和豐富。由于其安全高效的優(yōu)點(diǎn)，已成為地下空間開(kāi)發(fā)的主流施工方法。然而，盾構(gòu)隧道施工中刀盤(pán)堵塞結(jié)渣問(wèn)題作為世界性的技術(shù)難題，在我國(guó)許多地區(qū)日益突出，直接影響到工程施工的安全以及盾構(gòu)設(shè)備的耐久性和可靠性。施工組織的合理性。泥餅切割是指將切割后的土壤的細(xì)顆粒和碎屑形成固體和半固體塊狀，然后附著在切割頭的中心或開(kāi)口上。在掘進(jìn)過(guò)程中一旦形成泥餅，刀盤(pán)載荷就會(huì)增加，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)工作參數(shù)的突然變化，降低工作效率。以北京地區(qū)為例，近年來(lái)，由于刀盤(pán)堵塞，形成泥漿塊，EPB機(jī)無(wú)法正常前進(jìn)的現(xiàn)象很常見(jiàn)。例如，在右邊的盾構(gòu)隧道的開(kāi)挖線的第二階段北京地鐵10號(hào)線在黏性土壤，大開(kāi)口說(shuō)話刀臉有嚴(yán)重問(wèn)題的結(jié)合和泥餅，導(dǎo)致土壤溝土壓力的增加。刀盤(pán)不穩(wěn)定和扭矩問(wèn)題。例如，北京地下直徑線最大埋深為40。宣武門(mén)東段大直徑泥水盾構(gòu)隧道在以粉質(zhì)土、粉砂、粉質(zhì)黏土和粘土為主的地層中存在嚴(yán)重問(wèn)題。刀盤(pán)、刀具粘連、堵塞、泥餅等問(wèn)題嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，造成很大的工程風(fēng)險(xiǎn)。為降低北京市中心城區(qū)深部地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）通過(guò)鉆孔取樣和原位測(cè)試（側(cè)壓、標(biāo)準(zhǔn)貫入等）對(duì)通州地區(qū)深部（地下）區(qū)域進(jìn)行了研究。以及室內(nèi)土工試驗(yàn)。室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得的黏土壓縮模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)獲得的撞擊數(shù)的關(guān)系，以及黏土壓縮模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)獲得的撞擊數(shù)的關(guān)系。北京市勘測(cè)設(shè)計(jì)院實(shí)現(xiàn)了北京市中心區(qū)120個(gè)深層地層的統(tǒng)一分層，建立了相應(yīng)的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)三維模型，并結(jié)合地下空間開(kāi)發(fā)深度特點(diǎn)和地質(zhì)條件，提出了深部地下空間建設(shè)的地質(zhì)條件適宜性評(píng)價(jià)。系統(tǒng)的方法。然而，上述結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以控制和降低盾構(gòu)刀盤(pán)堵、堵、泥餅形成的風(fēng)險(xiǎn)。深入、系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)頂管刀盤(pán)泥餅的形成機(jī)理及影響因素具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。的意思。1.2研究?jī)?nèi)容與方法1.2.1研究?jī)?nèi)容本文首先論述了創(chuàng)作背景意義、研究方法以及當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的技術(shù)研究現(xiàn)狀；其次對(duì)頂管刀盤(pán)的工作技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行了論述，介紹了盾構(gòu)機(jī)的工作原理以及盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式以及主要盾構(gòu)方法等；隨后對(duì)頂管刀盤(pán)泥餅的形成進(jìn)行了探討，從泥餅形成影響因素以及形成機(jī)理進(jìn)行了分析。從分析結(jié)果來(lái)看頂管刀盤(pán)泥餅形成的主要影響因素有地質(zhì)底層因素、盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)刀具因素以及施工控制因素等等。最后針對(duì)刀盤(pán)泥餅形成分析給出了刀盤(pán)泥餅的處理措施和建議，并通過(guò)具體的案例給出了實(shí)踐措施和方法。頂管刀盤(pán)泥餅形成機(jī)理和影響因素研究文獻(xiàn)調(diào)研與分析盾構(gòu)機(jī)的工作原理頂管刀盤(pán)泥餅形成原理頂管刀盤(pán)泥餅形成機(jī)理和影響因素研究文獻(xiàn)調(diào)研與分析盾構(gòu)機(jī)的工作原理頂管刀盤(pán)泥餅形成原理頂管刀盤(pán)泥餅形成原理頂管刀盤(pán)泥餅處理建議頂管刀盤(pán)泥餅處理案例呈現(xiàn)圖1-1論文研究技術(shù)路線1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1關(guān)于刀盤(pán)泥餅形成機(jī)制的研究Thewes提出刀盤(pán)泥土堵塞問(wèn)題可以歸結(jié)為4種單一的相互作用機(jī)制：1）黏土與金屬表面的粘附；2）黏土顆粒內(nèi)部黏聚力；黏土不溶于水。目前，對(duì)泥餅形成機(jī)理的研究主要集中在黏土粘結(jié)和黏土－金屬粘結(jié)兩個(gè)方面。從黏土顆粒的黏聚力來(lái)看，粘土含量越高，黏土顆粒的黏聚力越高，這是泥餅形成的根本原因。根據(jù)傳統(tǒng)土力學(xué)，盾構(gòu)施工中粉土的粘結(jié)力是由刀盤(pán)的研磨作用、水和改性劑的改善作用以及刀盤(pán)作用下的粘結(jié)力來(lái)實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在，它已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的影響。在剪切室中對(duì)泡沫改性細(xì)砂和粗砂的抗剪強(qiáng)度和摩擦角進(jìn)行了研究。利用自制的壓力跨板剪切裝置對(duì)泡沫改性砂的粘塑性和壓縮性能進(jìn)行了研究。這些試驗(yàn)方法可為黏土黏聚力的研究提供參考。法國(guó)和德國(guó)通過(guò)對(duì)倫敦重塑土的大型落錐試驗(yàn)和常壓剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泡沫土和聚合物改性土試樣的不排水剪切強(qiáng)度降低。為了更好地適應(yīng)渣的應(yīng)力環(huán)境，Zumsteg設(shè)計(jì)了一種新型的能承受壓力操作和高速剪切的跨板剪切試驗(yàn)裝置。用該裝置研究了泡沫和聚合物對(duì)黏土強(qiáng)度的改善作用。從黏土與金屬的附著力來(lái)看，黏土與金屬表面的強(qiáng)附著力是黏土濕餅的直接原因。方丹首先提出了粘著機(jī)理理論。根據(jù)這一理論，在相對(duì)干燥和粗糙的土樣，表面土壤樣本堅(jiān)持通過(guò)小水環(huán)，和水的表面張力控制附著力的大小，而在潮濕的土壤樣本，粘附現(xiàn)象主要是水膜，單位面積上的粘附力等于水的張力。賈教授認(rèn)為，土壤與固體物質(zhì)之間存在三種粘附力：土壤與固體物質(zhì)之間的分子間粘附力；對(duì)水環(huán)和水膜的吸附。黏土與金屬界面粘結(jié)力的測(cè)試方法大致可分為剪切法和拉伸法兩大類(lèi)。在剪切試驗(yàn)方面，Kooistra提出了黏土從金屬表面剪切的兩種可能情況。認(rèn)為當(dāng)施加的剪應(yīng)力大于黏土的抗剪強(qiáng)度而小于與金屬粘結(jié)的黏土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生堵塞。它將會(huì)發(fā)生。指出與界面粗糙度相關(guān)的黏著剪切有三種模式，即低粗糙度下界面整體滑移，高粗糙度下界面內(nèi)部剪切，中等粗糙度下界面局部滑移和局部剪切破壞。Znik通過(guò)特殊的直剪試驗(yàn)，探索了土與鋼之間的粘著剪切規(guī)律，認(rèn)為粘土礦物組成、粘土礦物含量、接觸面粗糙度、接觸時(shí)間、接觸壓力和含水量是影響界面剪切的主要因素。為了更好地滿足黏土粘結(jié)的邊界條件，Zumsteg等人設(shè)計(jì)了更復(fù)雜的切向黏結(jié)試驗(yàn)方法，通過(guò)攪拌試驗(yàn)和圓盤(pán)剪切試驗(yàn)研究發(fā)泡劑和分散劑對(duì)黏土剪切性能的影響。法律。在此基礎(chǔ)上，Zumsteg對(duì)圓盤(pán)剪切試驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，研制了泥水盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，并進(jìn)一步測(cè)試了改進(jìn)劑的顏色效應(yīng)對(duì)粘接效果的影響。結(jié)果表明：礦渣黏度與料漿的抗剪強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度密切相關(guān)。1.3.2刀盤(pán)泥餅防治技術(shù)研究渣土形狀是決定盾構(gòu)泥餅形成的關(guān)鍵因素。改良淤泥已成為防治泥餅的關(guān)鍵技術(shù)。改性渣的性能往往需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)和改善。在這方面還有很多工作要做。雖然目前行業(yè)內(nèi)對(duì)粉砂質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)尚未形成共識(shí)，但在防治粉餅的現(xiàn)場(chǎng)工作中積累了大量經(jīng)驗(yàn)。在土壤改良實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)領(lǐng)域，用于測(cè)試改良土力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法多種多樣。坍落度試驗(yàn)具有可操作性和經(jīng)濟(jì)性，是目前應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)方法。在黏土渣的研究方面已經(jīng)取得了許多成果。目前，當(dāng)坍落度在100-250mm范圍內(nèi)時(shí)，渣率的變化是合理的。坍落度試驗(yàn)可以反映渣的流動(dòng)特性，但不能反映渣在屏蔽結(jié)構(gòu)泥餅過(guò)程中的流動(dòng)特性。土壤粘附問(wèn)題。因此，尋找一種新的測(cè)試方法來(lái)測(cè)試渣餅的力學(xué)性能是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，極限含水量試驗(yàn)已被用于評(píng)估開(kāi)挖土體堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。其中，Atberg設(shè)計(jì)了液限和塑性限含水率試驗(yàn)，確定了粘土的塑性限范圍，提出了粘結(jié)限含水率的概念。以極限含水量為基礎(chǔ)，參考稠度指標(biāo)，進(jìn)一步提出了泥水盾構(gòu)堵堵概率預(yù)測(cè)圖。接下來(lái)，Thewes等人將室內(nèi)圓柱形拉伸試驗(yàn)與大量的工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)圖表，可用于預(yù)測(cè)不同類(lèi)型EPBS的堵塞風(fēng)險(xiǎn)。與Thewes類(lèi)似，使用一致性指標(biāo)作為判別指標(biāo)。Fernandgen還提供了不同實(shí)驗(yàn)中擁塞風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)圖。在上述研究中，基本共識(shí)是黏附力隨著黏附指數(shù)的增加而增加，但僅憑黏附力無(wú)法判斷是否發(fā)生“堵塞”。劉鵬飛等研究了分散劑對(duì)不同黏土液塑性極限的影響，指出分散劑可以降低黏土的液塑性指數(shù)，增加黏土顆粒負(fù)電荷，降低ζ電位。Zumstegetal。研究表明，添加劑對(duì)礦渣的改善作用主要是潤(rùn)滑作用，聚合物的加入可以降低黏土的剪切應(yīng)力，對(duì)軟黏土的改善效果更好。伊利10和蒙脫石在高壓下發(fā)泡效果不明顯。因此高壓環(huán)境下需適當(dāng)增加泡沫注入量。Ma等提出∶黏土改良后的微觀結(jié)構(gòu)為黏土顆粒包裹氣泡；沙土改良后微觀結(jié)構(gòu)為砂顆粒和氣泡隨機(jī)分布；而卵石地層改良后的微觀結(jié)構(gòu)為氣泡包裹黏粒，被包裹的黏粒再包裹卵石。Zumsteg等認(rèn)為∶在黏土中加入水會(huì)降低土體內(nèi)部強(qiáng)度，并且增加黏土－接觸面的黏附力；加入一定的粘結(jié)劑不僅可以保證黏土顆粒內(nèi)部的黏性，同時(shí)能夠防止水進(jìn)入土顆粒團(tuán)內(nèi)部，達(dá)到防止刀盤(pán)結(jié)泥餅的目的。Dieran-Maigre等發(fā)現(xiàn)，液體狀態(tài)的表面活性劑也能長(zhǎng)時(shí)間影響渣土的水力特性和黏性。在預(yù)防泥餅產(chǎn)生方面，己有一些現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)的積累。例如，嚴(yán)輝、陳喬松等和竺維彬分析了泥餅成因，主要為三個(gè)方面：(a）地質(zhì)因素，黏土類(lèi)地層、黏土質(zhì)砂土地層、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、母巖為花崗巖的殘積土層、全風(fēng)化巖層和強(qiáng)風(fēng)化巖層易產(chǎn)生泥餅：(b）盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)、選型方面，刀盤(pán)和刀具的設(shè)計(jì)尤為重要：（c）施工因素，包括掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良、刀盤(pán)冷卻水溫控制以及操作者的行為等。泥餅預(yù)防現(xiàn)場(chǎng)工作方面，對(duì)于泥餅形成后的清理，目前主要有高壓水槍沖刷和人工進(jìn)倉(cāng)清除兩種方法。陳健改造盾構(gòu)機(jī)切削刀具、刀盤(pán)和沖刷系統(tǒng)。戴洪偉對(duì)沖刷噴頭進(jìn)行了重新計(jì)算和設(shè)計(jì)，并優(yōu)化了噴頭的幾何形狀。田輝等提出，對(duì)于薄泥餅，可用高壓泥漿清洗或在土倉(cāng)中加潤(rùn)滑劑：對(duì)于厚泥餅，則需人工除泥。王助鋒等對(duì)沖刷系統(tǒng)進(jìn)行了改造，在刀盤(pán)中心區(qū)域加裝了沖刷管。趙國(guó)棟等介紹了帶壓進(jìn)倉(cāng)清理板結(jié)泥餅的治理技術(shù)，以及掘進(jìn)期間對(duì)刀盤(pán)中心采用長(zhǎng)效沖刪等應(yīng)對(duì)措施。趙三寶介紹了開(kāi)倉(cāng)換刀技術(shù)的具體流程和幕墻清除泥餅技術(shù)。2頂管刀盤(pán)相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)2.1盾構(gòu)機(jī)的概念與工作原理2.1.1盾構(gòu)機(jī)概念盾構(gòu)機(jī)（shicldmachine)，一般也稱(chēng)為盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，是用于地下開(kāi)挖隧道的一種工程機(jī)械（如下圖）。盾構(gòu)機(jī)是集中了機(jī)械、電氣控制、液壓控制、信息傳遞等技術(shù)的大型掘進(jìn)施工設(shè)備。包含了自動(dòng)掘進(jìn)、碴土運(yùn)送、管片拼裝襯砌、激光測(cè)量制導(dǎo)等功能，并且設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)地質(zhì)條件的變化進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)與制造，進(jìn)而保證刀盤(pán)可以有良好的工作能力。盾構(gòu)法在進(jìn)行地下隧道建設(shè)時(shí)具有高自動(dòng)化水平、工期短、檢測(cè)和控制地面的沉降、減少沉降對(duì)地面建筑物的影響和在江河湖泊下開(kāi)挖時(shí)不影響水運(yùn)通行等特點(diǎn)。盾構(gòu)法施工特別在地下水豐富、開(kāi)挖深度較深和較長(zhǎng)的情況下，采用盾構(gòu)機(jī)施工會(huì)比明挖法經(jīng)濟(jì)可靠，因而盾構(gòu)機(jī)廣泛用于各種地下隧道的掘進(jìn)。圖2.1盾構(gòu)機(jī)詳細(xì)布局圖2.1.2盾構(gòu)機(jī)工作原理盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理是，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在隧道的預(yù)定的方向移動(dòng)，刀旋轉(zhuǎn)，而土壤的剪切和刀頭，傳達(dá)給外部的機(jī)器通過(guò)土壤本和螺旋輸送機(jī)。盾構(gòu)殼體由Q345鋼制成，與刀盤(pán)一起向前移動(dòng)，以支撐目前沒(méi)有分段裝配的隧道。地下水被排除在TBM之外，用于切割表面、泥沙運(yùn)輸、管片襯砌等。它在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部安全進(jìn)行。有許多方法可以對(duì)EPBS進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)開(kāi)挖面形狀可分為圓形盾構(gòu)機(jī)和非圓形盾構(gòu)機(jī)。根據(jù)開(kāi)挖穩(wěn)定性方法，可分為泥水盾構(gòu)機(jī)和EPB盾構(gòu)機(jī)。在地下水資源豐富的南部地區(qū)，土壓力的應(yīng)用更為廣泛。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)斷面的直徑，可分為大型、大型、中型、小型和微型盾構(gòu)機(jī)。2.2主要盾構(gòu)技術(shù)與方法盾構(gòu)工法是在開(kāi)挖地下隧洞的一種新型施工方法，盾構(gòu)機(jī)在隧道內(nèi)掘進(jìn)的同時(shí)，盾殼可暫時(shí)支護(hù)地層，盾殼內(nèi)進(jìn)行管片拼裝，這樣能大大提高隧道修建的工作效率和安全性目前，盾構(gòu)機(jī)施工技術(shù)在歐美和日本發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)比較成熟和可靠，經(jīng)過(guò)許多工程檢驗(yàn)了其安全性和快捷性。下面介紹的是已經(jīng)在日本盾構(gòu)隧道施工技術(shù)協(xié)會(huì)有記錄的不同的盾構(gòu)掘進(jìn)方法。(1）泥土加壓盾構(gòu)法：適用的土體類(lèi)型比較廣泛，如沙質(zhì)、砂卵石質(zhì)、黏土質(zhì)等，泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)具有渣土易于運(yùn)輸和適應(yīng)性廣等特點(diǎn)。(2）氣泡盾構(gòu)法：適用于各種類(lèi)型的土壤。(3）擠壓混凝土襯砌法：能夠提供較高質(zhì)量的隧道襯砌，但需要比較好的地質(zhì)條件。(4）多圓面盾構(gòu)法：將多個(gè)圓面布置在同一盾構(gòu)機(jī)上，能夠組合成為不同的截面?？梢愿佑行У毓?jié)省和利用地下空間，可以進(jìn)行水平雙向隧道和垂直上下隧道的開(kāi)挖在有特殊要求的地段進(jìn)行徑向擴(kuò)展以滿足施工要求。(5）球體盾構(gòu)法：轉(zhuǎn)彎半徑小的斷面可進(jìn)行連續(xù)開(kāi)挖，施工速度較快。施工時(shí)水平雙孔與垂直雙孔可自由互換，并可根據(jù)特殊條件快速開(kāi)挖。如在兩軌道相交處，可將上下雙軌改為水平雙軌，以節(jié)省交叉處的地層空間。(6）子母盾構(gòu)法：在地下進(jìn)行機(jī)械拼接，地下機(jī)械拼接法安全可靠性高，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)起點(diǎn)的選擇要求少。挖掘圓形部分是為了更有效地利用地下空間。利用獨(dú)特的挖掘機(jī)制，可以挖掘各種非圓形截面。使用泥漿和水的壓力可以驅(qū)動(dòng)大截面和長(zhǎng)距離的盾牌。挖掘深而大的砂卵石地層。2.3盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式2.3.1刀盤(pán)與切口相互位置關(guān)系盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)與切口相互位置關(guān)系有三種，分別是刀盤(pán)位于切口環(huán)之內(nèi)，此種布置方式主要應(yīng)用在軟土地層。刀盤(pán)邊緣凸出切口環(huán)，此種布置方式應(yīng)用的地質(zhì)很多。刀盤(pán)和切口環(huán)位置平齊，此種方式應(yīng)用情況置于中間。圖2.2刀盤(pán)與切口環(huán)相互位置關(guān)系2.3.2刀盤(pán)縱斷面形狀(1）垂直平面型：以平面的狀態(tài)進(jìn)行掘進(jìn)掌子面土體，這種形式的好處在于能夠有效地穩(wěn)定開(kāi)挖面。(2）凸芯型：因?yàn)榈侗P(pán)中心裝置有凸出的刀具（中心刀），所以盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)的過(guò)程當(dāng)中可以很好地掌握方向，另外突出的芯部可以將泡沫等添加劑打入土體中，減少了泥餅產(chǎn)生的可能性。(3）穹頂型：此種刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中借鑒了硬巖掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)理念，其主要應(yīng)用于很大塊卵礫地層和硬巖地層的掘削（4）傾斜型：此種刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)是刀盤(pán)的傾斜角度比較貼近地層的內(nèi)摩擦角，這樣的好處是有利于掘削的平穩(wěn)性，主要在沙礫地層中應(yīng)用。(5）收縮型：此種刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要用于擠壓式盾構(gòu)。圖2.3刀盤(pán)縱斷面形狀2.3.3刀盤(pán)正面形狀刀盤(pán)面主要分為兩種：輻條式和面板式。(1）輻條式刀盤(pán)主要在刀盤(pán)上焊接幾根輻條，然后輻條兩側(cè)焊接相應(yīng)的切刀。它的優(yōu)點(diǎn)主要是刀盤(pán)切削土體的扭矩比較小，渣土不易排出，但刀盤(pán)的剛度、強(qiáng)度比較差，適合于土體穩(wěn)定的地層，多用土壓平衡式盾構(gòu)。(2）面板式刀盤(pán)主要由輻條、刀具、開(kāi)口及布置在刀盤(pán)上的面板所組成的。其優(yōu)點(diǎn)是面板直接承受掌子面的壓力，即實(shí)現(xiàn)了擋土的效果，可以穩(wěn)定刀盤(pán)前方開(kāi)挖的掌子面，刀盤(pán)的剛度、強(qiáng)度比較好。其主要的不足是在黏性土體中掘進(jìn)時(shí)，黏土容易粘附在刀盤(pán)面板上結(jié)泥餅，增大刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，排渣不暢，嚴(yán)重影響刀盤(pán)的切削效率與質(zhì)量。圖2.4刀盤(pán)的正面形狀實(shí)際中具體應(yīng)該采用哪一種形式的盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)，應(yīng)依據(jù)具體的施工環(huán)境與地質(zhì)情況等因素來(lái)選擇。面板式刀盤(pán)和輻條式刀盤(pán)區(qū)別見(jiàn)下表。在砂、土等軟土地層，輻條式刀盤(pán)掘進(jìn)效率更高：在風(fēng)化巖較多或類(lèi)似廣州軟硬不均地層，面板式刀盤(pán)適應(yīng)性更強(qiáng)。表4.1面板式與輻條式刀盤(pán)的特性對(duì)比比較項(xiàng)目面板式刀盤(pán)輻條式刀盤(pán)重量重較輕開(kāi)口率較小65%-85%刀具安裝類(lèi)型軟土類(lèi)刀具、滾刀配置切刀、邊緣刮刀、先行刀為主結(jié)構(gòu)特點(diǎn)備種類(lèi)型的地層適應(yīng)性較高，河半倉(cāng)掘進(jìn)針對(duì)特定的地層，必須滿倉(cāng)掘進(jìn)開(kāi)挖途中更換刀具或進(jìn)行土船內(nèi)檢查面板式刀盤(pán)的止土情況要優(yōu)于輻條式刀盤(pán)其刀盤(pán)上無(wú)面板，在土艙內(nèi)工作時(shí)要比面板式刀盤(pán)的安全可靠性要低得多3頂管刀盤(pán)泥餅形成機(jī)理探討3.1盾構(gòu)刀盤(pán)的堵塞分析刀盤(pán)挖掘成形的過(guò)程可分為兩個(gè)步驟：一個(gè)是刀具進(jìn)成形，另一個(gè)是刀具旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀具破碎成形。考慮刀頭與刀具的相互作用，需要考慮兩個(gè)影響因素。它們是當(dāng)?shù)侗P(pán)進(jìn)入成形區(qū)時(shí)，刀盤(pán)前部與刀盤(pán)擠壓上的土壤之間的粘結(jié)，以及刀盤(pán)與礦面邊緣剪切之間的摩擦：當(dāng)圓盤(pán)刀切割成形帶板時(shí)，刀形受到擠壓，刀盤(pán)的擠壓粘結(jié)在采煤與采煤工作面之間，并使刀盤(pán)的前部在采煤工作面與采煤工作面之間起擠壓剪切作用。這些影響導(dǎo)致兩種結(jié)果，一種是渣附著在刀盤(pán)的面板上，另一種是渣通過(guò)刀盤(pán)的開(kāi)口被擠進(jìn)艙內(nèi)。從上面的分析可以看出，泥餅有兩種功能：壓粘和壓切。壓力黏結(jié)效應(yīng)是鋼渣在壓力作用下粘接到刀頭的結(jié)果。前幾章為國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了各種模型實(shí)驗(yàn)，主要研究金屬表面與渣的正常粘附。壓縮剪切是刀盤(pán)與開(kāi)挖面的相互作用，以及在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中刀盤(pán)與刀盤(pán)開(kāi)口之間的相互作用。它決定了粘附和去除刀盤(pán)上的黏土的機(jī)理，這將在后面的章節(jié)中描述。結(jié)合國(guó)外學(xué)者的研究成果，本文認(rèn)為盾構(gòu)刀盤(pán)對(duì)泥餅最重要的作用是在開(kāi)挖面壓力的作用下，渣進(jìn)入土槽造成堵塞。圖3.1盾構(gòu)刀盤(pán)開(kāi)口及刀具布置上圖為實(shí)際工程施工中盾構(gòu)刀盤(pán)模型。從圖中可以看出，刀頭上預(yù)留的開(kāi)口包括安裝刀架后擋板的輻條開(kāi)口和刀架間隙。如果考慮刀盤(pán)的切向運(yùn)動(dòng)，則還包括相鄰兩排沖孔刀與刀盤(pán)之間的距離。根據(jù)工程地質(zhì)條件和刀具的不同功能，有滾刀、刮板、齒刀、撕裂刀等不同功能的刀具。盾刀頭上預(yù)留的孔、各種預(yù)裝刀、刀間間隙、高差、格柵、護(hù)板、支腿、攪拌棒等盾構(gòu)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)。3.2頂管刀盤(pán)泥餅的機(jī)械力分析發(fā)生刀盤(pán)結(jié)泥餅時(shí)，刀具密集區(qū)域和開(kāi)口率小的區(qū)域切板的致密區(qū)域和小孔隙區(qū)域總是先被淤泥填滿，最終成為泥餅破壞最嚴(yán)重的區(qū)域。為了便于建立刀頭堵塞的分析模型，將刀頭開(kāi)口堵塞問(wèn)題轉(zhuǎn)化為金屬刀片插入土壤（類(lèi)似于十字板）的問(wèn)題，并以粘土的數(shù)量作為刀片堵塞問(wèn)題的解釋。如下圖所示，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，將不同葉片角度的金屬葉片插入土壤并拔出，粘在金屬板上的黏土數(shù)量及其分布有顯著差異。當(dāng)葉片夾角為180度時(shí)，粘在金屬板上的黏土量幾乎為零，而相鄰金屬板夾角為22.5度時(shí)，粘在金屬板上的黏土量非常大。如圖所示，土樣中插拔十字板的原理與實(shí)際工程中粉土通過(guò)刀盤(pán)開(kāi)口進(jìn)入土槽的原理類(lèi)似。圖3.2葉片夾角與粘附土量示意圖刀具和刀艙阻塞工具和槽堵塞也可以使用梁－橋模型進(jìn)行分析。在梁橋模型中，梁的承載力與橋梁的跨徑密切相關(guān)。可以認(rèn)為，當(dāng)梁的強(qiáng)度一定、橋墩的支撐力一定時(shí)，梁的跨度越大，泥餅微構(gòu)件的損傷越大。否則，泥餅中的微量元素很難被破壞。這說(shuō)明開(kāi)口頭總是先在中間形成泥餅，開(kāi)口比較小，邊緣不容易形成泥餅。這些元素跨度很大。如下圖所示，當(dāng)?shù)镀诘貙又行D(zhuǎn)時(shí)，鏟斗和鉆頭相對(duì)移動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，刀具之間的間隙很小。淤泥通過(guò)相鄰工具間隙時(shí)，由于梁橋效應(yīng)，淤泥占主導(dǎo)地位。填充齒輪刀具之間的間隙會(huì)導(dǎo)致刀具穿深降低和切削能力降低。當(dāng)相鄰兩排射孔工具被淤泥填滿并堵塞時(shí)，相鄰兩排射孔工具之間就會(huì)形成一個(gè)“凹”槽，導(dǎo)致淤泥進(jìn)一步堆積在面板上，最終被工具填充。產(chǎn)生類(lèi)似“碗”效應(yīng)，導(dǎo)致面板上渣土進(jìn)一步堆積，最終糊滿刀盤(pán)。圖3.3結(jié)泥餅前后刀盤(pán)刀具阻塞情況對(duì)比上述分析的一個(gè)含義是，在設(shè)計(jì)盾構(gòu)刀盤(pán)時(shí)，應(yīng)首先考慮刀盤(pán)開(kāi)口與刀盤(pán)挖出擾動(dòng)地層后形成的質(zhì)量之間的尺寸效應(yīng)以及刀具尺寸。的效果。根據(jù)圣維南原理，刀盤(pán)最小開(kāi)孔尺寸應(yīng)為碎粒當(dāng)量尺寸的3-5倍。刀具間距和高度也應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的尺寸效果進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)淤泥入口肋形進(jìn)行優(yōu)化，使之更圓潤(rùn)、向內(nèi)傾斜，理論上減小了泥餅微單元與入口肋的接觸面積，減小了梁墩的支撐力。有利于泥餅的破碎，減少泥餅的形成。3.3機(jī)械力化學(xué)作用對(duì)刀盤(pán)泥餅硬化的分析從刀盤(pán)與地層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以看出，刀盤(pán)形成泥餅時(shí)，開(kāi)挖面始終處于高溫磨削應(yīng)力狀態(tài)。刀盤(pán)上的泥餅雖然不是突然出現(xiàn)的，但會(huì)對(duì)施工產(chǎn)生顯著影響，并會(huì)在第一至第二環(huán)的驅(qū)動(dòng)過(guò)程中使驅(qū)動(dòng)速度降低到非常低的水平。由于影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度的因素很多，在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)速度下降時(shí)，操作人員一般會(huì)增加千斤頂?shù)耐屏?，增加卸土量?lái)提高掘進(jìn)速度。這大大增加了盾構(gòu)刀盤(pán)與開(kāi)挖面之間的接觸壓力，高壓會(huì)加強(qiáng)泥餅，形成二次堵塞。泥餅形成時(shí)，如果盾構(gòu)刀盤(pán)處理不當(dāng)，泥餅就會(huì)粘在刀盤(pán)上，與地層摩擦，泥餅就會(huì)硬化成巖石，對(duì)盾構(gòu)施工的安全構(gòu)成很大的威脅?；瘜W(xué)和電化學(xué)、熱化學(xué)、光化學(xué)、磁化學(xué)和放射化學(xué)都屬于工程化學(xué)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外化學(xué)反應(yīng)的研究進(jìn)展，包括晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的變化，以及物理化學(xué)反應(yīng)的基本原理、規(guī)律和應(yīng)用。機(jī)械力化學(xué)作用的直接影響：(1）固體反應(yīng)活性增加。高壓磨削導(dǎo)致固體中晶格缺陷和晶格畸變，增加了固體的分散性、比表面積，并在新表面產(chǎn)生一些自由基，從而增加了反應(yīng)活性：(2）磨削促進(jìn)了物理和化學(xué)現(xiàn)象的發(fā)生。在磨削過(guò)程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，儲(chǔ)存在細(xì)顆粒內(nèi)部，通過(guò)塑性變形吸收：磨削產(chǎn)生局部高應(yīng)力數(shù)十億帕斯卡，固體容重增加，比表面積增加，燃點(diǎn)降低，氧化性能增強(qiáng)，接觸分解能力增強(qiáng)，碳結(jié)構(gòu)瓦解。(3）研磨導(dǎo)致固體顆粒結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的變化:n(4）磨削促進(jìn)物理和化學(xué)反應(yīng)?？梢詮倪@個(gè)，機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)的本質(zhì)可以理解為減少化學(xué)的活化能反應(yīng)。磨削效應(yīng)使許多在室溫下不會(huì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)得以發(fā)生。就盾構(gòu)施工而言，發(fā)生機(jī)械力化學(xué)變化包括以下三個(gè)階段：1）刀盤(pán)上的刀具在盾構(gòu)機(jī)千斤頂?shù)淖饔孟卤粔喝氲貙?。工具沖擊破壞土體和巖體，比表面積首次增大。工具進(jìn)入地層后，刀旋轉(zhuǎn)切割地層，進(jìn)一步粉碎和細(xì)化巖石和土壤，進(jìn)一步增加比表面積。破碎的巖土部分通過(guò)刀盤(pán)開(kāi)口進(jìn)入土腔，部分留在刀盤(pán)與挖掘面之間。對(duì)于刀盤(pán)與開(kāi)挖面之間的殘積土，刀盤(pán)與開(kāi)挖面受到擠壓和摩擦，進(jìn)一步增大比表面積，提高礦渣固結(jié)。在此過(guò)程中，巖石和土壤中的礦物晶體結(jié)晶度降低，晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)晶格缺陷和滑移，晶體自由能增加，系統(tǒng)溫度升高。2）聚合階段。在這一階段，渣的比表面積與刀盤(pán)的磨削時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系。由于研磨的結(jié)果，從巖石和土壤中切割的顆粒變得足夠小，顆粒之間的范德華力增強(qiáng)，比表面積不再進(jìn)一步增加，從而導(dǎo)致團(tuán)聚。3）第三階段為縮合再結(jié)晶階段。在這個(gè)階段，顆粒的大小是足夠小，以一個(gè)特定的表面積足夠大。隨著摩擦?xí)r間的增加，粘土礦物顆粒的自由能減小，體系的化學(xué)勢(shì)減小，晶體顆粒再生。結(jié)晶。切板形成泥餅時(shí)，切板上的大部分機(jī)械功轉(zhuǎn)化為熱量，使板泥餅承受高溫高壓。同時(shí)，水在土腔內(nèi)涌進(jìn)開(kāi)挖面，促進(jìn)了晶體雙電層的形成，增加了礦物晶體排列的不規(guī)則性。高壓研磨增加了黏土顆粒發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)的可能性。對(duì)于礦物晶體，高溫高壓的作用導(dǎo)致晶體內(nèi)部的跳動(dòng)和融合，形成一個(gè)高黏性、致密、穩(wěn)定的體系。脫水階段：當(dāng)泥餅的溫度是100-110℃，高嶺土中的自由水排放：當(dāng)溫度上升到110-140℃，其他礦物雜質(zhì)帶來(lái)的水也出院：當(dāng)溫度達(dá)到400*450C，礦物晶格中的水開(kāi)始慢慢放電：在450-550C，晶格水迅速排出：500*800C，脫水收益緩慢：800-1000℃和所有剩余的水排放在1521℃過(guò)渡階段：在脫水過(guò)程中，高嶺石的形成從550℃，高嶺石的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)接近高嶺石，但不完全結(jié)晶，雙軸準(zhǔn)晶體。米卡林的分子排列不規(guī)則，熱力學(xué)穩(wěn)定，在適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)條件下，表現(xiàn)出類(lèi)似于水泥的膠凝性能：一些良好的晶體仍含有少量羥基水，稱(chēng)為高嶺土。脫水后產(chǎn)品的初始轉(zhuǎn)變溫度為925℃，形成鋁硅酸鹽尖晶石結(jié)構(gòu)。尖晶石是由硅氧四面體和鋁氧八面體以2:1的比例疊加而成的立方結(jié)構(gòu)。具有密度大、礦物含量高、顆粒發(fā)育、結(jié)構(gòu)均勻、質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。鋁硅酸鹽尖晶石具有良好的耐蝕性、耐蝕性、抗剝落性、抗渣性、耐磨性和熱震穩(wěn)定性。在1050-1100℃時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)化為莫來(lái)石，在1200-1400℃時(shí)完全轉(zhuǎn)化為莫來(lái)石。莫來(lái)石具有耐高溫、膨脹均勻、荷載下軟化點(diǎn)高、高溫蠕變值小、硬度高、耐化學(xué)性好等特點(diǎn)。對(duì)于莫來(lái)石燒結(jié)，還具有優(yōu)良的抗沖擊性能。綜上所述，刀盤(pán)破碎擾動(dòng)了地層水分條件的變化，導(dǎo)致刀盤(pán)上形成泥餅。泥餅形成后，如果繼續(xù)開(kāi)挖，高溫高壓的作用會(huì)引起泥餅的機(jī)械和化學(xué)變化，促進(jìn)粘土礦物的物理和化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的礦物。根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬、高溫、與刀盤(pán)緊密聯(lián)系的特點(diǎn)，提出了一種新的巖石結(jié)構(gòu)——巖石結(jié)構(gòu)，并與刀盤(pán)成為一體。3.4頂管刀盤(pán)泥餅形成影響因素3.4.1地址底層因素一般情況來(lái)說(shuō)，在非硬巖地層，所開(kāi)挖地層顆粒越細(xì)小且含量越多，其渣土就越容易形成塑流體，比較輕易地就將盾構(gòu)機(jī)的開(kāi)挖倉(cāng)灌滿，因此在開(kāi)挖倉(cāng)中就可以比較容易地建立起足夠的壓力，來(lái)穩(wěn)定被掘削掌子面的土體，宜選用土壓盾構(gòu)。由于開(kāi)挖的地層顆粒大、含量高，盾構(gòu)刀盤(pán)切割礫石土的塑性流動(dòng)性變差，開(kāi)挖硐室不能滿足足夠的壓力。氣墊平衡蓋。滲透系數(shù)屬于土的特性，但滲透系數(shù)的大小影響盾構(gòu)機(jī)的選擇。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)開(kāi)挖土體（主要是細(xì)砂、粉質(zhì)黏土和黏土）含水量系數(shù)不大于10m/s時(shí)，最好采用EPB盾構(gòu)。當(dāng)開(kāi)挖土體（主要小于10m/s，大于10ms時(shí)，可以選擇土壓力或泥水類(lèi)型：當(dāng)開(kāi)挖土體（主要是卵石和礫石）滲透系數(shù)不小于10m/s時(shí)，泥水盾構(gòu)是最好的選擇。圖3.4盾構(gòu)與滲透系數(shù)關(guān)系3.4.2盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)刀具因素泥餅的形成通常有幾個(gè)階段。先將刀盤(pán)支臂中心填滿淤泥，再將中心孔填滿。在刀盤(pán)前端中心區(qū)域逐漸形成泥餅，泥餅積累增厚。并繼續(xù)從刀頭中心向邊緣擴(kuò)展。與此同時(shí)，罐內(nèi)泥餅膨脹，堵塞泡沫管，最終導(dǎo)致EPB完全失去挖掘能力。業(yè)內(nèi)人士首先認(rèn)為，由于刀盤(pán)開(kāi)度不足，泥餅形成的概率增大。但為了提高盾構(gòu)機(jī)的適用性，保證刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，復(fù)合成形刀盤(pán)通常設(shè)計(jì)為盤(pán)形和輻條形復(fù)合成形。這直接限制了刀盤(pán)的開(kāi)孔率在28%到35%之間。即使設(shè)備制造商最大限度地提高了刀盤(pán)的孔徑比，但在使用中發(fā)現(xiàn)，孔徑比大的刀盤(pán)并不能很好地防止泥餅。明顯的優(yōu)勢(shì)。后來(lái)刀盤(pán)中心的開(kāi)孔比較大，但從刀盤(pán)中心形成泥餅的問(wèn)題并沒(méi)有完全解決。因?yàn)槟囡灥男纬苫旧鲜菑脑摰貐^(qū)中心的刀頭的胳膊，小組的支持，近年來(lái)，各種設(shè)備制造商試圖安裝高壓清洗設(shè)備在土槽的中心，希望能及時(shí)清理淤泥進(jìn)入刀頭支桿的中心。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，效果不理想，所以在刀盤(pán)前面增加了2-3個(gè)泡沫通道（土壤調(diào)節(jié)劑增加管道換水，過(guò)去兩年刀盤(pán)前面已經(jīng)修改了旋轉(zhuǎn)接頭通道加水。在渣進(jìn)入刀盤(pán)開(kāi)口之前，將足夠的水混入渣中，使熱源形成的溫度降低。與原工藝相比，濾餅的形成明顯改善。但它并沒(méi)有完全解決切蛋糕的問(wèn)題。3.4.3施工控制因素除地層地質(zhì)和刀盤(pán)刀具設(shè)計(jì)制造缺陷外，施工過(guò)程中的操作者的行為也是刀盤(pán)結(jié)泥餅的一個(gè)不可忽視的因素，歸結(jié)為以下幾條：(1）正確判斷復(fù)合地層下的盾構(gòu)掘進(jìn)模式在土壓平衡模式時(shí)土艙內(nèi)土壓設(shè)定值過(guò)高，導(dǎo)致切削下來(lái)的土砂不能順利通過(guò)螺旋機(jī)排出，在土艙內(nèi)堆積擠壓，密實(shí)度和密度越來(lái)越大，最終形成泥餅。(2）掘進(jìn)施工中沙土改良問(wèn)題。通常在刀盤(pán)和土艙內(nèi)加入水、膨潤(rùn)土和泡沫劑，泡沫劑是一種化學(xué)物質(zhì)，它對(duì)沙土有膨化、潤(rùn)滑和降低附著力的作用，對(duì)降低沙土和刀盤(pán)刀具溫度也起主要作用。施工過(guò)程中因經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)判斷失誤，對(duì)加入的改良劑的濃度配比、注入壓力、注入量等掌握不準(zhǔn)，導(dǎo)致沙土得不到很好改良，促成泥餅產(chǎn)生。(3）盾構(gòu)機(jī)械維護(hù)保養(yǎng)問(wèn)題。因系統(tǒng)冷卻水溫度偏高，或是刀盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)后與周?chē)馏w介質(zhì)摩擦生熱，使土艙內(nèi)溫度升高，對(duì)泥餅有“燒結(jié)促成”作用。設(shè)置在刀盤(pán)面板上的注入孔時(shí)常被堵塞，無(wú)法適時(shí)按量加入泡沫劑，沙土和易性得不到有效改良。4頂管刀盤(pán)泥餅處理措施和建議4.1盾構(gòu)機(jī)選型與配置早期選用盾構(gòu)機(jī)對(duì)防止泥餅的形成起著重要作用。由于刀盤(pán)在挖掘和旋轉(zhuǎn)時(shí)是旋轉(zhuǎn)的，所以刀盤(pán)中心區(qū)域線速度較小，這是刀盤(pán)上最容易形成泥餅的區(qū)域。因此，不僅要保證盾構(gòu)機(jī)整體刀盤(pán)的開(kāi)孔率滿足要求（有學(xué)者認(rèn)為開(kāi)孔率應(yīng)在3%以上，以減少泥餅現(xiàn)象），還要提高刀盤(pán)中心的開(kāi)孔率，提高刀盤(pán)中心泥沙的流動(dòng)性。在工具方面，泥餅對(duì)工具的磨損很大，容易因泥餅的形成而造成部分磨損。為減少泥餅對(duì)刀具的磨損，應(yīng)適當(dāng)增加刀具的強(qiáng)度，以減少更換刀具的頻率。同時(shí)，可以優(yōu)化刀具形狀和布局，降低泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。攪拌棒應(yīng)合理設(shè)置在刀盤(pán)后的土槽內(nèi)。當(dāng)?shù)侗P(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，可將土槽內(nèi)的渣，特別是容易堆積在土槽底部的渣進(jìn)行攪拌，加速土槽內(nèi)的流動(dòng)，減少堵塞的發(fā)生。發(fā)生。減少泥餅的另一有效措施是在盾構(gòu)槽艙壁上安裝盾構(gòu)沖刷系統(tǒng)，利用高壓水或高壓泥漿沖洗刀盤(pán)口，破壞刀盤(pán)口堵塞的泥漿。它能提高渣的含水量，改善渣的流動(dòng)性。因?yàn)槟囡炄菀自诘侗P(pán)中心形成，洗滌口也主要設(shè)置在刀盤(pán)中心。在實(shí)際應(yīng)用中，該沖刷系統(tǒng)有效地減少了泥餅的產(chǎn)生。一些輔助措施也可以減少施工過(guò)程中泥餅現(xiàn)象引起的顏色噪聲。在土槽內(nèi)設(shè)置不同高度的土壓力傳感器，記錄開(kāi)挖時(shí)土槽內(nèi)不同位置的壓力。然后按一定的計(jì)算方法計(jì)算出挖掘槽內(nèi)礦渣的表觀密度，并在槽內(nèi)形成泥餅。早期識(shí)別和檢測(cè)阻塞問(wèn)題。4.2渣土改良當(dāng)開(kāi)挖的地層土體不能滿足施工要求時(shí)，例如在黏土地層中易發(fā)生結(jié)泥餅的現(xiàn)象，在砂性土地層中易發(fā)生噴涌等，早期識(shí)別和檢測(cè)阻塞問(wèn)題。在施工過(guò)程中，當(dāng)開(kāi)挖地層的土質(zhì)不能滿足施工要求時(shí)，如黏土層形成泥餅或砂層滲水時(shí)，通常在隧道工作面或土槽內(nèi)進(jìn)行注漿。為了保證盾構(gòu)機(jī)良好的工作性能，采用了一些添加劑來(lái)改善污泥的物理性能。淤泥加固已成為復(fù)雜地層開(kāi)挖中常用的關(guān)鍵技術(shù)。目前常用的土壤改良劑有泡沫、膨潤(rùn)土、泥漿、聚合物、分散劑等。根據(jù)地層和工程條件，通常使用不同的添加劑。下表列出了常用的添加劑。表4.1常用的渣土改良添加劑工程條件渣土改良添加劑添加劑作用砂卵石地層膨潤(rùn)土泥漿+泡沫劑改善渣土流動(dòng)性降低透水性一般砂層膨潤(rùn)土流漿+泡沫劑改善渣土流動(dòng)性降低透水性富水砂層膨潤(rùn)土泥炭+高分了聚合物提高渣土流動(dòng)性防止噴涌黏土地層泡沫劑+分散劑改善渣土流動(dòng)性防止結(jié)泥餅對(duì)于黏性地層常用的泡沫改良劑，黏性地層中常用的泡沫改進(jìn)劑，其改進(jìn)原理是向粉土中注入泡沫，形成氣液固三相，增加粉土的流動(dòng)性，使黏土顆粒更加分散，減少土壤顆粒之間的相互作用。土壤顆粒與盾構(gòu)機(jī)之間的粘附還可以提高粉土的壓縮性，降低粉土的摩擦力，減少形成泥餅的可能性。采用泡沫土改良法時(shí)要考慮的主要參數(shù)包括發(fā)泡劑的種類(lèi)、發(fā)泡劑的濃度、發(fā)泡劑的穩(wěn)定性和發(fā)泡劑的注入速度。4.3施工處置措施盾構(gòu)機(jī)推力壓力、驅(qū)動(dòng)速度、排土速度等施工參數(shù)的控制對(duì)盾構(gòu)機(jī)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)影響很大。良好的施工控制可以及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖量，減少泥餅的產(chǎn)生。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，可以通過(guò)盾構(gòu)機(jī)的扭矩、推進(jìn)速度、推進(jìn)尺寸、循環(huán)水溫度等參數(shù)來(lái)判斷開(kāi)挖狀態(tài)。同時(shí)，由于泥餅附著在刀盤(pán)上，與之形成的摩擦較大，循環(huán)水的溫度也隨之升高。黏性復(fù)合地層中盾構(gòu)施工應(yīng)保證連續(xù)、快速、穩(wěn)定的施工質(zhì)量。如發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常，應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，調(diào)整鉆井參數(shù)，減少泥餅的發(fā)生。在工程條件允許的情況下，EPB盾構(gòu)掘進(jìn)可采用半室氣動(dòng)方式，工作面壓力可由土壓力和土壓力平衡，以減少粉土作為盾構(gòu)介質(zhì)。減少因刀頭扭矩過(guò)大和刀具磨損嚴(yán)重而產(chǎn)生的泥漿等問(wèn)題。但采用壓力方式時(shí)，應(yīng)密切監(jiān)測(cè)硐室壓力，注意地層氣密性和注漿效果，防止段浮、地面塌陷。需要注意的是，氣動(dòng)土壓力平衡法對(duì)地層條件和施工技術(shù)要求較高，使用過(guò)程中可能對(duì)周?chē)貙釉斐奢^大擾動(dòng)。當(dāng)穿越地層黏度高或地表結(jié)構(gòu)敏感的區(qū)域時(shí)，通常會(huì)提前停機(jī)檢查。在正常掘進(jìn)過(guò)程中，打開(kāi)機(jī)艙進(jìn)行檢查是常見(jiàn)的。主要檢查工具的磨損情況，更換磨損較大的工具，手動(dòng)去除部分已經(jīng)形成的泥餅，保證了施工的效率，減少了泥餅問(wèn)題。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)電滲法可以去除泥餅，但該技術(shù)尚不成熟，尚未在盾構(gòu)隧道工程中應(yīng)用。將工具放置在陰極上，正確定位陽(yáng)極，使水化的陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，在金屬和土壤界面之間形成水膜，達(dá)到減粘、減粘的目的。5頂管刀盤(pán)泥餅處理優(yōu)化案例呈現(xiàn)5.1工程背景武漢三陽(yáng)路過(guò)江隧道是一條公鐵合建雙洞隧道，隧道從上到下分為排煙道、單向三車(chē)道公路、地鐵7號(hào)線區(qū)間三層。隧道采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖，長(zhǎng)江兩岸有兩口工作井。盾構(gòu)隧道總長(zhǎng)度為4.61m，穿越斷面約為2.591m，隧道外徑為15.2m，最小轉(zhuǎn)彎半徑為1200m，盤(pán)體開(kāi)度29%，刀盤(pán)中心不開(kāi)。盾構(gòu)機(jī)配有中央高壓精煉裝置。刀頭布局如圖5-15所示。隧道縱斷面地質(zhì)條件如圖5-16所示。隧道主要地層為粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)土、中粗砂、強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)泥巖、弱膠結(jié)礫巖和中風(fēng)化粉質(zhì)巖。泥巖。其中，隧道中段為長(zhǎng)約1.36km的復(fù)合地層，最大水頭壓力0.53MPa，最大水土壓力0.68MPa。圖5.1武漢三陽(yáng)路過(guò)江隧道縱斷面地質(zhì)條件示意圖5.2頂管刀盤(pán)泥餅情況在掘進(jìn)至190環(huán)階段處于復(fù)合地層，盾構(gòu)掘進(jìn)效率降低，推進(jìn)速度從20nm/min下降至5mm/min，刀盤(pán)扭矩從15MNm增加到20MNm，刀盤(pán)后溫度明顯升高，刀盤(pán)支架壓力波動(dòng)較大。198轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行復(fù)檢，發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)嚴(yán)重沾有泥餅。大多數(shù)刀里都有泥餅。刀筒如圖所示。在此段施工過(guò)程中刀具磨損嚴(yán)重，外圈換刀頻率達(dá)到了20環(huán)次。圖5.2刀桶泥餅淤積5.3優(yōu)化措施5.3.1人工進(jìn)倉(cāng)，清理刀盤(pán)泥餅根據(jù)地質(zhì)特征分析，地層本身具有良好的穩(wěn)定性，無(wú)裂縫，盾構(gòu)機(jī)位于該區(qū)域，上部覆蓋厚土。結(jié)果表明：巷道工作面穩(wěn)定，涌水量小、可控；因此，采用大氣饋電。筒倉(cāng)從刀盤(pán)中取出泥餅。常壓人工進(jìn)入開(kāi)挖艙分別采用高壓水切割、液壓齒輪切割、手動(dòng)鋼鉆拆卸等人工進(jìn)入挖掘硐室，徹底清除硬化厚泥餅，恢復(fù)原有輕接口和循環(huán)通道，確保切割向下。淤泥進(jìn)入敞倉(cāng)，通過(guò)泥漿循環(huán)系統(tǒng)從倉(cāng)底排出。另外，要及時(shí)掌握總推力、進(jìn)料長(zhǎng)度等各種開(kāi)挖參數(shù)的實(shí)際情況，采用規(guī)范的防控機(jī)制，定期清理庫(kù)房泥餅，有效控制泥餅厚度。5.3.2改造刀盤(pán)沖刷系統(tǒng)（1）結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn)和刀盤(pán)構(gòu)造，在刀盤(pán)面板增加沖刷點(diǎn)，提高沖刷能力（范圍和流量），及時(shí)沖掉黏結(jié)在面板泥塊，降低刀盤(pán)面板結(jié)泥餅機(jī)率。（2）刀盤(pán)沖刷管路，改造格柵沖刷管路∶改變?cè)袥_刷嘴的形狀和角度，沖刷口由圓形改為鴨嘴形，挺高沖刷動(dòng)能。延伸長(zhǎng)度通過(guò)沖刷刀盤(pán)的方式清理該處殘留的泥餅，適當(dāng)加大內(nèi)循環(huán)流量，將切削所得的黏土清理干凈。通過(guò)泵入泥漿的作用可提高切削所得土體的流塑性，同時(shí)輔以適量的高壓水，有助于降低泥漿黏度，由此提高盾構(gòu)機(jī)的排泥能力，有效避免刀盤(pán)面出現(xiàn)泥餅現(xiàn)象。增設(shè)攪拌棒并將其安裝在開(kāi)挖艙中隔板處，此舉有助于提高渣土的流動(dòng)性，阻止泥餅的形成。（3）拆除排漿口格柵，提高泥團(tuán)通過(guò)率，保證泥水環(huán)流出渣順暢，避免積倉(cāng)。5.3.3調(diào)整掘進(jìn)模式及參數(shù)(1）加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的觀測(cè)，及時(shí)監(jiān)測(cè)刀盤(pán)扭矩和推力的實(shí)際值，判斷是否有異常變化。挖掘過(guò)程中，循環(huán)泵和防泥餅裝置連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，沖洗刀盤(pán)。在此過(guò)程中，刀盤(pán)中央注水系統(tǒng)協(xié)同工作，解決了泥餅的形成問(wèn)題。開(kāi)挖后應(yīng)保持泥漿循環(huán)。目的是對(duì)刀盤(pán)和開(kāi)挖槽內(nèi)的泥漿進(jìn)行深度清理，避免淤泥大量堆積的現(xiàn)象。(2）增加漿液流出的流速。切削處理后得到的污泥應(yīng)及時(shí)清理，不得反循環(huán)，否則容易增加刀盤(pán)上的污泥堆積。(3）盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行時(shí)，掘進(jìn)速度應(yīng)保持在20mm/min以內(nèi)。如果刀盤(pán)扭矩小，可適當(dāng)提高刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，從而減少大粘土的用量。為了避免長(zhǎng)時(shí)間統(tǒng)一切削方向，在刀旋轉(zhuǎn)過(guò)程中需要頻繁的正、負(fù)切削作業(yè)。開(kāi)挖時(shí)應(yīng)及時(shí)觀察出渣量。如果出渣量異常減少，說(shuō)明挖掘機(jī)駕駛室和刀盤(pán)內(nèi)有積渣，應(yīng)及時(shí)清理。除特殊情況外，應(yīng)定期清理挖掘硐室，每隔30cm開(kāi)挖一次，及時(shí)檢測(cè)挖掘硐室艙壁溫度，掌握挖掘硐室整體工作情況。(4）調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)模式，從最初的“滿倉(cāng)”調(diào)整為“半倉(cāng)負(fù)壓”。適用于自穩(wěn)定性好、水流量小、空氣保溫性好的地層。為了解決刀盤(pán)上的泥餅問(wèn)題，不僅降低了刀盤(pán)的扭矩和總推力，而且提高了推進(jìn)速度。(5）復(fù)合地層中盾構(gòu)隧道煤泥水的過(guò)程中，泥漿高指數(shù)推動(dòng)本應(yīng)該替換為優(yōu)質(zhì)泥漿比重較低，防止土壤積累在銑頭和推動(dòng)本，確保銑頭的暢通。因此，必須選擇合適的泥漿指標(biāo)，嚴(yán)格控制指標(biāo)。由于該地層自造漿能力強(qiáng)，渣土發(fā)生溶解后將促使泥漿黏度和比重大幅提高，嚴(yán)重制約循環(huán)泥漿的作用，降低攜帶渣土的能力，若此問(wèn)題未得到及時(shí)處理將明顯增多刀盤(pán)和開(kāi)挖艙的黏土團(tuán)。對(duì)此，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)監(jiān)測(cè)泥漿指標(biāo)，條件允許時(shí)每環(huán)監(jiān)測(cè)三次。以泥漿實(shí)際情況為出發(fā)點(diǎn)合理調(diào)整排漿方式，適時(shí)加注清水，保證泥漿濃度維持在合理的范圍內(nèi)。5.4優(yōu)化效果采取一系列措施后，施工效率得到較大地提升，在左線431-505環(huán)之間采用多種方法進(jìn)行了多次泥餅處置，其間的總推力、扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度、掘進(jìn)速度變化情況如圖所示，其參數(shù)進(jìn)行了歸一化處理，推力、扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度、掘進(jìn)速度的峰值分別為14.6×1041kN、26.9wNm、1.76rpm、18mm、22.8mm/m